飞机导航系统

第1章绪论 航空的发展起源于19世纪，从*初的无动力滑翔器到后来的莱特兄弟**次人工操纵动力飞行器实现飞机的起飞、飞行、着陆，人类航空的历史逐步走向绚丽。 1.1仪表飞行的历史 20世纪20年代初，飞机导航主要靠目视导航。飞行严重受制于天气，需要起飞机场、航路及着陆机场全程都必须有晴好天气，才能飞行。但对于远距离飞行而言，要一直具备晴好适飞的天气显然是一件很困难的事情，远距离飞行由此受到了极大的限制。苦于这种局限，美国军方于1925年开始研究盲飞（blind flight，又称仪表飞行）。 要实现“盲飞”，至少需要满足三个条件：首先，需要有足够精度的高度表以防止飞行员在能见度低时撞地或撞山；其次，需要为飞行员提供人工水平面，以帮助他们确定飞机姿态并能够区分天地；*后，需要为飞行员提供在没有地标和星体指引的情况下仍旧能够确定自己的位置并驾驶飞机飞行的导航手段。同时，在着陆阶段，需要飞行员能够在看不到跑道的情况下着陆。1925年，无线电波被应用到飞机的着陆引导中。 1929年9月24日，从纽约长岛的米切尔机场机库推出了一架沃特海盗海军战斗机，两个年轻的海军上尉利用这架前后双座飞机进行了“盲飞”试验。前座飞行员（Benjamin Kelsey）可以透过驾驶舱看到外部情况，作为飞机飞行的安全保障驾驶员，后座驾驶员（Jimmy Doolittle）坐在用帆布遮挡的驾驶舱中操纵飞机。这架配备了地平仪、航向陀螺及无线电接收机的飞机，在人们关注的目光中起飞，飞行了15英里后安全着陆，整个飞行完全由后座驾驶员操纵完成，实现了人类航空史上**次仪表飞行测试，开创了导航技术在飞机上的应用。 1.2导航及导航分类 现代航空电子系统日益复杂，要深入了解导航技术及导航系统，首先必须明确与航空电子系统设计密切相关的两个基本概念：功能与系统。所谓功能，指的是需要完成的相关功能性要求，它通常利用动词来进行定义，与动作密切相关，如：控制飞机按计划飞行，确定飞机所在位置等。而系统则是指利用一定的技术手段（机械的、电子的、电气的、液压的等）来实现相应功能的部件的组合。不同的飞机，其功能要求通常是相同或相近的，但实现技术、系统组成却可能千差万别。导航作为一种功能，实时确定飞机的位置或速度等信息，从而实现对飞机飞行的引导，而导航系统则是指利用各种不同的技术来实现导航功能的不同部件的组合。 对于民用飞机来说，它的主要功能就是按照飞行计划，在空管人员的指挥及协助下，将乘客或货物安全送达目的地。为实现该功能，现代大型商用飞机通常利用通信和监视系统实现飞机与空管之间的通信协调功能，飞机对危险环境（气象、其他飞机、地形等）的躲避功能，以确保飞行的安全；利用导航、仪表、飞行管理和飞行控制系统实现飞行计划的制定、导航参数的确定及制导功能，完成飞机的可控飞行。如图11所示，图中可以看出，导航系统是飞机飞行控制的关键组成部分，缺少了导航系统，飞机就失去了双眼。 机载电子系统的架构通常是由飞机制造商（如波音公司、空客公司）决定，制造商可将功能划分为若干子功能，各子功能用不同的系统、组件来实现。为保证信息的准确、可靠，机载电子系统通常利用冗余的方法，通过热备份、互通信、判决器等手段来确保功能的正常实现。因此，飞机上的导航系统通常会多组件、多系统并存。图12为电子设备舱内航空电子设备的布局图，其中导航设备主要位于设备航架*上边的两排。 实现不同功能的机载电子系统通常来自各个部件制造商（如霍尼韦尔、罗克韦尔柯林斯公司等），飞机制造商通常只规定部件的功能与技术指标。因此，不同部件制造商生产的相同或相似功能的部件会采用不同的实现技术。 飞行中，机载导航系统和飞行控制系统配合来实现飞机的轨迹控制（制导，guidance）和姿态控制（操纵，piloting），该控制的闭环回路如图13所示。 制导是一个长周期过程，需要将飞机从起飞机场引导到目的地机场。在这个过程中，飞行控制系统需要获取的基本信息包括：飞行计划、飞机的实时位置、航向、高度及高度变化率、地速等，只有获取了上述信息，才能实现对飞机轨迹的有效控制。而操纵则是一个短周期过程，它要实现对飞机姿态的控制。在这个过程中，飞行控制系统需要获得的基本参数包括飞机的姿态、航向、空速、马赫数、高度及高度变化率等。所有上述参数都需要导航系统提供，它是飞机姿态及轨迹控制所必需的一个复杂、庞大的传感器系统。 作为飞行控制的传感器系统，导航系统所需要完成的功能包括但不限于：提供飞机的姿态、航向、速度、高度、相对位置、绝对位置及相关信息的可靠程度。而要实现这些功能，人们采取了各种不同的导航手段，发明了各种导航系统。这包括可提供飞机高度、空速、姿态、航向、相对方位的传统导航手段（典型的传统导航系统包括大气数据仪表、陀螺仪表、各种无线电导航系统）；可提供绝对位置信息的区域导航系统（如卫星导航系统、惯性导航系统、基于多无线电导航信号的区域导航DME/DME、DME/VOR）等；可提供绝对位置及导航精度、完好性监视的基于性能的导航（如全球卫星导航系统、组合导航等）。其中，基于性能的导航不仅提供飞机的导航参数，还同时监控导航性能的变化，并在必要时向飞行员发送提醒信息。 由此可见，导航功能是利用一定的工具（无线电波或传感器），通过特定的手段或计算方法，来确定载体的位置、速度、航向及姿态等参数。完成导航功能的导航系统复杂多样，提供的导航参数各不相同，实现手段也迥然不同。根据实现原理的不同，导航系统通常有以下几类。 （1）仪表导航。飞机上*简单的导航设备就是导航仪表，如地平仪、罗盘、高度表、空速表等。它们通常利用特定的手段独立测量飞机的一些导航参数，如姿态角、航向角、空速、高度等，供飞行员操纵飞机使用。 （2）无线电导航。无线电导航系统利用无线电技术来测量飞机的导航参数，这类系统较多，它们的基本功能包括测高、测向、测速、测距和定位等。 （3）天文导航。天文导航*早是由航海导航需求发展而来，其基本原理是利用光学仪器（如六分仪）人工观测星体的高度角或自动跟踪星体，进而确定航行体的位置，一般不用于航空导航。 （4）卫星导航。卫星导航属于可实现载体绝对定位的无线电导航技术。它利用人造地球卫星（简称导航卫星）来实现导航定位。导航卫星被严格控制在预定轨道上，利用接收设备测量载体与卫星之间的距离，并利用卫星的位置计算载体的位置、速度等导航参数。 （5）惯性导航。惯性导航利用惯性敏感元件测量载体相对惯性空间的线运动和角运动参数，根据运动初始条件，由计算机推算出载体的姿态、方位、速度和位置等参数。 （6）组合导航。上述几种导航方法各有优缺点。为了提高定位精度和性能，往往将上述两种或两种以上的导航系统结合在一起形成组合导航系统，以取得更佳导航性能。 按照是否需要借助外部信号来实现导航功能，导航系统又可以分为自主式导航和非自主式导航。自主式导航不需要借助外部导航台的信号，只需要自身的传感器及设备就可以实现导航功能，如惯性导航系统、无线电高度表；而非自主式导航系统则需要借助外部导航台的信号才能实现导航参数的确定，如大部分的无线电导航系统、卫星导航等。 根据作用距离的远近，导航系统还可以分为远程导航系统和近程导航系统。 1.3导航技术的发展 早期飞机的导航主要靠目视导航，但由于大部分地区（尤其是平原、山区）夜间没有明显的地标，因此，早期的飞机通过地面点起的篝火来引导飞机夜航，后来利用灯塔来实现夜间导航。20世纪20年代，很多需要设置导航台的地方没有电，只能用柴油发电机为灯塔导航台供电。为了尽可能扩大导航范围，*早的地面灯塔导航台通常设置在山顶上，需要用骡子将发电机及灯塔等设备驮上山。这就出现了当时戏剧性的一幕：飞机这种*先进的交通工具却需要人扛畜驮这种*原始的交通手段来为它提供导航信息。 *早的无线电导航是利用地面无方向信标（non directional beacon，NDB）台实现的，这是一种归航信标，犹如夜晚的灯塔，为飞机提供航向引导。 第二次世界大战期间，飞机着陆引导的需求推动了甚高频全向信标（VHF omnidirectional range， VOR）的发展。1946年，VOR系统成为美国的标准导航设备，1949年，国际民航组织（International Civil Aviation Organization， ICAO）将其采纳为标准近程无线电导航设备，由此在国际上得到广泛认同。直至今天，VOR依旧是一种非常重要的无线电导航手段。 测距机（distance measurement equipment， DME）是非自主的脉冲式测距系统，其起源要追溯到第二次世界大战期间英国研制的Rebecca Eureka系统。1959年，DME获得ICAO批准，成为标准测距系统。近年来，DME的使用在世界范围内呈上升趋势。 为更精确地引导飞机着陆，出现了由甚高频频段的航向信标（localizer LOC）、指点信标（marker beacon， MB）及位于UHF频段的下滑信标（G/S）共同构成的仪表着陆系统（instrument landing system， ILS）。1947年，ICAO确认将VOR和ILS作为航路、进近及着陆辅助系统。 1852年，法国科学家傅科用高速旋转的刚体制成了**个陀螺仪，发现了陀螺效应，并在实验室中演示了地球的自转现象。20世纪初出现了用作航向基准的陀螺罗经，利用舒勒调谐原理，人们研制了用于航海的对加速度不敏感的定向仪。20世纪20年代产生了用于飞机的转弯仪、地平仪和方向陀螺。 20世纪上半叶，人们发现利用加速度计和陀螺可以构成一个完整的惯性导航系统（inertial navigation system， INS），但当时的陀螺和加速度计的精度还无法满足INS的要求。20世纪50年代初，出现了平台式惯导系统，1949年的出版物首次出现了捷联惯导的概念。随着惯性传感器技术的迅猛发展，其精度与稳定性不断提高，惯性导航系统在军事和民用方面得到了广泛应用。高精度惯性传感器的出现和计算机技术的发展，促进了捷联惯导系统的发展，并大量用于飞机和导弹的导航。 引起航空界导航革命性变革的是20世纪90年代的全球卫星导航系统（Global Positioning System， GPS），它利用卫星提供的信息来确定用户的位置及速度，实现了全天候、全球范围内的精确导航，改变了飞机从起飞到进近着陆整个过程的导航方式，提供了全飞行时段的精确导航。 惯性导航和卫星导航的使用改变了传统的导航仪表、单一无线电导航相对定位的方式，将导航方法转变为直接给出飞机地理位置的绝对导航方式。这些导航方式的改变，以及航空公司节省燃油、缩短航线等方面的需求促使了“区域导航”概念的出现。20世纪80年代，ICAO提出新航行系统（future air navigation system， FANS）的概念，其中一项重要的技术就是区域导航。ICAO在国际民航公约附件10中对区域导航的定义是：区域导航（area navigation， RNAV）是一种导航方法，它允许飞机在台基导航设备的信号覆盖范围内或在自主导航设备能力限度内或两者的配合下按任何希望的飞行路径运行。其中，台基导航设备包括传统的以地面导航台为基础的陆基导航设备和以卫星为基础的星基导航设备；区域导航不仅是一种导航方法，同时也涉及航路结构和空域环境，区域导航将飞行计划管理、导航功能及部分制导功能结合到一起，可以实现飞机航路以及空域使用的优化。满足上述功能的区域导航计算机与性能管理计算机融合，就形成今天功能强大的飞行管理计算机。 所需导航性能（required navigational performance， RNP）概念的提出，从