现代导航系统与方法

9现代导航系统与方法

传统导航：利用NDB、VOR、DME等无线电导航设备实施导航，其航线计划是按逐台飞越的原则编排的，其航线就是导航台之间的连线，飞行中采用从一个导航台飞向另一个导航台的传统导航方法；无线电定位只能定出相对于电台的位置。这种束缚于导航台的传统的航线结构和导航方法，存在着很大的局限性，限制了飞行流量的增加。

区域导航(RNAV-AreaNavigation)：随着奥米伽导航、多普勒雷达、惯性导航的使用，导航手段发生了根本的变化。无线电定位或其他定位方法可以定出飞机的绝对位置(地理坐标)和/或飞机相对于计划航线的位置(航线坐标)，从实践和设备上不需飞向或飞越导航台，因而航线可以由不设导航台的航路点之间的线段连接而成，使得航线编排更加灵活。国际民航组织(ICAO)在1991年提出了新航行系统(FANS)和区域导航(RNAV)的概念。应用区域导航技术，能够提高空域容量，减轻管制员和飞行员的工作负荷，减少飞行延误，提高空域运行效率。

发展历程：早期的区域导航系统采用与传统的地基航路和程序相似的方式，通过分析和飞行测试确定所需的区域导航系统及性能。对于陆地区域导航运行，最初的系统采用VOR和DME来进行定位；对于洋区运行，则广泛采用惯性导航系统。在不断的实践中，这样的新技术已逐步通过了开发、评估和认证。基于此，国际民航组织在附件11《空中交通服务》和《航空器运行手册》(DOC8168)中提出了部分区域导航设计和应用的标准和建议。美国和欧洲等航空发达国家和地区已经积累了丰富的区域导航应用经验，但由于缺乏统一的标准和指导手册，各地区采用的区域导航命名规则、技术标准和运行要求并不一致，如美国RNAV类型分为A类和B类，欧洲RNAV类型分为P-RNAV和B-RNAV。

所需导航性能(RNP-RequiredNavigationPerformance)：根据RNAV运行过程中出现的问题，提出了所需导航性能(RNP)概念。RNP概念是1991-1992年间由FANS委员会向国际民航组织提出，在1994年，国际民航组织正式颁布RNP手册(Doc9613-AN/937)。在此基础上，ICAO及其成员国设计了基于RNP的区域导航航路。

基于性能的导航(PBN-PerformanceBasedNavigation)：是国际民航组织(ICAO)提出的一种新型飞行运行方式和空中交通管理概念，对民航实现持续安全、增加空域容量、减少地面导航设施投资、提高节能减排和环保效果等具有重要作用，是我国民航建设新一代航空运输系统的核心技术之一，对中国民航的机场建设、导航设施布局和空域使用将产生重大影响。

基于性能的导航(PBN)：为统一认识并指导各缔约国实施新技术，经过多个国家及国际组织众多技术、运行专家多年的努力，ICAO于2007年3月发布了《基于性能导航PBN手册》(ICAODoc9613终审稿)，用以规范区域导航的命名、技术标准，并指导各国实施该新技术，它统一确定了PBN的导航标准，为各国家及地区、各导航服务提供商和空域使用者提供了如何在PBN的统一架构下实施RNAV和RNP运行的指南，也为RNAV和RNP需求规划了全球协同一致的长远目标。9.1新航行系统

新航行系统(FANS-FutureAirNavigationSystem)：是通信/导航/监视/空中交通管理(CNS/ATM)的简称。它是为取代现行航行系统，以在全球范围内更有效地利用空间而由国际民航组织提出的。“新CNS/ATM系统”概念于1992年9月在ICAO航行委员会第10次会议上被采纳。该系统是新一代通信、导航、监视和空中交通管理系统，它克服了现行航行系统的不足和限制，满足了民航进入21世纪的需要，为航空运输提供了高质量的通信、导航、监视(CNS)和空中交通管理(ATM)服务。CNS/ATM系统的使用可降低机场的飞机起降时间间隔，使起降路线机动灵活，使更多的飞机以最佳航线和高度飞行，并且可以减少飞机延误，增大流量，增加飞机起飞降落的安全性。

CNS/ATM包括4大要素：即通信(C)、导航(N)、监视(S)和空中交通管理(ATM)。对于导航来说就是采用全球导航卫星系统(GNSS)来提供全球覆盖并用于区域导航、所需导航性能及基于性能的导航，实施航路、进/离场及进近的引导。9.1.1新航行系统的目的和实质

新CNS/ATM4大要素中，CNS是硬件，ATM是软件，两者必须协调配套，才能充分发挥功能和获得经济效益。9.1.1.1新航行系统的目的(1)利用新技术适应未来航行的需求，提高系统容量；(2)覆盖海洋、边远地区和高高度，形成连续无间隙覆盖；(3)实现数字式数据交换，改善信息传输管理，提高空中交通管理自动化，创造灵活高效的飞行环境；(4)提高交通管制的实用性、应变性，从程序管制过渡到监视管制，获得更好的动态空域；(5)扩展监视作用，保证在安全目标下缩减飞行间隔，更有效地利用空域；(6)提高精密定位能力，实现四维区域导航，扩展短捷直飞航线，扩大飞机运行自由度，节约飞行时间和燃油；(7)对各种环境的适应性，包括不同空城、不同交通流量、不同机载设备、不同地面设施，并能适应多种用户，具有全球飞行跨区或飞越国境的适应性。9.1.1.2新航行系统的实质

新航行系统实质：就是以星基为主的全球CNS系统加上自动化的ATM系统，即卫星应用+数据链+计算机网络。全球CNS系统的关键问题就是卫星应用问题，ATM系统的关键问题是数据化、计算机处理及联网问题。9.1.2新航行系统的组成新航行系统由以下几部分组成：

(1)通信(C)。对于通信，最关健在于双向数据传输，与飞机的话音和数据通信将采用直接的卫星-飞机数据链；在终端区以及不存在视线限制问题的区域也使用VHF和S模式二次监视雷达。

(2)导航(N)。逐步引入区域导航能力、并使其符合所需导航性能(RNP)标准；采用全球导航卫星系统(GNSS)来提供全球覆盖并用于飞机航路导航和进离场、进近着陆；微波着陆系统(MLS)或差分卫星导航系统(DGNSS)将取代ILS；NDB、VOR、DME将逐步退出导航领域；保留惯性导航并发展与卫星导航的组合系统，用于导航。

(3)监视(S)。采用自动相关监视(ADS)，即通过卫星或其他通信链向空管中心自动发送其位置及其他相关数据，飞机位置将以目前的雷达显示类似的方式显示。ADS的一个重要特殊性是不仅向空管中心发送位置数据，而且还发送如飞机航向、速度、航路点等附加信息。

(4)空中交通管理(ATM)。考虑空中和地面系统能力及运行上经济的需要，对用户提供空域利用上的最大灵活性；考虑飞机设备和运行的目的、任务，尽可能灵活组织不同用户之间分享空域，改进对用户提供的信息，提高自动化水平。空中交通管理是管理体制、配套设施及其应用软件的组合。9.1.3新航行系统的优点

(1)CNS/ATM是以卫星导航、卫星和数据通信技术为基础，可在全球范围内对飞机航行的各阶段实施准确、实时有效的导航、监视和自动化管理；

(2)新系统突出了数据通信的特点，使地面系统与机载系统间的通信更准确、实时，减少了人为造成错误的可能性，大大增加了通信的保密性，提高了飞行安全；

(3)新航行系统的导航以覆盖全球的GNSS为核心，为航路、终端和非精密进近提供了高精度、高完善性的导航服务，DGNSS还可用于精密进近程序，因而减少了导航设备；

(4)新航行系统的自动相关监视将精确的卫星导航与数据通信结合起来，空中交通管制中心对空中动态在全面、实时、准确掌握的同时，使地面设备的需要量大大减少，节约大量的基础建设费，也减少了对地面设备维护的费用；

(5)新航行系统的自动化空中交通管理能力以新型的通信、导航和监视为基础，为飞机提供最佳飞行剖面和灵活的流量控制，使飞行时间缩短，降低运营成本，提高了安全性，减少了飞机延误，提高了航班正点率。9.2区域导航、所需导航性能及基于性能的导航9.2.1区域导航(RNAV)

区域导航(RNAV)定义：是一种导航方法，允许飞机在台基导航设备的基准台覆盖范围内或在自主导航设备能力限度内或两者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电台为基础的陆基导航设备和以卫星导航系统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。

传统的航路结构：是基于连接地基导航设备限定的各个固定航路点的航路航线纵横交错而成。随着机裁设备的不断更新、日渐复杂和精确，传统的航路系统就空域使用和机载设备能力的应用而言显得越来越缺乏经济性、灵活性和高效性。20世纪70年代后期，随着流量逐步增长，延误和空域拥挤问题已成为航空界关注的焦点，提高空管系统容量已成为一个亟待解决的问题，解决这一问题最好的方法之一就是在航路飞行阶段更好地利用新一代机载导航系统。新一代机裁导航系统具备不依赖于地基导航设备而在任意两点之间精确飞行的能力，这就是区域导航的概念。20世纪80年代初期，航电技术已发展到能够实现区域导航的程度。到1998年以后，欧洲率先实施了基础的区域导航B-RNAV(Basic-RNAV)，B-RNAV实施是向所有航路飞行阶段实施区域导航运行的第一步过渡。9.2.1.1区域导航使用的导航系统

根据目前所用导航系统，可用于区域导航的系统有：

(1)VOR/DME。这种导航系统是最简单的设备。由飞行员选定一个VOR/DME台，算出方位和距离，作为下一个航路点的位置，使飞机根据VOR方位变化飞向该航路点。但此种设备受限于所选台的覆盖范围和接收距离。要批准将此设备用作RNAV，必须在航路上有足够的VOR/DME台覆盖，能收到50nmile以内的电台；计算机至少能接收并对3个预定航路点进行计算。

(2)DME/DME。目前在陆地上飞行的飞机一般认为采用多台DME作位置更新的飞行管理系统最为精确。位置信息的质量取决于DME/DME双台对飞机的几何位置关系和接收距离，所以在有较多DME台覆盖并可以选取较好组合时，此系统极为可靠。

(3)惯性导航系统(INS/IRS)。惯性导航完全是靠机载的自主设备实现导航，其导航计算机都具有RNAV计算能力，可以输出精确的现在位置、导航数据、驾驶指令和飞机的姿态航向信息；缺点是精度随时间增加变差。现代飞机上一般装有2套或3套惯性导航系统，而且目前很多都与其他导航系统进行了组合，因而成为目前理想的RNAV设备。

(4)全球卫星导航系统(GNSS)。全球卫星导航系统是由机载设备接收天空中24颗卫星发射的信号而定位的独立导航系统，是一种具有高可靠性、高准确性、全球覆盖的导航系统，符合单一导航手段，完全满足国际民航组织对RNAV的技术要求。当前的GPS和GLONASS的误差都在100m以内，不仅能供航路导航，而且能供终端区域导航和非精密进近使用。如果其完好性问题获得进一步解决，它也将是理想的仪表进近设备。9.2.1.2区域导航的特点

区域导航(RNAV)的主要特点：是能够脱离电台台址的束缚，便于编排希望的短捷飞行路径，便于发挥多套组合及多种导航系统组合的优势。

区域导航(RNAV)的特点反映在航线结构上：RNAV的航线就是航路点系列组成的连线，这些航路点是脱离电台台址而自行定义的任何地理位置点，而传统导航的航线是电台台址点系列组成的连续；

反映在定位方法上：RNAV定出的是飞机在地球上的绝对位置，传统导航定出的是飞机相对于电台的位置；

反映在导航计算方法上：RNAV按飞行计划转换到航线坐标，算出向前方航路点飞行的已飞距离或待飞距离和航迹的侧向偏离，所有的计算是在大圆航线上进行的，而传统导航的计算是在当地地图投影平面上进行的。

RNAV的主要优点：包括航迹选择灵活；减少陆空通话，减轻管制员、飞行员的工作负荷；便于驾驶员操作；充分利用空域，增加终端区容量。项目传统导航区城导航航路结构电台-电台构成，逐台飞行，从一个台飞向下一个台航路点-航路点构成，可以逐点飞行，也可跳过航路点飞行依赖的导航设施NDB、VOR、DME……VOR/DME、DME/DME、INS(IRS)、GNSS机载设备组成无线电导航接收机导航传感器+RNAV计算机(包括导航数据库)机载设备配置单套或双套设备，中等精度，中等可靠性双套或3套设备，提高精度，提高可靠性定位计算相对法：相对于电台，平面上计算

绝对法：地理坐标转换到航线坐标，大圆航线计算9.2.1.3区域导航类型

(1)RNAV10：RNAV10应用于远洋和偏远缺少导航台的区域。

(2)RNAV5：适用于陆地航路，属于RNAV和传统ATS航路的过渡和混合。导航源可以为GNSS、DME/DME、VOR/DME、INS/IRS、VOR，一般要求有雷达覆盖和直接话音通信。该规范应用于欧洲、日本、中东等地区。

(3)RNAV1＆RNAV2：主要用于有雷达监视和直接陆空通信的陆地航路和终端区飞行。RNAV1导航规范适用于航路和终端区进离场、进近程序；RNAV2适用于航路和进/离场。导航源为GNSS、DME/DME、DME/DME/IRU。我国天津、北京、上海(虹桥、浦东)、广州、深圳、成都、沈阳、西安、乌鲁木齐、台湾海峡海上航路、京沪/京广平行航路属于RNAV1。导航规范飞行阶段航路航路进场进近离场海洋/偏远陆地陆地起始中间最后复飞RNAV-10(RNP-10)10RNAV-555RNAV-2222RNAV-1111111RNP-44基本RNP-111111RNPAPCH110.31RNPARAPCH1-0.11-0.10.3-0.11-0.19.2.1.3区域导航类型

9.2.1.4区域导航原理

基本工作原理：计算机根据储存的数据、各种传感器的输入数据来计算飞机位置，用经纬度的形式给出飞机的绝对位置，也可以给出飞机相对于所选航线的相对位置，输出的导航参数至飞行仪表、控制显示单元，提供给飞行员目视信息。

导航计算机所需数据以3种不同的形式输入：

(1)定期航线上的“硬”数据，它包括机场和VOR/DME等导航台的位置、标高，工作频率等。这些数据一般存储在“飞行数据存储单元”中。

(2)有关航路点的“软”数据，在飞行过程中它是可以输入和修改的。

(3)从导航设备和空中传感器得来的适时数据，这些数据可以从各种设备或传感器连续得到。它们在计算机处理之前需要进行模/数变换，再进行输入。“硬”数据和“软”数据存储在穿孔卡、磁带或磁盘上，通过自动存储输入单元输入导航计算机中。导航计算机进行导航计算后，输出导航参数如已飞/末飞距离、偏航距离等，同时输出导出的参数如预达时刻、地速、航迹角、偏航角等。

实现区域导航而编制计划航线时，必须向计算机输入各航路点的坐标数据，采用VOR/DMF导航时必须记忆导航台的坐标和频率数据等。早期的导航计算机采用过各种光电读入的小规模数据卡，它们只能存储本次飞行的计划航线数据；后来采用了多次飞行用的较为永久性的中规模导航数据库；随着空中交通密度的增大，终端区飞机起降频繁，所需航行资料极其庞大，因显示技术、计算机芯片和存储器技术的飞跃发展，导航数据库得以发展成大规模的新型产品，既能适应局部地区的应用，也能适应全球飞行的应用。导航数据库包括“硬”数据和“软”数据，有的数据要进行定期更新，国际民航组织对全球导航数据库规定每28天更新一次。各公司生产的导航数据库只能配合它自己生产的导航系统使用，其编码方法和写入程序都各自规定，不能用到其他公司的产品上。民航所用的导航数据库目前只限于离散点线数据，将来民航采用差分全球导航系统实现精密进近着陆时，有可能采用跑道延长线上的地形剖面数据库支持。导航数据库的应用不仅限于飞机上，还可以用在飞行训练的模拟机上，用于飞行签派室作飞行计划及飞行准备。9.2.2所需导航性能(RNP)

所需导航性能(RNP-RequiredNavigationPerformance)：是一种支持机载导航性能监控和告警的区域导航系统。它是航空器导航系统利用现代飞行计算机、全球卫星导航系统(GNSS)技术和创新的程序来确保航空器精确地沿着预定航道飞行的方法。RNP具有持续监视和位置出现不确定时提供告警的能力，因此，RNP能确保精确的导航性能。RNP的航径设计能够缩短飞行距离，减小推力设定值，减少油耗、噪音和排放，使机场周边区域和环境受益。此外，RNP的准确性和全天候能力能够极大地加强飞行安全。RNP是建立在RNAV基础上的一种全新导航概念，引入了包容度的概念，以概率的形式控制和预测精度，并能随时监控航迹误差。与传统导航技术相比，飞行员不必依赖地面导航设施就能沿着精确定位的航迹飞行，能使飞机在能见度极差的条件下安全、精确地着陆，大大提高了飞行的精确度和安全水平。9.2.2.1RNP类型

RNP类型由相关RNP空域的精度值决定。RNP的精度以海里数表示；在95%的时间内能处于其中；RNP包容区为中心线两侧各2x；数值越小，精度越高，分别为10、5、4、2、l、0.5、0.3，甚至0.15。导航规范飞行阶段航路航路进场进近离场海洋/偏远陆地陆地起始中间最后复飞RNAV-10(RNP-10)10RNAV-555RNAV-2222RNAV-1111111RNP-44基本RNP-111111RNPAPCH110.31RNPARAPCH1-0.11-0.10.3-0.11-0.19.2.1.3区域导航类型

RNP类型可提供精密仪表进近和需考虑超障的离场。当前只在经过特别批准的航空公司运行的特别地区，比如阿拉斯加航空公司在朱诺机场的RNP运行、我国国航西南公司在林芝机场的RNP运行。RNP类型包括：

(1)RNP20类型：RNP20提供最低空域容量的ATS(空中交通管制服务)。

(2)RNP12.6类型：RNP12.6有限用于缺少导航台空域的优化航路。在实际应用中，RNP12.6和RNP20很少使用，也没有这样分类的空域。

(3)RNP10类型：RNP10应用于远洋和缺少导航台的偏远区域。RNP10并无机载性能监视和告警功能要求，概念等同于RNAV10，这是源于RNP10名称已在国际上普遍使用。最早用于北太平洋、Tasman海。在地面导航、通信和监视设备可用的情况下，允许的最低航路横向间隔为50nmile；该导航规范不需要任何陆基导航设施，但需装有至少两套机载远程导航系统(IRS/FMS、INS、GNSS)，惯导更新不得超过6.2h。目前RNP10已应用于南中国海/三亚情报区、北大西洋和中、北太平洋运行标准。

(4)RNP5类型：目前在欧洲空域，RNP5是绝大多数航空运输运行要求的标准，也被称为B-RNAV(基本区域导航)，RNP5是过渡性标准，起源于RNP4，该标准允许实施RNP程序来使用目前的导航设备而无需改变航路结构。这旨在使空域设计和有利于潜在使用者方面有着更大的灵活性，如更多的直飞航路和更省油。RNP5可通过传统的航路导航设备(如VOR/DME)来实现。

(5)RNP4类型：RNP4应用于海洋和偏远地区。RNP4被设计用于一定距离的导航台之间航路和空域，通常在大陆空域。最早用于太平洋某些区域。它要求有两套GNSS接收机，要求有直接通信或CPDLC(管制员和驾驶员数据链通信)、ADS-C(自动相关监视－合同式)，使用GNSS的RAIM(接收机自体完好性监测)功能来保障完好性，以支持30nmile最低航路间隔标准。我国的L888航路、西宁-玉树、拉萨-成都平行航路属于该类型。

(6)RNP2类型：国际民航组织制定中。

(7)RNP1类型：RNP1是指以计划航迹为中心，侧向(水平)宽度为±1nmile的航路，包括基本RNP1和高级RNP1。基本RNP1适用于航路和终端区，该导航规范旨在建立低到中等交通密度且无雷达覆盖区域的航路和终端区程序；GNSS是基本RNP1的主要导航源，使用GNSS的RAIM功能来保障完好性；使用基于区域导航系统的DME/DME导航则需要严格的安全评估。高级RNP1由国际民航组织制定中。RNP1提供最精确的位置信息以支持灵活航路。从机场终端区到航路，对运行、进离港程序、空域管理都极为有益。RNP1也可称为精密RNAV(P-RNAV)，目前仅有限地应用于特定空域。

RNPAPCH-包括RNP进近程序，以及直线进近阶段RNAV(基于GNSS)进近程序、精度值一般为0.3。GNSS是RNP进近程序的主要导航源，飞行操作误差(FTE)是误差的主要部分；程序设计时需要考虑由于卫星失效或机载监控和告警功能丧失导致失去RNP进近能力的可接受性。复飞航段可以使用RNAV或传统导航程序。该导航规范不包括相关的通信和监视要求。RNPAPCH于2009年12月在中国民航飞行学院的绵阳机场进行试验。

RNPARAPCH-特殊授权的RNP进近程序。特点是进近程序、航空器和机组需要得到局方特殊批准。一般用于地形复杂、空域受限且使用该类程序能够取得明显效益的机场，精度值一般在0.3～0.1之间。RNPARAPCH只允许使用GNSS作为导航源，应对实际能够达到的RNP精度进行预测。该规范不包括相关的通信和监视要求。拉萨、林芝、丽江、黄山、延吉、邦达等高原或地形复杂地区机场已经使用了RNPARAPCH这种技术。高原机场常使用的RNP值为0.3，所需要的保护区为中心线每侧0.6nmile，总宽度为1.2nmile(2222m)。9.2.2.2RNP容量参数

确定水平范围内的总系统误差(TSE)就决定了RNP类型，它包括侧向和纵向范围两个部分。侧向范围方面：TSE被假设为飞机的真实位置和导航系统计划的飞行航路中心线间的差异。RNP类型值就决定了航迹每侧允许的距离误差。纵向范围方面：TSE被假设为到规定航路点的显示距离和到该点真实距离的差异。RNP类型值决定了到规定航路点允许的距离误差。所谓RNPX，就是95%总飞行时间不得偏移航道两边x海里。这就意味着95%总飞行时间内航空器必须在“空域块”内。以规定的RNP1类型的航路为例，在95%总飞行小时内，航空器真实位置必须保证在规定航迹或前或后、或左或右1nmile以内，RNP1是指以计划航迹为中心，侧向(水平)宽度为±1nmile的航路。9.2.2.3RNP与RNAV的区别

RNP是在RNAV基础上的进一步提升：

1.通过使用GPS确保飞机位置的精确计算；

2.转弯时，使用RF(至定位点半径)航段保证飞机航迹的跟踪能力；

3.机组能够监控飞机导航性能并在超出容限范围时接到告警。RNAV和RNP系统关键的不同在于，RNP标准包含机载设备的监视和告警导航性能要求，并能向飞行员显示是否达到了预定运行要求，而RNAV标准则不包括。

20世纪90年代，大多RNAV系统都提供了机载监视和告警功能，促进了导航标准的发展，进而产生了RNP系统。RNP系统提高了运行的完整性，使航路间距和保护区缩小、空域资源得到进一步优化。传统航路、RNAV航路和RNP航路的区别

从发展的角度来看，导航应用将由2D向3D/4D过渡，这就要求机载监视与告警性能必须在垂直导航方面加以完善。虽然目前很多RNAV系统不具备监视和告警功能，但同样实现了很高的精度并具备多种RNP系统功能。因此，RNAV和RNP运行将会共存多年，最后将逐渐转换为RNP运行。

RNAV标准和RNP标准都包含了对导航功能要求，这些功能要求包括：提供与航迹相关的飞机位置的连续指示、显示各航路点的距离和方位、显示过航路点的地速或时间、导航数据存储功能、提供包括导航设备在内的RNAV系统故障指示。9.2.3基于性能的导航(PBN)

基于性能的导航(PBN)：是随着区域导航(RNAV)系统的广泛使用和发展而产生的一个新概念。它规定了区域导航系统内航空器沿ATS航路、仪表进近程序和空域飞行时的性能要求，是通过空域运行所需的精度、完整性、持续性、可用性和功能来确定的。

PBN运行的两个基本要素：是导航标准和支持系统运行的导航设施。导航标准是在已定义的空域概念下对航空器和机组人员提出的一系列要求，定义了区域导航系统所需要的性能及具体的功能要求。PBN的概念体现了导航方式从基于导航源到基于性能导航的转变，导航标准不仅定义了性能要求，同时也定义了导航源和设备的选择方式，能够对国家和运行者提供具体的实施指导。基于性能的导航为任何特定的飞行运行规定了明确的性能要求，它涉及从常规的陆基导航设备和程序到星基导航设备和区域导航程序的重大转变，它更加精确，并容许在两个特定点之间有更短、更直达的航路以及更高效的起降，这能减少燃油消耗、机场和空域的拥挤以及航空器的排放。

随着航空运输业的持续发展，传统航路的局限性日趋严重。因此，不依赖于地基导航设备，可使航空器在两点间沿任意需要的航路飞行的区域导航技术应运而生。也正是在区域导航发展起来以后，由于缺乏统一的标准和指导手册，各地区所采用的RNAV命名规则、技术标准和运行要求千差万别。为统一认识并指导各地区实施新技术，ICAO提出了PBN的概念，以此来规范区域导航的命名、技术标准，从而停止非统一技术标准的扩散及使用，协调、统一RNAV系统的使用以确保互通，并促进区域导航的全球运用。正是因为产生于区域导航(RNAV)和所需导航性能(RNP)的基础之上，PBN也涵盖了RNAV和RNP的所有技术标准。而PBN中最关键的要素也正是RNAV和RNP。9.2.3.1PBN的产生

(l)能够精确地引导航空器，提高飞行运行安全性；

(2)能够提供垂直引导，实施连续稳定的下降程序，减少可控飞行撞地(CFIT)的风险；

(3)改善全天候运行水平，提高航班正常性，保障地形复杂机场运行的安全；

(4)实现灵活和优化的飞行航径，增加飞行业载，减少飞行时间，节省燃油；

(5)规避噪音敏感区，减少排放，提高环保水平；

(6)实施平行航路，增加终端区内进、离场航线定位点，提高交通流量；

(7)缩小航空器横向和纵向间隔，增大空域容量；

(8)减少陆空话音通信和雷达引导需求，降低飞行员和管制员的工作负荷；

(9)减少导航基础设施投资和运行成本，提高运行的整体经济效益。9.2.3.2PBN的作用及优势

PBN是空域概念的有机组成部分。它与监视、通信和空中交通管理系统协同工作，共同构建了空域的概念。在空域的环境中，PBN主要由导航基础设施、导航规范和导航应用三个要素组成：

1.导航基础设施导航基础设施主要包括：提供定位能力的地基导航设备(VOR、DME等)、空基导航设备(GNSS，包括GPS、GLONASS等)和机载导航设备(惯导等)。鉴于导航基础设施是提供导航信息的基础，根据ICAO的建议，每个国家在确定PBN需求时都需要考虑导航基础设施的现状和发展策略。9.2.3.3PBN的组成

2.导航规范导航规范：是指对能完成PBN运行的航空器和机组的要求。要特别注意的是导航规范既定义了RNAV系统所需的性能要求，也包括为达到所要求的性能而对航空器和机组提出的要求。导航规范包括RNAV规范和RNP规范两类。每个导航规范都详细描述了对系统精度、完整性、可用性、连续性和功能的需求，以及对操作程序、机组培训和安全评估的要求。

导航规范的要求也不尽相同：相对简单的规范可能不包含对机载导航数据库的要求(如RNAV5)；而稍微复杂的规范可能包括对机载性能监视及告警的要求(如RNP)，以及固定半径转弯能力的要求(如RNPARAPCH)。每个导航规范都有一个标记号，如RNAV5，RNP1，RNPAPCH，RNPARAPCH。标记号中的数字表示以海里为单位的最小侧向导航精度。在95%的飞行时间内，航空器都必须保持在这个精度范围内。该导航精度限制了航空器系统中存在的各种误差的总和(TSE)。

导航规范的性能要求主要包括以下几个方面：

(1)精度：实际位置与预计或所需位置的差异；

(2)完整性：系统不能提供安全使用时及时告警的能力；

(3)可用性：整个系统在按预期步骤实施操作的情况下，能正常发挥功能的能力；

(4)连续性：导航系统在操作过程不中断提供服务的能力。

ICAO导航规范被设计用于满足全球的需求，并具有全球范围内的兼容性。目的是使在现有航空器和系统的基础上实现PBN的成本最低，影响最小。ICAO导航规范被各个国家作为适航性和运行批准的指南。每个国家可根据自己的需求从《PBN手册》中选择所发布的某种导航规范。当某个国家在确定自己的需求时，不但要考虑现有机队的功能和可用的导航基础设施，还必须考虑与通信、监视基础设施和空中交通管理系统的兼容性。同时也应清楚：每个导航规范都与某个特定的空域概念相对应，即不同的空域运行与导航标准间有很强的关联，因为每个导航规范原本就是为某个特定的空域运行而设计的。因此，在实施过程中，每次作出决定前，都应该仔细审核备选的导航规范。运行区域和导航规范对照表

序号运行区域导航规范1洋区/边远陆地RNAV10，RNP42航路/陆基导航设备RNAV53航路、SIDs、STARs（雷达条件下）RNAV1﹠24终端区（程序条件下）BASIC-RNP15进近（无陆基导航设备）RNPAPCH，RNPARAPCH1.PBN既沿袭了RNP提出的获得特定导航精度的要求，也包含了识别机组程序、区域导航系统功能及导航设备能否获得所需的导航性能等RNP概念中未要求的内容。

2.PBN还针对RNP的不足，加强了对协同概念的描述，提供了完成指南和详细的导航标准，并描绘了未来区域导航标准及导航应用发展的全球框架，使RNAV系统使用的方式更明晰，提供了对空域的更有效的使用。9.2.3.4PBN的特点

惯性导航：是利用惯性敏感元件测量飞机相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的运动初始条件下，由计算机推算出飞机的姿态、方位、速度和位置等参数，从而引导飞机完成预定的航行任务。

惯性导航最主要的惯性敏感元件：是加速度计和陀螺仪。这两种元件是根据牛顿力学定律测量飞机相对惯性空间的线运动和角运动参数的(新型陀螺如激光陀螺，工作原理不属于牛顿力学原理范畴)。用这两种惯性元件与其他控制元件、部件、计算机等组成测量系统、完成导航参数的测量，故称为惯性导航系统(INS-InertialNavigationSystem)，简称惯导系统。惯性导航是一种自主式的导航方法，惯导系统依靠自身的惯性敏感元件，不依赖任何外界信息测量导航参数，因而惯导系统的突出优点是：①完全自主式的导航系统，不受气象条件的限制，隐蔽性好，完全依靠机载设备自主完成导航任务；②系统校准后短时定位精度高。9.3惯性导航

惯导系统的主要缺点是：①定位误差随时间而不断增加，即存在积累误差，一般为1.5～2kt，因而在长时间工作后，会产生不同程度的积累误差；②陀螺、加速度计、计算机的精度要求高，成本也高。惯导系统按结构可归纳为两大类：一类是系统中有1～2个三轴陀螺稳定平台，加速度计和陀螺都安置在平台上，这种系统称为平台式惯导系统；另一类是系统中没有实际的陀螺稳定平台，加速度计和陀螺直接“捆绑”在机体上，“平台”的概念是用计算机建立的“数学平台”模型来替代的，这种系统称为捷联式惯导系统。

惯导系统按采用的导航坐标系也分为两类：一类是采用当地水平坐标系作为导航坐标系，称为当地水平惯导系统；另一类是采用惯性坐标系，即惯性平台稳定在惯性空间，称为空间稳定惯导系统，这种惯导平台只有稳定回路，不需要跟踪回路。目前常用的是指北方位惯导系统、游动方位惯导系统等。

惯导系统测量的最基本的导航参数是地速和位置，其他参数均可由此推导得出。设飞机在地球表面的飞行距离不远，因而可认为飞机在一个平面内飞行，又假设飞机飞行时间不长，因而可认为地球不转，即不考虑地球的自转运动。在上述假设条件下，设想在飞机上做一个平面装置即平台，这个平台的台面始终平行于当地的水平面。在这个平台上，沿北－南方向放置一个加速度计Ay，沿东－西方向放置一个加速度计Ax。飞机起飞地点为直角坐标系的原点。9.3.1惯性导航原理

9.3.1.1惯性导航系统

当飞机起飞后，两个加速度计可以随时测出飞机沿北－南和东－西方向的线加速度。根据数学、物理学原理，加速度a对时间的一次积分即为速度。求得飞机沿x轴和y轴方向的速度x、y，即可得到飞机的即时速度(合成速度)。速度对时间的积分，即加速度对时间的二重积分，就可得距离。求得飞机沿x轴和y轴方向的距离x、y，即可合成而得出飞机在直角坐标系上的位置。图中x0、y0、ẋ0、ẏ0为起始坐标值和起始初速度值。简化惯导系统原理：飞机在飞行中只要测出飞机对地面运动的水平加速度，利用积分器，经一次积分可求得地速，再经一次积分就可求得飞机飞行的距离，从而计算并确定出飞机的位置。

上述原理是假设地球表面为平面条件下阐述的，飞机的位置是用直角坐标系来表示的。实际上，地球是一个椭球体，飞机的位置应以纬度()、经度()来表示。图中R为地球半径，、为飞机即时位置的纬度、经度，E0、N0为起始东向、北向速度，0、0为起始点的纬度、经度，E、N为飞机的即时东向、北向地速。

惯性基准系统(IRS-InertialReferenceSystem)：实质上就是使用激光陀螺的捷联式惯性导航系统，它是将陀螺和加速度计直接固联于机体上的惯导系统。它没有电气机械平台，是用计算机建立一个数学平台来代替平台式惯导系统中的电气机械平台实体。因此，用计算机建立数学平台是惯性基准系统的关键问题。惯性基准系统可靠性较高、制造成本较低，因而得到了广泛的应用。9.3.1.2惯性基准系统

惯性基准系统的原理：导航加速度计和陀螺直接安装在飞机上，用陀螺测量的角速度信息减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度，则得到机体坐标系相对导航坐标系的角速度，利用这个信息进行姿态矩阵的计算。有了姿态矩阵，就可以把机体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系轴向，然后进行导航计算。同时利用姿态矩阵的元素，提取姿态和航向信息。所以，姿态矩阵的计算、加速度信息的坐标变换、姿态航向角的计算，这三项功能实际上就代替了导航平台的功能。

1.惯性导航系统的误差：主要有陀螺仪和加速度计本身的误差、安装误差和标度误差，系统的初始条件误差，系统的计算误差以及各种干扰引起的误差等。由惯导系统原理可知，惯导系统在进入正常的导航工作状态之前，应当首先进行系统的初始化工作。惯导系统的初始化包括给定初始条件、惯导平台的初始对准、陀螺仪的测漂和定标。第一项内容比较简单，容易引入，在静基座(地面)情况下，初始速度为零，初始位置为当地的经、纬度；在动基座情况下，初始条件一般由外界提供；给定初始速度和位置的操作也简单，只要将这些数值通过控制显示器送入计算机即可。第三项内容在陀螺性能比较稳定的情况下，不需要每次启动都进行。而第二项内容即惯导平台的初始对准，是将惯导平台在系统开始工作时调整在所要求的坐标系内，使平台水平精度达10、方位精度达2～5。作为初始对准，除了精度要求外，对准速度或时间也是非常重要的指标。一般民航飞机所用惯导系统的对准时间为15～20min，最短的大约10min。9.3.2惯性导航系统误差及初始对准

惯导系统的误差源：有确定性和随机性两类，两类误差源引起的系统误差特性不同。

(1)确定性误差源引起的系统误差特性惯导系统中确定性误差源主要有陀螺仪和加速度计的安装误差、标度误差，初始条件误差，系统的计算误差等。确定性误差源可以通过补偿方法加以消除。

①安装误差。陀螺仪和加速度计安装时由于安装角度偏差而引起的误差，称为安装误差，如果陀螺仪有1的安装误差角，大约产生0.004/h的等效漂移；如果加速度计的安装误差角为3，飞机的运动加速度为0.1g，则安装误差相当于10-4g的加速度零位误差。

②标度误差。加速度计和陀螺仪的输出是脉冲，每一个脉冲信号代表一个速度增量qA(对加速度计)或一个角度增量qg(对陀螺仪)，qA称为加速度计的标度因子，qg称为陀螺仪的标度因子，qA和qg是通过测试确定的，并存在计算机内。在工作过程中，每次采样后，将采样得到的脉冲数乘标度因子就得到所要的增量。标度误差就是指在工作中的实际标度因子和存放在计箅机内的标度因子可能不一致，从而引起的误差。如陀螺仪的标度误差为0.001，则由它产生的等效陀螺漂移大约为0.01/h；如加进度计的标度误差为0.001，飞机的轴向加速度为10-1g，则产生等效于10-4g的加速度计零位误差。③初始条件误差。由于初始条件不准确而引起的系统误差称为初始条件误差。初始条件误差将引起常值的经度误差，以及系统其他振荡误差。

④计算误差等。由于计算模型、计算速度及字长所引起的误差称为计算误差。计算误差通常包括量化误差、不可交换性误差、计算方法上的截断误差、计算机有限字长的舍入误差。

(2)随机性误差源引起的系统误差特性补偿了确定性误差源引起的误差后，随机误差源就成为影响系统精度的主要误差源。在随机误差源的作用下，惯导系统误差是随时间增大的。系统的随机误差源有很多，其中主要的有陀螺漂移的零位偏置和加速度计的零位偏置。

①陀螺漂移的零位偏置：是指陀螺由于随机漂移而导致陀螺仪零位产生偏差。陀螺的随机漂移除白噪声外，主要的是有色噪声，包括随机常数、随机斜坡、随机游动和马尔柯夫过程。

②加速度计的零位偏置：加速度计的零位产生偏差将引起系统误差，加速度计的零位偏置是随机的，这一随机误差是随机偏置、随机斜坡和两种马尔柯夫过程的组合。

2.惯导系统初始对准。惯导系统必须进行系统的初始对准。通过光学或机电方法，将外部参考坐标系引入平台，使平台对准在外部提供的姿态基准方向，称为受控式对准；利用惯导系统本身的敏感元件(陀螺和加速度计)测得的信号，结合系统原理进行自动对准，称为自主式对准。根据对准精度不同，可把初始对准过程分为粗对准和精对准。粗对准是直接利用加速度计和陀螺仪的信号控制平台或计算初始姿态阵，在较短的时间内使平台系大致对准导航系或粗略地计算出初始姿态阵，在这一粗对准步骤中，对准精度没有严格要求，但要求对准速度快，即要求尽快将平台对准在一定的精度范围内，为下一步精对准提供良好的条件；精对准在完成粗对准后即进行，使之达到系统对准的精度要求。自主对准包括水平对准和方位对准，方位对准是在水平对准的基础上进行的。

(1)惯性基准系统的对准实质惯性基准系统的一个关键问题是：在外场条件下，满足环境条件与时间限制的初始对准，即系统必须在飞机受阵风、登机、装载等各种干扰运动的影响下，在较短的时间内以一定的精度确定出从机体坐标系到导航坐标系的初始变换矩阵。所以，系统的初始对准实质就是确定初始时刻的姿态阵。

(2)惯性基准系统的对准方法

①粗对准：在这一阶段，依靠重力矢量及地球速率矢量的测量值，直接估算从机体坐标系到导航参考坐标系的变换矩阵。

②精对准：在这一阶段，通过处理惯性仪表的输出信号，精校计算的参考系与真实参考系间的小失准角，建立精确的初始变换矩阵。

组成形式：惯性基准系统由惯性基准组件、方式选择组件和控制显示组件组成。但装备在不同的飞机上有不同的组合。目前主要有两种组合形式，B737-300飞机上装备的为一种形式，B757、B767飞机上装备为另一种形式。

B737-300飞机装备的惯性基准系统系统由两个惯性基准组件IRU、一个公用的惯性基准系统显示组件(ISDU)、一个公用的方式选择组件(MSU)组成。9.3.3惯性基准系统

9.3.3.1惯性基准系统的组成

B757、B767飞机装备的惯性基准系统由三个惯性基准组件(IRU)、一个公用的惯性基准方式板IRMP组成，惯性基准方式扳实际上就是惯性基准显示组件(ISDU)和方式选择组件(MSU)的组合。

向惯性基准系统输入信号的设备主要有大气数据系统和飞行管理系统。大气数据系统向惯性基准系统输入气压高度、升降速度和真空速，前两个参数用来与惯性基准系统垂直通道组合计算飞机的高度和惯性垂直速度，而真空速主要用来计算风向、风速、偏流等；飞行管理系统用来向惯性基准系统引入起始位置，同时，惯性基准系统也向该系统提供数据。惯性基准系统与飞机其他系统的连接

惯性基准组件是惯性基准系统的核心组件。惯性基准组件内部主要有固联于箱体上的三个激光陀螺、三个挠性加速度计组成的传感器组件和不同数量的电子插件。现代飞机上一般装有三套惯性基准组件(IRU)，对于最重要的位置数据使用的是三个IRU数值的加权平均值；使用的顺序是左、中、右，但误差过大的那台IRU不在其列。而对于速度数据，一般使用的是三个IRU数值的算术平均值。如果某一个IRU失效，则使用单一的正常工作的IRU输来的数据。对于航向、高度和升降速度数据来说，则需看自动驾驶仪所衔接的“指令”方式所对应的通道，该通道对应的IRU即是使用的那一套；如自动驾驶仪不在“衔接”状态，则按左、右、中的顺序使用来自IRU的数据。1.惯性基准组件

惯性基准方式板相当于LTN-72R系统的CDU和MSU的组合，主要用作系统控制、数据引入、系统状态通告和导航信号选择显示。

(1)B757、B767飞机的惯性基准方式板：实际上是一个组件，上半部分为控制显示器，下半部分为方式选择电门和信号通告牌。2.惯性基准方式板

(2)B737-300飞机的惯性基准方式板：分为两个组件，即惯性基准系统显示组件(ISDU)和方式选择组件(MSU)。以上两类控制显示组件的功能相同。2.惯性基准方式板

惯性基准系统显示信息的相关仪表和装置主要有：

(1)飞行管理系统的控制显示组件(CDU)

由于飞行管理系统与惯性基准系统交联，因此，惯性基准系统的一些工作可通过飞行管理系统的CDU来完成，主要有两方面工作：①通过CDU输入飞机的起始位置，进行自对准；②通过CDU完成系统的自检程序，并将其故障存储以供空、地勤人员使用。

(2)姿态指引仪(EADI/ADI)

姿态指引仪是一个多功能综合仪表，可以指示惯性基准系统提供的俯仰角、倾斜角和转弯速率等参数，以及其他设备提供的参数。9.3.3.2惯性基准系统相关显示仪表

(3)水平状态指示器(EHSI/HSI)

水平状态指示器是一个多功能综合性仪表，它以惯性基准系统送来的真、磁航向为基础，以飞行管理系统计算的数据为主要内容，并集中其他机载设备提供的数据，送到水平状态指示器，显示出飞机导航参数。

(4)无线电距离磁指示器(RDMI)

该指示器指示惯性基准系统输出的磁航向以及VOR、ADF方位。

(5)垂直速度指示器(VSI)

该指示器指示惯性基准系统与大气数据系统混合计算出的飞机垂直速度。

惯性基准系统的工作方式有四种：“ALIGN”方式、“NAV”方式、“ATT”方式和“OFF”方式。惯性基准系统的对准方式有两种：正常对准和重新对准。

(1)正常对准方式。对准时，将IRMP的方式电门从“OFF”转到“ALIGN”或“NAV”位，这时“ALIGN”灯亮，“ONDC”灯亮5s后熄灭。引入飞机即时位置经/纬度，第一种方法用IRMP或ISDU数字字母键引入经、纬度；第二种方法是通过飞行管理系统的CDU引入，这是目前较常用的方法；引入起始位置经/纬度时，可通过IRMP或ISDU显示窗进行监控，防止引入数据错误。9.3.3.3惯性基准系统工作方式

对准状态号和对准结束的监控：对准状态号为数字0～7由IRMP的右显示器显示，对准状态的数字编号反映了对准过程与对准持续时间关系，整个对准过程需10min或更长一些，但对准状态号仅与前7min对应。如果方式电门放“NAV”位进行对准，当对准结束时，“ALIGN”灯由方式电门放“ALIGN”位进行对准，当对准结束时，“ALIGN”灯继续亮，状态号显示7，这时将方式电门转到“NAV”位，“ALIGN”灯熄灭，系统进入导航工作方式。对准过程中，如果引进的飞机起始位置数据不正确，则“ALIGN”闪亮；如果系统工作不正常，系统有故障，则“FAULT”亮。另外，对准过程中飞机有移动，“ALIGN”将闪亮，要使这种闪亮停止，必须关断IRS系统，并再进行一次对准。

(2)重新对准方式。当惯性基准系统对准结束进入导航工作方式后，由于起飞时间或滑行时间延误而又没有关断系统时，为了消除速度误差或再次对准位置误差，需要进行重新对准。重新对准条件：惯性基准系统处于正常工作，方式电门在“NAV”位；地速小于20kt。重新对准方法是将方式电门从“NAV”转至“ALIGN”位，时间大于30s即可，这期间“ALIGN”灯亮，系统重新进行水平和航向调整，速度调零；当方式电门重新转到“NAV”位，“ALIGN”灯灭。

系统完成对准进入导航方式，方式电门在“NAV”位，这时系统进行加速度和角速度的测量、加速度值的坐标变换、姿态矩阵的修正、姿态参数的解算、导航参数的解算及惯性高度、垂直速度的混合等，同时监控系统的工作；系统输出接口向有关系统传送导航及制导参数，并在显示窗显示TK/GS、PPOS、WIND、HDG四组参数。此外，有关的飞行仪表显示相应的参数。GNSS是一个全球性的位置和时间测定系统。当前GNSS有两大系统：美国的全球定位系统(GPS)和俄罗斯的全球轨道导航卫星系统(GLONASS)。

9.4.1全球定位系统(GPS)

全球定位系统(GPS)全称为定时和测距的导航卫星(NavigationSatelliteTimingandRanging-Navstar)，它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统，国际上将这一全球定位系统简称为GPS(GlobalPositioningSystem)。

GPS是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统，是继美国阿波罗登月飞船和航天飞机之后第三大航天工程。9.4全球导航卫星系统(GNSS)

GPS定位系统的建立，给导航和定位技术带来了巨大的变化，目前，GPS技术的应用已进入多个领域，用于多种用途，有多种机型并出现了多种技术。

全球定位系统(GPS)的优点：①GPS具有全球、全天候、连续导航能力。系统能提供连续、实时的三维空间坐标、三维速度和精密时间，并具有良好的抗干扰性能。②GPS具有高精度。系统三维空间定位精度优于10m，三维速度精度优于3cm/s，时间精度为20～30ns。③GPS能满足各类用户。系统可用于铁路、航空、城市交通、农业、森林防火、地震预报、救援等。④GPS具有多种功能。系统可以广泛用于导航、搜索、通信、交通管理、授时、航空摄影、大地测量等。⑤GPS为连续输出，更新率高，一般为每秒一次，适用于高动态移动用户的定位。⑥GPS用户设备简单，购置费用较低。

GPS存在的缺陷：①GPS卫星工作于L波段，电波入水能力差，不能用于潜艇导航；②GPS的完好性监测和报警能力不足，对卫星的一些软故障要在很长时间后才能发出故障状态信息；③GPS的可利用性即所有地区的连续服务不足，某些时候在某些地方将出现少于四颗卫星的情况；④整个系统维护费用太高，每年大约需5亿美元的维护费。

全球定位系统包括三部分：空间GPS卫星、地面控制站组、用户GPS接收机。

9.4.1.1全球定位系统(GPS)的组成

空间GPS卫星部分：由24颗分布在倾角为55的6个等间隔轨道上的卫星组成，此外还留有在轨备用卫星1～4颗。GPS卫星分Block-Ⅰ和Block-Ⅱ两类，新一代GPS卫星为Block-ⅡR替补卫星，采用先进的星上氢原子钟，卫星分布可保证全球任何地区、任何时刻都有不少于4颗卫星以供观测。卫星轨道离地高度为20230km。

(1)空间GPS卫星

GPS卫星上除了控制卫星自身工作的遥测、跟踪、指令系统、用于轨道调整与姿态稳定的推进系统等组成外，其供电系统由两块太阳能翼板组成，主要用于提供导航信号的无线电收发机、天线、原子钟和计算机。铯原子钟具有1×10-14稳定度，各卫星的原子钟相互同步，并与地面站组的原子钟同步，建立起GPS精密时系，称为GPS时，它是精密测距的基础。导航发射机以双频1575.42MHz和1227.60MHz发射导航信号，通过测量这些信号的到达时间，用户可以用4颗卫星确定出导航参数，即经度、纬度、高度和时间。

地面站组包括：1个主控站、5个监测站和3个注入站。主控站位于科罗拉多的联合空间执行中心，3个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的迭哥·伽西亚和太平洋的卡瓦加兰三个美国军事基地上，5个监测站设在主控站和3个注入站以及夏威夷岛。(2)地面控制站组

5个监测站分别观测卫星，然后把有关信息发送到主控站，主控站计算出卫星12h内的运行星历数据，通过注入站将此信息送回卫星。

1.监测站主要作用：是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据，并采集当地的气象等数据，数据处理机处理收集到的数据，定时将处理后的数据送往主控站。监测站是无人值守的数据采集中心，受主控站控制。由监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。

2.主控站拥有大型计算机，它完成以下功能：①采集数据。主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。②编辑导航电文。根据采集到的全部数据计算出每颗卫星的星历、时钟修正量、状态数据以及大气修正量，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。③诊断功能。对整个地面站组的协调工作进行诊断，对卫星的状况进行诊断，并加以编码向用户指示。④调整卫星。根据所测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其正常运转。而且还可进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。主控站将编辑的卫星电文传送到注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给用户，这就是所用的广播星历。

3.注入站的主要作用是：将主控站发送来的卫星星历和钟差信息，每天一次地注入卫星上的存储器中。

(3)用户GPS接收机用户GPS设备包括天线、接收机、微处理机、控制显示设备等，因而有时也称为GPS接收机。用户GPS接收机是采用无源工作方式，凡是有GPS接收设备的用户都可以使用GPS进行定位导航。GPS是无源测距系统，在无源测距系统中，用户通过比较接收到的卫星发射信号及本地参考信号，测量传播延时，正比于卫星和用户间的距离D(D=C)。

GPS通过一颗卫星只能测得一个距离参量，所以测得3个距离参量至少要有3颗卫星才能确定飞机的三维位置。当系统以无源方式工作，用户又未装备高稳度时钟时，用户从一颗卫星测得的伪距可表示为9.4.1.2GPS工作原理

若所有卫星钟都采用高精度时钟，并且各卫星钟相互同步，则ti=t，表达式可写成

此方程有4个未知量x、y、z、t，求解此4个未知量，须建立4个独立的方程，这意味着用无源测距定位方法确定飞机的三维位置和一维时钟，在空间至少需接收到4颗卫星的信号，从4颗卫星测量4个伪距。从几何上讲，由4个伪距形式的4个位置面相交的交点，就是飞机在四维空间的位置点。这样，采用无源测距定位时，用户只需采用一般的石英钟即可。

GPS采用四星无源测距定位的实施步骤是：以卫星作为时空基准点；然后测量出定位参数时间，建立位置面或导航定位方程；最后求解用户位置。

卫星导航系统中，飞机通过测量对卫星的相对位置，进而确定自己在宇宙空间或在地球上的位置。导航卫星是系统设置在空间的导航台，为了实现高精度导航定位，必须准确知道任一时刻卫星在空间的位置(x，y，z)。不同时刻的一组组时空数据(ti，xi，yi，zi)(i=l，2，3，…)称为卫星星历。

GPS信号由两个频率分量L1和L2组成。L1为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。信号L1是由两种信号调制，一种是用时钟速率为10.23MHz，长度为7天的伪随机二进制码调制，称为P码；另一种是用时钟速率为1.023MHz，长度仅为1ms的伪随机二进制码调制，称为C/A码。信号L2仅用P码(或C/A码)调制。GPS信号的主要特征：进行精确的伪距测量，无多值性；进行精确的多普勒频移测量，以便提取速度信息；提供双频测量，以测量出电离层延时量；提供足够的数据信道来发射卫星星历、时钟修正信息以及其他必要信息；提供两种信号，一种是具有高精度的P码，P码是卫星的精测码，具有较强的抗干扰能力，该码禁止提供给民用用户；另一种是较简单的C/A码，C/A码是用于粗测和捕获的伪随机码，是一种短码，具有一定的抗干扰能力，每个GPS卫星分配不同的C/A码，其保密性较差，测距精度较低，但能在短时间内被接收机捕获；具有较强的抗干扰能力，能抗低功率窄带干扰、中等功率人为干扰及多路径干扰。GPS的性能参数主要包括定位精度、完好性、可用性和连续服务性4个。单靠GPS卫星本身是不能满足上述完好性、可用性和连续服务性要求的。

(1)定位精度。目前对GPS来说，其定位精度符合航路、终端和非精密进近的要求，对精密进近还有一定的差距。

(2)完好性。完好性指卫星信号故障或引起误差的事件能及时检测出来并及时报警的能力。从航路到非精密进近，要求故障非检测概率小于10-5/h，故障报警时间在10s以内。

(3)可用性。可用性指在卫星的全球覆盖、连续工作下使得所有地区的飞机在各飞行阶段一开始就能收到4颗以上卫星信号，能求出定位解概率，一般要求大于0.99999。

(4)连续服务性。连续服务性指飞机在飞行中每个飞行阶段从头至尾都能收到4颗以上卫星信号进行定位和制导，不致中断的概率。如在最后进近阶段，要求其150s时间内不致出现制导中断，非精密进近时要求中断概率不能超过1×10-5。9.4.1.3GPS的性能参数

GPS的误差：主要表现在测距误差。引起GPS测距误差的因素很多，主要包括与卫星有关的误差、信号传播误差及观测和接收设备引起的误差。GPS误差主要有时钟误差、星历误差、电离层附加延时误差、对流层附加延时误差、几何误差和设备误差。9.4.1.4全球定位系统(GPS)的误差

误

差源预算误差(ft)卫星时钟误差星历误差电离层延时误差对流层延时误差接收机噪声/量化误差接收机通道间偏移多路径干扰108.6P码C/A码1.31.30.80.54.021.01.38.02.010.0用户等效测距误差(均方根)13.927.9产生的位置精度均方根水平位置误差(假设HDOP=1.5)均方根垂直位置误差(假设HDOP=2.5)21354270

(1)时钟误差。GPS中各卫星钟要求互相同步并与地面站同步，但即使采用原子钟，走时也不是绝对稳定，同样存在着漂移。漂移的种类有：时钟时间的起始漂移、时钟起始的频率漂移及随机漂移等。随机漂移是产生时钟误差的主要来源，它是由热噪声、老化及温度、振动等环境因素引起的。起始时间漂移和频率漂移可预先进行校准而消除。时钟误差引起的定位误差约为10ft。

(2)星历误差。星历数据是由地面站测算后注入的，由于各监测站对卫星进行跟踪测量时的测量误差，以及由于无法完全了解的影响卫星运动的各种因素及变化规律，因而预报的星历中不可避免地存在误差。综合各种因素，星历误差引起的定位误差约8.6ft。

(3)电离层附加延时误差。由于GPS系统工作于L波段，所以电离层的影响主要是电波相位传播速度变化产生的附加延时，当电波垂直穿过电离层，夜间附加延时为10ns，白天可增大到50ns。为了得到好的修正效果，采用导航发射机发射双频的校正法。

(4)对流层附加延时误差。GPS信号在对流层传播速度发生变化引起的附加延时误差，它的修正只能用气象模型进行，可以修正对流层延时误差的90%。(5)几何误差。GPS导航定位时，只用4颗卫星就可以了，但每次选择并非都是最佳几何关系。因而用户与4颗卫星的几何关系不同，产生的定位误差也不同。所以选择最佳几何关系的4颗卫星，它们在过用户并与地面相切平面上的投影相互隔开，可以使定位误差最小。

(6)设备误差。卫星发射设备及用户接收机的电路延时等将产生固定的和随机的测距误差。只有通过采用高性能时钟、设计性能良好的电路等来改善信杂比，抑制和校正各种延时误差，提高测距精度。

在地面已知位置设置一个地面站，地面站由一个GPS差分接收机和一个差分发射机组成。差分接收机接收卫星信号，监测GPS误差，并按规定的时间间隔把修正信息发送给用户，用户用修正信息校正自已的测量数据或位置数据。9.4.1.5差分全球定位系统(DGPS)

由于差分