第15章 导航系统

中国民航大学空管学院,第十五章导航系统,按工作原理可以分为：（1）惯性导航利用陀螺惯性原理给出飞机的位置、方向和速度等信息。（2）无线电导航利用地面无线电台（VOR、NDB、DME）和机载无线电导航设备(ADF、RMI)对飞机进行定位和引导。利用ILS提供进近导航利用航管雷达和气象雷达进行导航利用TCAS和GPWS进行导航（3）卫星导航系统空间导航卫星确定飞机的位置等信息。,一、惯性导航,惯性导航系统利用惯性敏感元件（陀螺仪和加速度计）通过测量飞机相对于惯性空间的线性加速度和角加速度，在给定运动初始条件下，由计算机计算出飞机的经纬度位置、航迹、航向、姿态、升降速度和地速等信息，而实现的远程自主式导航方法。,1.基本工作原理,由于飞机的速度和位置是由测得的加速度经过积分而得到的，因此必须知道初始条件，如初始速度和位置。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。,对加速度通过一次积分运算(载体初始速度已知)便得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；再通过一次积分运算得到载体的位移信息，在载体初始位置已知的情况下，便又得到载体相对导航坐标系的即时位置信息。,优点：（1）是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；（2）全天侯、全球、全时间工作于空中、地球表面乃至水下；（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好。缺点是：（1）由于导航信息经过积分产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间；（3）设备的价格较昂贵；（4）不能给出时间信息。,2.特点,3.惯性基准系统（IRS）,惯性基准组件IRU(2个)-导航计算方式选择组件MSU(1个)-提供系统方式选择功能;惯性系统显示组件ISDU(1个)-提供操作者与系统之间的联系;数模转换器DAA(2个)-将接收到的数字输入信号转换成模拟信号输出;,（1）惯性基准组件-IRU,完成惯导系统的角速度、加速度测量和导航解算任务。,（2）方式选择组件-MSU,方式选择电门有：OFF-断开；ALIGN-校准；NAV-导航；ATT-姿态。,用于选择IRS的工作方式，并可显示其工作或故障状态。,（1）校准方式(ALIGN)校准：就是系统建立或寻找当地的地垂线和确定当地的真北方向。即根据地球自转和重力特性而对准到当地地垂线和真北方向上，并估算当地纬度。在对准完成前，必须引进现在位置。（2）导航(NAV)当系统完成对准(ALIGN)并顺利通过时，将方式选择电门放到导航位(NAV)，系统将自动进入导航方式，进行独立的惯性计算。（3）姿态（ATT）方式ATT方式下，IRS只提供飞机的俯仰角、倾斜角和航向。（4）关闭（OFF）方式IRS的全部供电电源均被断开，IRS系统不能工作。,（3）惯性系统显示组件,惯性系统显示组件（ISDU）提供机组与IRU之间的联系，主要用来做数据输入、系统状态通告、导航信息选择显示。,显示选择：控制左、右显示窗上导航数据的显示：TK/GS真航迹角/地速；PPOS飞机当前位置的纬、经度；WIND风速和真风向；HDG/STS真航向/状态；TEST提供测试信号给选择的IRU；BRT调节显示窗的亮度。,（4）数模转换器,“HONZYWELL”生产的DAA是IRS的组成部件之一，它与其它飞机系统相联，以处理与IRS状态无关的信号。,二、无线电导航系统,利用机载无线电导航设备接收和处理地面导航台的无线电波，获取导航参数，确定飞机位置及飞往预定点的航向、时间，从而引导飞机沿选定航线安全、高效地完成规定的飞行任务的领航方法。,通过无线电波的接收、发射和处理，使用地面和机载导航设备测量出载体相对于导航台的方向、距离、距离差、速度等导航参量（几何参量），从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和导航。,1.常用无线电导航系统,（1）测距差系统ONS（OmegaNavigationSystem）奥米伽导航系统（2）测角系统（）ADF（AutomaticDirectionFinder）VOR（VeryHighFrequencyOmnidirectionalRange)（3）测距系统（）DME（DistanceMeasuringEquipment)（4）测角测距系统（）VOR/DME，VORTAC（VORandTACAN）（5）无线电高度表（RA）,优点：无线电导航不受时间、天气限制；精度高作用距离远；定位时间短；设备简单、可靠。缺点：因必须辐射和接收无线电波而易被发现和干扰；需要载体外的导航台支持，一旦导航台失效，与之对应的导航设备无法使用；易发生故障。,在终端区为驾驶员提供进近和着陆引导。ILS利用无线电信号建立一条标准进近着陆下滑道。驾驶员或自动驾驶仪保持飞机沿此路线进近即可安全着陆。,（1）功能,2.仪表着陆系统（ILS）俗称盲降系统,（2）组成,航向信标（LOC,localizer），横向引导下滑信标（G/S,glideslope），垂直引导指点信标（MB,markerbeacon），距离信息每个分系统又由地面发射设备和机载设备组成。,（1）航向台,（2）下滑台,（3）指点信标,（1）一次雷达（反射雷达）,一次雷达利用目标对雷达天线所辐射的射频脉冲能量的反射来探测目标。一次雷达的天线以一定速率在360范围内旋转扫掠，把雷达信号形成方向性很强的波束辐射出去，同时接收由飞机或其他目标发射回来的回波能量，以获得目标的距离和方位。,通过雷达系统可以获得飞机识别码、飞行高度和速度、距离、位置等信息。,3.ATC雷达系统,由地面询问机和机载应答机组成。,（2）二次雷达(也叫做空管雷达信标系统）,二次雷达由地面询问雷达发射一定模式的询问信号；机载应答机收到询问信号后，经过信号处理、译码，然后由应答机发回编码的回答信号。地面雷达收到这个回答信号，也经过信号处理，把飞机代号、高度、方位、距离和速度显示在终端显示器上。,工作原理,探测雷雨、湍流、风切变等危险区；探测前下方的地形；探测航路上的山峰等空中障碍物。,4.气象雷达系统,MAP地图方式,（1）WX气象方式；（2）WX/TURB气象/湍流方式；（3）MAP地图方式。WINDSHEAR风切变开关控制气象雷达的风切变信息的显示,利用机载卫星导航接收机，接收空间卫星发射的导航信息，确定飞机的空间位置，并引导飞机航行。能够提供全球、全天候、高精度、适时的导航定位服务。但至少要接收到4颗卫星才能确定飞机的位置,（1）功能,三、卫星导航系统,（2）组成,（3）卫星导航的特点,在21世纪，卫星导航必将成为航空导航的主要系统。目前很多飞机上已经配置卫星导航系统。,1、定位精度高：单击定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。2、全天候工作：机载设备简单，不受气候影响，和惯性导航相比没有积累误差。3、全球覆盖4、快速省时高效率,（1）GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统（美国）（2）GLONASS（GlobalOrbitNavigationSatelliteSystem）全球卫星导航系统（俄罗斯）（3）GALILEO伽利略卫星导航系统（欧洲）（4）COMPASS北斗卫星导航系统（中国）,（4）全球四大卫星导航系统,四、近地警告系统（GPWS）,GPWS主要依靠无线电高度表工作，在起飞或复飞和进近着陆阶段且无线电高度在30-2450ft时起作用。近地警告系统主要由近地警告计算机、各种控制电门和报警装置组成。其中，GPWC是GPWS的核心部件，系统工作时，计算机将存储数据与飞机实时数据进行比较，如果实时测得的数据超过了某一种警告方式的对应门限时，就输出相应的音响和目视警告。实时数据包括：无线电高度、气压高度、气压高度变化率、INS的垂直速度、ILS的下滑道偏离信号、襟翼位置、起落架位置等信息。,1.工作原理,此外近地警告系统还提供无线电高度喊话和决断高度警告，以及风切变警告。,方式1：过大的下降率方式2：过大的地形接近率方式3：起飞或复飞后掉高度太多方式4：非着陆形态不安全离地高度方式5：低于下滑道太多。,2.主要警告方式：,方式1：下降率过大,方式2：地形接近率过大,方式3：起飞或复飞后掉高度太多,方式4不在着陆形态时的不安全越障高度当飞机不在着陆形态，由于下降或地形变化，飞机的越障高度不安全时，发出报警信号。,方式4：不在着陆形态时，不安全离地高度,方式5：低于下滑道太多,方式6无线电高度和决断高度（DH）的报告在着陆过程中，代替人来报告无线电高度和决断高度。若安装了无线电喊话功能，则在进近时会出现“ONEHUNDRED”“FIFTY”“THIRTY”“TWENTY”的喊话，在飞机下降到决断高度时，会发出“MINIMUMS”的决断高度警告提醒。,方式7风切变近地警告系统的选装特性，在起飞或最后进近低于1500英尺无线电高度，飞机进入风切变警告范围时，就发出风切变警告“WINDSHEAR、WINDSHEAR、WINDSHEAR”,3.增强近地警告系统(EGPWS）,EGPWS不仅具有GPWS的功能，还提供了地形显示和前视地形警告功能。,增强近地警告系统(EGPWS）,EGPWS包含有一个全球地形数据库，包含了全球95%的陆地信息。GPWC计算机将飞机当前位置和此数据库跟踪比较，发现险情发出警告，这就是地形意识显示（TAD）功能。EGPWS功能也包含有一个机场数据库，此数据库含有所有长于3500英尺的硬表面跑道的地形信息，GPWC将飞机位置和跑道位置相比较，发现需要警告的场合，这就是地形间隔平台（TCF）功能。,地形意识显示（TAD）,EGPWS地形显示,地形间隔平台(TCF),四、空中交通警戒及避撞系统（TCAS）,1.TCASII的基本功能,监测周围是否有装有应答机的飞机显示潜在的或预计的相撞目标发出垂直避让指令,监测范围：30NM40NM距离内的冲突飞机；9900ft高度内(指高于或低于3000m)的受威胁飞机。,TCAS工作原理,碰撞区：TCAS2定义的一个三维空域，其大小随接近速度而改变。防止其他飞机进入该区域。警告区：离碰撞区边缘15-35s的一段空域。决策信息（RA）对方飞机进入警告区时发布。发出决策信息和相应语音提示。如发出声音“CLIMBCLIMB”警戒区：离碰撞区边缘20-48s的一段空域。交通警戒信息（TA）对方飞机进入警戒区时发布。发出声音“TRAFFICTRAFFIC”,（1）无冲突情况（OT）：监视范围：垂直：上下2700ft，水平：3040nm；无相撞危险；在监视范围内无接近、TA、RA情况。,（2）接近（PT）：监视范围：垂直：上下1200ft，水平：6nm；无相撞危险；冲突飞机在附近（监视范围内）。,（3）交通资询（TA）：监视范围：预计进入时间40s有相撞的潜在危险；有音响警告，“TRAFFICTRAFFIC”,（4）决断资询（RA）：监视范围：预计进入时间25s有相撞的实际危险；有音响警告，如“CLIMBCLIMB”，“DESCENDDESCEND”,A320导航系统,A320,校惯导：1.IR进入导航方式前先输入飞机当前位置。通常用FMC的MCDU输入；也可以用惯导组件的键盘输入。