【《现代各种先进导航技术的应用与发展综述》6400字】

现代各种先进导航技术的应用与发展综述在世界上，随着我们在经济和科技上发展达到一个前所未有的阶段，在各类的运输业也必须要随着这样的趋势来发展，从而满足我们世界上发展越来越快的航空业。在各类大型飞机的速度越来越快、中型飞机的数目越来越多、小型飞机的飞行越来越频繁，再加上新的飞机的发明和建造，并且开始供我们使用，我们的天空变得更加繁忙而且安全性也得不到一个保障，因此更加先进，有效的导航技术必须发展建设来满足我们的日益发展的民航业，只有这样，才能保证空域的充分利用，飞机有更加安全的飞行间隔，也能保障每一次飞行都能安全，高效，高速的完成。所以这些先进的导航技术的发展式=是非常有必要的而且是必须的。5.1先进导航技术种类和工作原理在运输世界中，飞机是最快的运输方式，但这带来了很少的挑战。安全性是该行业的主要问题，尽管与其他方式相比，事故发生率显着降低，而生存率却非常低。航空业需要提高效率，以应对挑战。航空业一直被认为是一个复杂的行业，因为它包括高度复杂的技术和工作流程。航空中有几种用于引导飞机的技术即飞机导航技术。导航是在航空中重要角色的一部分，许多因素都会影响到它。所以，具有改进的导航系统可以改善安全性和成本方面的情况。本文重点介绍随着时间的推移已提出和提出的不同进展和成就。卫星导航已用于飞机导航已有50多年的历史了。在过去的十年中，由于采用了增强系统，卫星导航的能力已扩展到要求更高的飞行阶段，尤其是垂直引导到200英尺以下。卫星导航的工作原理就是：利用全球定位系统卫星带有原子钟，可以提供极为精确的时间。时间信息被放置在卫星广播的代码中，以便接收机可以连续确定信号的广播时间。该信号包含接收器用来计算卫星位置以及进行精确定位所需的其他调整的数据。接收器使用信号接收时间和广播时间之间的时间差来计算从接收器到卫星的距离或范围。接收器必须考虑传播延迟或电离层和对流层引起的信号速度降低。一般情况下飞机的定位必须要四颗卫星同时对飞机发射信号，并且能够稳定传输信号，这样使得飞机在飞机的距离变化和位置变化进行计算，把这些信息进行一个三维的显示，有时候加上其他卫星的辅助，就可以确定飞机的实时位置，高度，速度，航向以及其他的一些信息。测量航向测量高度测量速度测量时间图5.1.1卫星导航基础的传播信号的示意图。测量航向测量高度测量速度测量时间图5.1.1卫星导航基础的传播信号的示意图。卫星导航的种类：卫星导航在空中是非常有用的。但是严格的安全要求意味着来自太空的信号需要使用额外的系统来补充，以供航空业使用。星导航具有代表的是有全球覆盖范围的卫星导航系统可以称为全球导航卫星系统（GNSS）。截至本世纪的二十年代，美国宇航局创造的全球卫星导航定位系统（GPS），俄罗斯于上个世纪建成的全球导航卫星系统（GLONASS），最新的也有中国在近十年发展建成的北斗导航卫星系统（BDS），欧盟也有一套完整的卫星导航系统叫做伽利略，这些都是目前世界上运作的并且发展和使用比较全面的全球卫星导航技术。我国已经完成建设的全球北斗卫星导航系统就是里面最重要也是最有效的卫星导航系统。在民用航空的运输领域，虽然GPS发展的时间久，发展经验多，应用也最广泛，所以，世界上最多使用的都是GPS信号，来进行飞机的导航。就在曾经的某个时间，我国的中南地区、华东的大部分地区、东北的一部分地区、甚至于西北等地区就有很多架飞机在飞行阶段出现导航中GPS的信号发生了异常的显示，从而就让航班发生了延误或取消。在这样的事情发生以后，为了不让GPS导航时，对飞机的运行造成严重影响，让卫星导航更加安全，就必须要大力将北斗卫星导航系统加入卫星导航体系，这样就可以实现几种卫星导航结合起来使用，让导航更加安全，有效。VOR导航系统：飞行员在具体操作的时候，只要将频率调谐到VOR设施的频率并识别出摩尔斯电码正确后，飞行员可以确定飞机位于VOR站的径向还是来自VOR站的径向。座舱仪表中的OBI，HSI或RMI指示器看起来像指南针或航向指示器，上面带有叠放的“航向偏差指示器”（CDI）指针。CDI将使其自身与飞机所在的径向线对齐。与DME配合使用，飞行员可以从电台确定精确的位置。同样，即使没有DME，使用两个VOR电台也可以通过使用交叉半径来确定精确位置。飞行员将某些径向线飞向VOR或从VOR飞出，这是导航的主要方式。航线通常是为往返VOR设施而设计的，以便于使用。在更基本的形式上，可以使用VOR设施直接前往机场。机场物业上设有大量的VOR设施，即使是学生飞行员也可以直接飞往VOR以轻松找到机场。在大型机场，VOR信号台发射信号，飞机的VOR接收器用于接收无线电信号。它在与VOR显示器相同的仪器显示器上产生更灵敏的航向偏差指示。在VOR电台中，通常将VOR发射器与测距设备（DME）或无方向信标（NDB）组合在一起，例如ADF发射器和天线。与DME一起使用时，飞行员可以同时使用VOR和DME来精确定位其位置。由于VOR指示飞机与VOR发射器的方位，并且共处一处的DME指示车站有多远，因此这使飞行员不必越过车站就可以确定地知道他或她的位置。在以下各节中分别讨论了这些导航辅助工具。仪表着陆系统（ILS）被定义为基于两个无线电波束的精确跑道进近辅助设备，在进近着陆时，它们共同为飞行员提供垂直和水平方向的引导。仪表着陆系统是一种精确的跑道进近辅助系统，它利用两个无线电波束在着陆进近过程中为飞行员提供垂直和水平方向的引导。定位器（LOC）提供方位角引导，而下滑道（GS）定义正确的垂直下降轮廓。标记信标和高强度跑道灯也可作为使用ILS的辅助工具，尽管如今前者更可能已被ILS内置的DME或机场上其他位置的DME取代，定义了特殊类别的ILS进近，允许使用适当合格的ILS系统的具有适当资格的飞行员驾驶具有适当配备的飞机到具有适当装备的跑道，以继续进行ILS进近，而无需目视参考。I类的允许决断高度必须要在200英尺以上，能见度不得小于550米时：II类的进近模式时最大的决定高度至少应该大于100英尺，能见度也要在300m以上；IIIA类的进近模式时最大的决断高度至少应该大于100英尺，能见度也要在200m以上；IIIB类的进近模式会更加先进其中最大的决定高度必须大于50英尺，能见度也要在50m以上；IIIC类就是一种完全依赖自动驾驶的自动着陆系统，必须具有沿跑道中心线的持续引导，并且没有DH或RVR限制。该类别目前无法例行使用，主要是因为着陆后地面操纵会产生问题。适用于II类和III类ILS操作的特殊条件包括飞机设备；飞行员培训和飞机场设施。在后一种情况下，功能，可靠性和操作程序都涉及到。后者的一个示例是指定从跑道向后移动的跑道保持点，以确保地面上的飞机不会干扰信号传播。II类和III类ILS的可靠性要求包括一个次级电源，该电源应完全独立于初级电源。持续监控ILS信号的传输以确保信号完整性，并自动关闭安装，从而在检测到任何异常情况下立即在飞机的ILS显示器上显示无效标志，并将其选择为相应的频率。如果允许将最小值降至低于I类的最低要求，并且所有ILS系统都要进行定期校准飞行以检查信号是否正确传输，则可以提高此监视功能的可靠性。这些检查仅能验证ILS是否按预期执行，并且不会例行调查如果飞行超出信号有效性，飞机将收到的指示。非常重要的一点是，只有带有LOC和GS信号的完整ILS是一种精确的方法。如果仅LOC正在发送，则它只能支持最小值增加的非精确方法，尽管这应该是比等效VOR启用的最小值低的值。区域导航（RNAV）是基于性能的导航。它是一系列导航规范，允许飞机在任何所需的飞行路径上运行；RNAV可以连续确定飞机的位置，无论飞机在助航设备的覆盖范围内还是在自包含系统功能（或这些功能的组合）的范围内，而不仅是沿着各个地面助航设备之间的轨道。RNAV是一种导航方法，它允许飞机在地面或空基导航辅助工具覆盖范围内或独立式辅助工具能力或两者结合的范围内的任何所需飞行路径上运行。未来，人们将越来越依赖于使用RNAV来代替地面导航设备定义的路线考虑到RNAV系统的设计，RNAV航线和终端程序，包括离港程序和标准终端到达（STAR）RNAV路线和程序具有多个潜在优势：节省时间和燃料，减少了对雷达矢量，高度和速度分配的依赖性，从而减少了所需的ATC无线电传输，并且更有效地利用空域在飞机的巡航阶段，高空中，飞机的定位主要依靠地面雷达站和太空中的卫星进行一个定位，地面管制员会通过雷达应答机上的显示来实时对飞机做出指挥。5.2A320飞机的导航系统世界上当前的A320型号飞机有着较为完善的导航系统，不管在任何飞行阶段都能准确的获得应得的导航信息。首先，当前世界上的A320型号飞机有两套或者三套VOR接收器，配合使用的还有最少一套距离测量系统DME，这两套VOR定位系统独立工作，并且互不干扰。飞行员可以通过打开这两套系统来接收不同导航台发射的信息确定自己的实时位置，也可以通过打开这两套系统接收同一台导航台的信息确定飞机当前位置的准确性。例如在此飞机进场阶段，首先要获取目的地机场的VOR频率，并且进行测试检查，确定正确可以使用，打开飞机无线电导航接收器NAV1。查阅该机场的VOR进近图，从图表中获取定位器的VOR航向和拦截高度：配置航向并将飞机配置到此高度和位置。VOR径向上建立，当VOR指示器移动到中心位置时，您必须转向VOR信标。您必须处理航向才能将VOR指示器保持在中心位置附近。这样，您将保持进近路线对齐，直到看到跑道为止。当VOR指示器在左侧时，表示VOR径向线在飞机的左侧，或者飞机在VOR径向线的右侧。下降准备，由于没有飞行员或自动驾驶人的下降指导，因此飞行员应根据机场VOR进近图计算其下降率：下降点位于最终进近定位点（FAF）确定飞机下降率接近最低下降高度当跑道在视线范围内时，飞行员离开径向，以便将飞机对准最终位置（通过视觉进近）：飞行员最迟应在此时间点断开自动驾驶仪和自动油门的连接。在视觉方法中，使用视觉方法辅助工具通过这样的方式来降落到飞机的目的地机场。ILS仪表着陆系统：这架飞机有两个盲降接收器。每个ILS接收器集成在一个模块化的航空电子单元中，称为多模式接收器。在机场跑道配备了仪表着陆系统（ILS），该系统会不间断的发射电磁信号，这些信号可以通过机载设备无线电导航接收器接收到。ILS方法的信号包含两个成分：进近路径和水平方向的横向对准的定位器偏差（LOC）垂直对齐的滑行斜率偏差（GS）。在具体的仪表显示中，LOC指针可以左右移动，并向我们显示是否在定位器上居中，也就可以确定飞机位于目的地航线的位置。当飞机上LOC指针显示向左偏斜时，我们必须朝该方向进行校正，例如，指针向左偏转，我们必须向左修正，就是将飞机从进场路线向左转一点以捕获它。如果指针在中心位置的右边，我们需要向右转一点，以飞回所需的轨迹。当设备未收到任何信号时，就必须查看仪表的设备工作。检查活动频率，并确保飞机距离电台足够近（小于约20海里）滑坡坡度偏差GSGS指针可以上下移动，并指示我们与所需滑行路径的偏离。大多数情况下，滑行路径与地平线成3°角。我们称为下滑角。当针头位于中心上方时，滑行路径就在我们上方，我们需要降低均匀爬升的。如果指针位于中心下方，则说明我们的针过高，需要飞机向下移动。并非所有的定位器都具有滑行斜率，在这种情况下，指针不会移动，并且会显示关闭标志。因此必须确定飞机对这些设备的正确使用。通过调整正确的ILS频率并设置进近航向可以选择ILS电台。飞机朝着来自跑道的信号飞行，飞行员跟随光束向下到达跑道。空中客车A320的飞机甚至可以将ILS降落下来，以自动驾驶降落。当然驾驶员必须实时监控飞机各个阶段的状态。在具体的使用中，首先在使用这套系统是依然需要飞行员进行一个仪表的检查，确定频率的正确和目的地机场的ILS可以使用。ILS定位系统是一套在有垂直导航和水平导航，有时候也可以有一个速度导航。当定位器指示器移至中心位置时，您必须转向跑道。必须调整航向，以使定位器指示器保持在中心位置附近。这样，将保持跑道对齐，直到着陆为止。导航精度FM按照准确性从高到低的顺序，导航模式是：ILS-DME/DMEILS-VOR/DME在ILS进近期间，系统使用定位器执行临时横向更新。与当前飞行区域（航路，航站楼和进近）所需的精度（称为RNP）进行比较。途中-从出发或到达机场超过51海里。要求的精度为2.0海里航站楼-出发或到达机场的51海里内。要求的精度是1.0NM进近-从FAF到跑道，或在最终进近的第一个定义航点的5海里以内，以先到者为准。如果未选择进场，则在目标机场的15海里内。要求的精度是0.30海里该飞机有两个独立的GPS接收器。每个GPS接收器都集成在称为MMR（多模式接收器）的模块化航空电子设备中。MMR处理接收到的数据，并将其传输到飞机的计算机中，然后由计算机执行一套设定好的混合位置计算。这样在飞机的仪表上会显示出真实轨迹，地面速度，估计位置，准确度和操作模式，以供飞行员参考和使用。具体的会显示出飞机爬升，转弯，下降，高度的导航信息。也可以在飞机的仪表上显示出附近机场的位置，再加上现在对计算机的改进，就可以得到更多的信息，甚至于机场的跑道信息，进近模式信息，以及天气信息等。A320也会装备必须的惯性导航系统。惯性导航系统的最基本的组成部分是三个用来参考的惯性元件组件，每个参考元件都必须具有三个激光陀螺仪和三个加速度计，当然也需要把这三个陀螺仪和加速度计分别安装在飞机的三个轴上，然后在测量飞机三个轴的角加速度和飞机三个轴的线性加速度。再把这些信息进行一个计算机的处理和计算。这些数据信息一方面显示在各种显示在仪表上，供飞机驾驶员使用，当然在飞机自动驾驶的时候，这些信息对于电脑操作飞机也非常重要。惯性导航技术的系统都必须要有两种操作的模式，即飞机的导航模式和飞机自己的姿态模式。我们说的导航模式就是在系统能够在正常运行的情况下，该系统可以提供所有飞机需要的导航信息；另一种姿态模式就是在系统导航的部分计算功能没有办法正常工作以，仪表指示精度降低或者失效的工作模式。此时，导航系统只能提供有关飞机的姿态和航向的信息而且会出现误差和不精准的情况。也是因为这样的原因，飞机在每次飞行前必须进行惯性导航元件的校准和检验。在实际的操作上，或者飞行前，惯性导航系统就必须开始进行简单的计算和显示。那么在数据的计算之前，计算机系统必须知道飞机的最开始的状态来进行一个参考。而且在进行校准的过程中，系统会自动搜索飞机最初的垂直状态，并且作为参考线，而且也要确定飞机此时位置下，最实际准确的北方的位置，以获得飞机的初始姿态和初始方位角信息。惯性导航系统通常具有两种校准方法：正常校准和快速校准。这就叫飞机的惯性导航的校准。总之，A320型号飞机在我们当前使用的各类飞机中，算是导航设施和导航技术比较先进和准确的。因此它的安全性也可以得到保障。5.2.15.2.1图片显示导航操作面板在座舱的位置图5.2.2A320导航设备的操作面板。图5.2.2A320导航设备的操作面板。具体的分析如下：（1）左上方的位置是一个气压的显示，气压窗口参考拉动气压选择器，选择当前的实时大气压，通过计算机的计算就会在仪表上显示所有高度的英尺。（2）左边中间的位置是选择气压的单位气压选择器选择气压参考。拉动选择器后，相关的高度计将设置为标准气压参考设置（29.92InHg或1013hPa），并且显示在气压窗口上。按下选择器可以选择新的气压参考。选择器选择参考单位，单位为汞英寸（Hg）或百帕斯卡（hPa）。（3）左下方FD按钮：按下FD按钮时，飞行中指挥器的命令开关，飞行员可以手动选择将其打开或