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1、. . . . 陆基导航技术研究目 录第一章绪论11.1课题背景和意义11.2国外研究现状31.2.1 国外研究现状31.2.2 国研究现状51.3论文研究容和方案7第二章陆基导航系统工作原理和测量误差分析92.1 陆基导航系统工作原理92.1.1 VOR系统工作原理92.1.2 DME系统工作原理122.1.3 TACAN系统工作原理152.2 陆基导航系统误差特性分析与误差建模182.2.1VOR导航系统误差特性分析与误差建模192.2.2 DME测距系统误差特性分析与误差建模242.2.3陆基导航系统误差实测结果262.3 本章小结28第三章陆基导航组合系统定位误差分析293.1 陆基导
2、航系统的组合方式与定位原理293.1.1 DME-DME组合方式293.1.2 VOR-DME组合方式293.2 VOR、DME组合系统定位误差分析303.2.1 VOR-DME 定位误差分析303.2.2 DME-DME定位误差分析323.2.3 基于误差椭球的误差分析363.3 本章小结41第四章区域导航技术研究424.1 区域导航概述424.1.1 RNAV概述424.1.2 区域导航对导航的精度要求434.1.3 区域导航的特点434.1.4 区域导航的优势与效益444.2 RNP概述454.2.1 RNP概念454.2.2航路RNP464.2.3终端精密RNP484.3 PBN概述4
3、94.3.1 PBN概念494.3.2 PBN分类504.3.3 作用与优势514.4 区域导航中的误差分析514.4.1 导航系统误差514.4.2 显示系统误差524.4.3飞行技术误差524.4.4基于陆基系统的区域导航误差分析554.5 本章小结58总结与展望59参考文献61致63 / 第一章 绪论导航定位技术是现代科学技术中一门重要的技术学科，在航天、航空、航海和测量以与其他许多领域都有广泛的应用。人类自古以来就开展了对导航与定位技术的研究，从中国古老的指南针到地磁定向，从天文导航到无线电导航，以与本世纪六、七十年代兴起的卫星导航，无不浸透着人类智慧的结晶。在航空与航天技术飞速发展的
4、今天，导航系统的精度已经成为评价现代航空(航天)器性能的重要参数之一。随着科学技术的发展，特别是现代化战争的需要，对导航定位的精度和可靠性都提出了更高的要求。本章对所选课题的来源、背景与实际的意义做了相关介绍，同时概述了区域导航技术研究的国外现状，最后介绍了论文的主要容。1.1课题背景和意义随着全球航空运输业的飞速发展，空通流量急剧增加，空域拥挤和飞行延误情况日益严重，基于传统运行方式的航路结构难以满足航班量增加的要求，航路和终端区空通拥堵的现象时有发生,保证航空安全的压力也越来越大。单一的陆基导航系统难以满足新一代国家空通管理系统对导航系统在精度、完好性、连续性和可用性等方面的要求。空通管制
5、部门着力采用先进的科技手段，提高空域容量，为了保持航路顺畅，保证飞行安全，减少延误与协助提高航空公司运行效率。国际民航组织（ICAO）早在1991年就确立了新航行系统（FANS）和区域导航（RNAV）的概念，在这个概念的影响下，全球航空运输发生了巨大变化。目前，在全世界围，民用航空导航普遍采用的是陆基导航系统，我国民航仍以传统的陆基导航方式为主，使用传统导航方式，要求飞机沿着已经建立起来的航线，从航路点到航路点进行飞行，在着陆阶段，要求有引导和着陆的导航系统。其中所使用的无线电导航系统和设备主要有：罗兰（LORAN）系统、自动测向器（ADF）、甚高频全向信标（VOR）、测距器（DME）、塔康（
6、TACAN）系统、仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统（MLS）、精密进近雷达（PAR）等。传统的无线电导航是利用机载接收机接收地面导航台信号，通过向台、背台飞行实现飞机逐台导航。其航路与飞行程序设计受地面导航台布局与设备种类限制。随着空通流量的日益加大，沿地面导航台设计的常规航路已经日趋饱和，流量控制导致的飞行延误日益增加。机载设备性能与自动化程度的提高，为提出 RNAV概念并得以应用提供了必要条件。RNAV允许飞机在相关导航设施的信号覆盖围，或在机载自主导航设备能力限度，或在两者配合下沿所需的航路飞行。该导航方式允许航空器不飞经某些导航设施，这就摆脱了沿常规航路逐台飞行的束缚，提高了空域的
7、利用率1。RNP/RNAV(Required navigation performance/Area navigation 所需导航/区域导航)作为一种新的导航概念，是利用飞机自身机载导航设备和全球定位系统（GPS）引导飞机起降的新技术，是目前航空发达国家竞先研究的新课题和国际民航界公认的未来导航发展趋势。RNP 是建立在RNAV 基础上的精密导航系统，飞机在一个确定的航路、空域或区域运行时，所需的导航性能精度，要求飞机在 95%的飞行时间，机载导航系统应使飞机保持在限定的空域飞行。RNP 技术进一步降低了飞行的天气标准，可以增加可用航线的选择围，很好地避开了恶劣气象条件的航线；RNP 技术大
8、大降低了地形对飞行的影响，使飞机能够在山谷中按照 RNP 程序飞行；RNP 技术大大降低了燃油成本和机场雷达设备成本；RNP 技术可以增加最大起飞和着陆重量，降低决断高度和下滑梯度，提高飞行正常率。区域导航(英文简称RNAV)是一种导航方法，允许飞机在台基导航设备的基准台覆盖围或在自主导航设备能力限制或两者配合下按任何希望的飞行路径运行。随着VOR/DME成功地运用于导航和机载计算设备，出现了RNAV概念并得以初步应用。区域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卫星导航系统为基础的星基导航设备，是通过下列一种或几种的组合来进行区域导航的：VOR/DME,DME/DME，LORAN，
9、GPS或GNSS，甚低频波束导航系统，INS或IRS。区域导航（RNAV）的定义强调区域导航“是一种导航方法”，它可以使航空器在导航信号覆盖围之，或在机载自备导航设备的工作围，或二者的组合，沿任意期望的航路飞行，即RNAV设备通过自动确定航空器位置、建立期望的飞行航迹以与向下一个航路点飞行提供航迹引导来运作。这是强调实施区域导航必须掌握飞机实时的经纬度坐标，即区域导航依靠飞机的绝对位置导航。实际上，区域导航不仅是一种导航方法，对航路结构和空域结构也有影响。现在航线主要是以无线电导航台为基础的，其起点、转弯点、终点都选定为导航台；航空器只能逐台飞行。而RNAV航线脱离了导航台台址的限制，便于建立
10、更为经济、简捷的航路。而实施区域导航后，航路点的选择具有较大自由，如前所述，可以选择导航台、地标位置点，也可以选择具有精确经纬度的位置点。同时，执行区域导航航路时，可以实现航路点的逐点飞行，也可以越点飞行，甚至可以通过大圆航线实现起点和终点之间的直飞；同时，在遇到一些特殊情况，如航线上出现的恶劣天气时，可以很容易选择新航路点、建立新航线，实现绕飞;在实施流量管理时，建立等待航线也很方便。因此区域导航的实现，不仅是导航方法的进步，也是管制体制的改革2。从航空发达国家采用区域导航技术优化飞行航线与飞行剖面取得的经验中，区域导航系统具备不依赖地基导航设备而在任意两点之间精确飞行的能力，我国也在逐步推
11、行区域导航技术。虽然中国民航新航行系统提出，在20-30年，导航方面将以单一的卫星导航取代传统的陆基无线电导航，但目前处于过渡期，陆基无线电导航，尤其是航路全向信标（VOR）和测距仪（DME）导航仍将是航空导航的主要手段。基于陆基导航的区域导航是在现有导航系统基础上的一种区域导航方法。现在的航线结构中，在繁忙空域，已经实现了VOR/DME台覆盖，利用VOR的测角功能和DME的测距功能，可以实现区域导航目前我东地区已有90%以上的通航机场和航路（航线）导航台配置和更新了VOR/DME，使华东地区航路无线电导航设备已形成比较完善的体系。要描述一个无线电导航系统，必须考虑其精度、可用性、可靠性、覆盖
12、围、信息更新率、多值性、系统容量、完好性和导航信息的维数等几个参数。从航空器方面来看，精度值是基于导航源误差、机载接收误差、显示误差，而对于侧向导航源，还有飞行技术误差（FTE）。陆基导航设备的导航性能主要包括导航精度和导航有效区域。导航精度主要是由水平方向精度所决定，而水平方向精度是由偏航容差(XTT) 和沿航容差 (ATT) 所决定。由于数据缺乏，目前全球的导航设备行业上对于陆基导航设备的定位估计都采用平方和根（RSS）公式来估计系统性能，并不是很精确，对于导航精度就会产生偏差，本文将采用误差椭圆的方法对以VOR/DME、DME/DME两种区域导航方式为主的陆基导航方式进行实时定位误差估计
13、。1.2国外研究现状1.2.1 国外研究现状随着上个世纪七十年代，RNAV技术在美国的出现，对RNAV技术的使用也日益广泛。为有效应对空通流量快速增长的压力，美国和欧洲于2005年分别提出了NGATS计划和SESAR计划，目的是通过新技术应用实现空通管理效能的全面提高。RNP/RNAV和卫星导航成为NGATS和SESAR计划研究和实施中需要率先突破的技术。2007年3月，国际民航组织(ICAO)正式发布了基于性能的导航(PBN)手册，标志着PBN技术应用建设的全面展开。这种基于性能的导航整合了区域导航（RNAV）和所需导航性能（RNP）两个方面，更加注重导航设备的实际导航性能力，避免了导航技术
14、设备的无限制研究开发投入和导航设施过度投资，同时也可以最大限度的利用现有导航资源（包括机载和支援设施）。1996年，世界第一个RNP/RNAV程序在美国阿拉斯加朱诺（Juneau）机场应用，有效的解决了朱诺机场因自然条件恶劣，航班经常因为天气原因不能正常起降而被迫取消的难题。1999年，FAA和MITRE公司在设计费城机场的RNAV程序时，为了解决设计过程中的难题，开发了TARGETS（Terminal Area Route Generation, Evaluation and Traffic Simulation）系统，该系统能够完成传统程序和RNAV程序的设计与仿真评估。与此同时，为了保证
15、陆基RNAV程序的顺利实施，FAA委托美国空通仿真开发完成了专门用于RNAV航路设计和评估的系统RNAV-Pro，该系统可以完成在陆基导航方式下，实施RNAV程序所必须的定位精度分析与模拟。法国民航学院与AERO in SYS公司合作，于1999年推出了其飞行程序设计综合平台GeoTITAN，该产品兼容ICAO和法国民航的飞行程序设计标准，可以完成传统程序的设计和航图制作。2006年7月推出的GeoTITAN V2.8涵盖了RNAV程序的设计功能。目前，GeoTITAN已经广泛应用于法国民航局、法国空军、德国空军以与非洲、东南亚等国家。在2005年达拉斯/沃思堡国际机场（KDFW）实施 RNAV离场，评估证实在KDFW机场实施 RNAV离场程序两个月，运行优势明显增加，这些程序符合消噪程序要求，实现了扇形离场，也就是交替使用分离航路实现连续离场，该运行缩小了航空器间的间隔，增加了离场容量，减少了离场延误。在佐治亚州，亚特兰大 /威廉B哈特斯菲尔德国际机场（KATL）也实施了类似的 RNAV程序，三角（Delta）航空公司是该机场的主要运行商。作为 2005年世界上航空器运行最繁忙的机场，KATL机场从2005年 4月至 5月开始实施 RNAV SID与 STAR程序。目前，大约有85的进离场航空器使用 RNAV程序，
