1、导航的作用
民用航空的基础是导航技术。对于航空运输系统来说,导航的基本作用就是:引导飞机安全准确地沿选定路线、准时到达目的地,为空域提供基准,确定空域、航线的关键位置点。航空导航应用的安全性要求高,需达到精准导航的要求,空中交通管理可称为航空导航的最高端应用。空管的发展推动着航空导航新技术和装备的研发,而航空导航技术也不断地满足空管的发展需求,从而促进了世界民用航空事业的发展。
2、民用航空导航技术的发展
民用航空导航技术是顺应不同时期的航空需求而不断发展的。随着民用航空系统的发展历程,民用航空导航技术经历了如下几个阶段:
早期(20世纪20年代至30年代初)民用航空导航方式为目视导航,起初航空导航主要利用地形地物作参照物或者观察太阳和星体目视导航,该手段导航误差较大。
中期(30年代)开始发展仪表导航,飞机上安装简单的仪表,依靠人工计算飞机当时的位置,提高了导航精度。随着航空运输的广泛应用,需提高航空导航的覆盖范围。
中后期(20世纪30年代至60年代)民用航空导航发展了航路全程覆盖的导航技术,出现了覆盖航路的无线电导航,40年代初开始研制超短波的伏尔导航系统和仪表着陆系统,此阶段航路飞行由完全依靠目视地形特征方式变为使用仪表飞行,50年代初惯性导航系统用于飞机导航,50年代末出现了测距仪,60年代末为提高着陆飞行能力继而研制了微波着陆系统,此阶段基本实现了全飞行阶段的仪表飞行。
为了满足不同空管运行的需求,近代(20世纪70年代)提出了区域导航运行概念,即针对不同的运行环境(如航路、终端区、洋区等)达到相应的导航性能要求,区域导航催生了组合导航技术;随着航空运输量的不断提升,进入了现代导航时代(20世纪70年代至今),空管中的导航主要依靠全球定位导航系统,空中交通管理从地面指挥向空地协同发展,确保航空飞行更安全、更密集、更灵活。
随着空管运行需求的日益提高,卫星导航增强技术(20世纪80年代中期至今)的提出和组合导航技术(20世纪80年代至今)的发展将不断满足高性能的空管导航要求;针对不同国家乃至地区采用的民用航空导航系统各不相同,为了统一规范,进一步提升空管运行能力,国际民航组织提出了基于性能导航运行概念(2007年至今),即依据航空导航的能力实施空管运行,从而能够提高空域容量和飞行灵活性,同时结合日益成熟的卫星导航系统为民用航空提供有效的定位导航授时服务,实现全球统一、精密化的空中交通管理。
3、民用航空导航系统的分类
按照设施类型,导航技术分为自主式导航和他备式导航,他备式导航又可分为陆基导航和星基导航:
NDB、VOR、DME和ILS属于陆基导航。
GNSS属于星基导航。
INS属于自主式导航。
4、陆基导航
目前,中国民用航空使用的陆基导航系统主要包括无线电信标NDB、甚高频全向信标VOR、仪表着陆系统ILS、测距仪DME、甚高频全向信标/测距仪VOR/DME等,根据导航定位原理分别对各导航系统的研制背景、工作原理、应用情况及发展作以简单介绍。
4.1、无线电信标(Non-directional Beacon,NDB)
在20世纪30年代初出现了航空无线电信标。航空无线电信标又称无方向信标(Non-directional Beacon,NDB),工作频率为0.19MHz至1.75MHz,额定覆盖平均半径为46.3-278公里。它的工作原理是利用机载设备无线电定向机(Automatic Direction Finder,ADF)(或无线电罗盘)测量NDB相对于飞机轴线的方位,它主要用于飞机着陆时寻找初始进近点。
NDB主要应用于航空无线电导航的初期阶段,为区域航空飞行提供可靠和精确测向信息,其缺点为误差不固定,并且无法提供高精度的全面导航信息。至2011年底,中国民航目前运营的NDB设备共有378套。
4.2、甚高频全向信标(Very High Frequency Omni-directional Range,VOR)
在航路导航方面,VOR于1946年出现并在1949年为国际民航组织所接受。其全称为甚高频全向信标,又名伏尔导航系统。工作频率为108MHz-117.975MHz。VOR提供的信号必须在40度仰角以下,为使一部标准的机载设备在最大规定服务半径上、以最低的服务电平满意的工作,要求VOR信号的空间场强或功密密度应为90微伏/米或-107分贝瓦/米2。VOR的工作原理是通过发射两个30Hz的正弦波,并根据此两正弦波的相对相位与飞机相对于地面台的方位成正比的原理而实现测方位,从而为飞机提供准确的方位信息。
与航空无线电信标相比,VOR精度较高,能够使驾驶员保持既定航线飞行,因此很快被航空界所接受。20世纪60年代,VOR地面台技术被全面改进为多普勒VOR(DVOR),以减小场地误差。但是VOR只能提供飞机指示方位,还需进一步能够提供水平位置导航信息的设备。
4.3、仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)
利用信号引导航空器进近下滑、着陆的无线电系统称为仪表着陆系统,该系统于1939年研制成功,是专门用于引导飞机着陆的仪表式系统,它有别于早期依据地标地物等目视基准的飞行着陆系统,是完全用仪表控制实现着陆,是目前应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。仪表着陆系统的地面设备包括航向台、下滑台和指点信标,机载接收机分为航向/下滑接收机和指点信标接收机。它的工作原理是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引,建立一条由跑道指向空中的虚拟路径,飞机通过机载接收设备,确定自身与该路径的相对位置,使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度,最终实现安全着陆。
目前,ILS是国际民航组织(ICAO)标准精密进仅着陆设备,全球民用航空现役ILS地面设备已超过2000套,其中美国共计有1077套,我国拥有238套。目前,仪表着陆系统是我国民航机场的主要着陆引导保障设备。
ILS系统的缺陷主要在于其建站和维护过程对场地和空域资源的过分消耗,使其难以应用在一些自然条件较苛刻的区域。
4.4、测距仪(Distance Measuring Equipment,DME)
1952年,ICAO采纳了美国建议的系统作为标准,DME成为ICAO的标准导航系统。DME是为飞机提供距离信息的近程航空导航系统,工作频率为960MHz-1215MHz,采用脉冲信号体制,有252个工作信道。在作航路导航时,一个地面台可覆盖约370公里的半径范围,在终端区和作精密进近时,覆盖约45公里半径。误差随飞行距离而累加,为飞行距离的3%。它的工作原理是通过测量机载设备与地面台之间询问-应答脉冲的传播时间而测出飞机离地面台的距离。DME于1961年正式投入使用。
4.5、 VOR/DME
VOR作为低频无线电测距的替换来提供一个飞机到VOR发射机的方向,搭配的DME提供飞机到DME发射机的距离。VOR与DME通常组合使用,该组合系统被认为是当今安全和可信赖的民用航空导航的基础。
目前,美国共计有航空VOR/DME设备1012套,我国拥有VOR/DME设备270套。对于空中航路导航,民用航空主要采用VOR/DME,也是目前我国民用航空的主要无线电导航系统。
目前,陆基无线电导航系统至今仍被广泛应用,而且在空中交通管理中发挥重要的作用。陆基无线电导航系统存在以下缺陷:首先飞机只能沿陆基导航台定义的航路折线飞行,作用距离有限且易受地形遮挡,该方式将延长飞行时间,降低飞行效率,精度低,增加航路拥堵率;其次,移动一个地面导航台可能影响数条相关航路和飞行程序,陆基导航设备无法在航路、进近和复飞程序中复用;随着飞机离导航台距离的增加,保障航路导航精度要求陆基导航台分布达到一定的密度,势必导致建站与维护的费用增加;此外,陆基导航强烈抑制了航空导航设备的灵活性和先进航电设备的应用,成为整个空中运输系统的瓶颈。以全球定位系统(Global Positioning System,GPS)为代表的星基导航系统就是在这种情况下产生的。
5、星基导航
民用航空星基导航系统包括全球导航卫星系统和卫星导航增强系统,下面将就导航定位原理分别对各导航系统的研制背景、工作原理、应用情况及发展作以简单介绍。
5.1、全球导航卫星系统
1964年,美国海军和空军分别提出了“Timation”计划及621B计划,采用伪码(Pseudo Random Noise,PRN)测距,开启了卫星导航系统研制的先河。1973年美国国防部成立联合工作办公室(Joint Program Office,JPO),JPO综合TRANSIT、Timation和621B等方案的优点,提出发展NAVSTAR/GPS(Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System)项目。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的伪距解算接收机的具体位置。
GPS系统建设历时二十多年。1978年2月22日,第一颗GPS试验卫星发射成功;1989年2月14日,第一颗GPS工作卫星发射成功;1993年12月8日,美国宣布GPS系统具备初步工作能力;1994年3月10日,24颗工作卫星全部进入预定轨道;1995年4月27日GPS系统具备完全工作能力,全面投入正常运行。GPS以全球性、全时空、全天候、高精度、实时等特点,彻底变革了传统意义上的导航概念,它的推广应用有力地促进了民用航空的发展。
迄今为止,全世界使用的导航定位系统主要是美国的GPS系统。然而,过度依赖GPS蕴含着巨大的风险:美国可以随时切断局部区域的导航信号,或者人为注入干扰信号来降低局部GPS信号的精度。因此,世界各国也相继积极发展和建设各自的卫星导航系统。20世纪70年代苏联开始开发全球定位系统GLONASS,主要用于军事领域,1995年系统完全建成。该系统由于历史原因没能得到及时的维护,一直处于降效运行状态,目前仍无法实现全球范围内的实时导航定位。欧盟于2002年正式批准Galileo计划战略科研项目,2005年12月28日,伽利略计划的首颗实验卫星“GIOVE-A”被顺利送入太空轨道,Galileo项目在进程中始终受到经费不足和政治因素的困扰,在问题中不断前行;中国早在60年代末就开展了卫星导航系统的研制,70年代后期以来国内先后提出过单星、双星、三星和3~5星的区域性系统方案,以及多星的全球星基导航系统系统的设想,并考虑到导航定位与通信等综合运用问题,最后确定为有源三维双星系统——北斗卫星导航系统。按照组网发射计划,至今已发射8颗北斗导航卫星。目前改进型的“北斗二号”系统正在研制建设中,与GPS原理基本一致的、覆盖中国本土的新一代区域性卫星导航定位系统存在诸多优势,可有效避免电磁干扰,实现无源定位;此外,印度也正在开发能与GPS、GLONASS和Galileo系统相连接的卫星导航系统“地区导航卫星系统”(Indian Regional Navigational Satellite System,IRNSS);日本投入2000亿日元,建成由3颗卫星组成的“准天顶卫星系统”,该系统可以和GPS并用,定位精度高达十几厘米;加拿大的主动控制网系统(CACs)、德国的卫星定位导航服务系统(Satellite Positioning Service of the German state Survey,SAPOS)等都正在实施中。
目前的卫星导航系统还暂有GPS卫星和GLONASS卫星可提供定位服务,当Galileo系统和中国北斗导航定位系统达到运行能力后,将出现多系统共存的局面。多系统组合,充分利用所有测距资源将是未来卫星定位系统发展的趋势,也是提升全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)性能的重要方法。未来五到十年间,所有的GNSS用户都将会接收到更多卫星导航系统的信号,多数民用用户接收机将升级为多模,GNSS系统整体的精度、完好性和可用性将有长足提高。
GNSS提供四维导航服务的不确定性来源为传播延迟、时钟误差、多径效应、卫星星历误差和几何误差等。因此,不通过增强系统的GNSS可满足国际民航组织所要求的部分区域导航,并作为洋区导航的主要手段,航路、终端和非精密进近的补充。为了进一步提升GNSS作为必备导航系统和唯一导航系统的能力,民用航空引进卫星导航增强系统,将在下文做简要介绍。
5.2、卫星导航增强系统
将全球卫星导航系统应用于民用航空导航,保障安全性至关重要,为此完好性保证能力是用户最为关注的性能需求。从20世纪80年代中期开始,人们对如何增强GPS完好性以满足民用航空导航需要这一问题展开了广泛研究,并取得了一些成果。GPS完好性增强方法综合起来可分为两类。一类是内部增强方法,即利用GPS接收机内部的余度信息,或飞机上的其它辅助信息(如气压高度表、惯导等),来实现GPS卫星故障的检测和排除,这一方法一般称为接收机自主完好性监测(RAIM)。另一类是外部增强方法,即在地面设置监测站,监测卫星的状况,然后广播给用户,主要包括星基增强系统和地基增强系统,由于系统同时利用广域差分或局域差分技术提高精度,因此,系统的完好性监测主要是对广播给用户的误差改正数的监测。
1、接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)
接收机自主完好性监测概念最早由R.M.Kalafus于1987年提出。RAIM是指用户接收机利用多余观测量为定位解自主地提供完善性监测,其目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星,并保障导航定位精度。其基本功能包括故障检测(FD)及故障排除(FE)两个部分。故障检测部分检测对于当前飞行阶段不可接受的定位误差,在检测基础上,故障排除部分识别并排除导致定位误差的故障源,确保导航的连续性。
RAIM算法有不同方法实现,其中之一是进行各种可见卫星定位子集的一致性检查。如果非一致性,可以给飞行提供预警。目前,RAIM技术在国外已有了较成熟的发展,并已应用于许多航空GNSS接收机。FAA已规定,所有航空用的GNSS接收机必须具有RAIM功能,并且已批准具有RAIM功能的GPS接收机在越洋和边远区域航行阶段可作为主用导航系统,在本土航路、终端区和非精密进近阶段可作为辅助导航系统。
2、星基增强系统(SBAS)
星基增强系统(SBAS)的目标是改善GNSS系统的完整性和精度,主要用于飞行器导航,尤其是在飞机的着陆阶段。SBAS卫星会向地球广播修正消息,使接收机可以利用此类信息来改善精度和完好性。
美国、欧洲和亚洲都在开发自主的SBAS系统。1992年,美国联邦航空局(FAA)针对航空用户对飞行与着陆的要求,提出了利用GEO转发广域差分改正信号,这一思想构成了GPS广域增强系统(Wide Area Augmentation System,WAAS)。此后,欧洲建成并开始运行对地静止导航覆盖服务(EGNOS,European Geostationary Navigation Overlay Service)系统。日本的多功能卫星增强系统(Multi-functional Satellite Augmentation System,MSAS),以及印度的GPS辅助地理增强导航(GPS Aided Geo Augmented Navigation,GAGAN)系统也都已进入不同的开发和应用阶段。除MSAS外,日本现在还在开发准天顶卫星系统(QZSS),作为GPS的一种增强服务,QZSS将为日本地区提供位于天顶方向附加测距源。
美国WAAS从2003年7月10日正式投入使用时就已经具备了LNAV/VNAV和部分LPV导航能力。目前,LPV可用性为美国本土的覆盖范围100%,阿拉斯加的覆盖范围81.22%;LPV-200可用性为美国本土的覆盖范围100%;阿拉斯加的覆盖范围70.90%。欧洲的EGNOS系统,与WAAS原理相同,覆盖整个欧洲。不同的是,EGNOS整合了美国的GPS和俄罗斯的GLONASS两套定位系统信号,并加以修正。日本的MSAS系统从1996年开始实施,主要目的是为日本空域的飞机提供全程通信和导航服务,于2007年6月30日宣布达到初始运行能力(IOC)。
3、地基增强系统(GBAS)
以WAAS为代表的星基增强系统仅能满足Ⅰ类精密进近的需求,对于精度、完善性等性能需要更高的Ⅱ类、Ⅲ类精密进近,必须寻求新的增强方式。在局部地区,利用局域差分原理,可得比广域差分更高的精度,满足机场等对进近精度要求高的应用区域。这种技术被称为地基增强系统。
美国Continental航空公司已有9架737NG飞机加装了GBAS机载设备,此外,所有2008年1月以后交付的737NG飞机都装备有GBAS机载设备,所有新交付的787都将GBAS机载设备作为标准配置。Continental航空公司已经执行了超过200次的目视GBAS进近程序,并且飞行员反应良好。EUROCONTROL已将GBAS列入欧洲单一天空空管研究计划(Single European Sky ATM Research,SESAR)核心系统,在数个机场部署了GBAS测试系统,并开展了GBAS平行进近的研究。法国于2006年对安装在Toulouse的GBASCATI地面站进行了空间信号验证,并持续对GBAS性能进行监视。该GBAS的性能将被继续维持,用于Airbus的GLS验证。法国将加大GBASCATII/III的研发活动,并已开展了2项相关研发项目。
6、自主式导航
从20世纪20年代末开始,陆基无线电导航逐渐成为航空的主要导航手段,但由于需要地面系统或设施的支持,无法实现自主定位和导航,限制了航空导航的发展。具有自主导航能力的惯性导航系统(INS)于60年代在航空领域投入使用。并为民用飞机提供连续性好、短期精度高和实时的导航信息,使得民航越洋导航成为可能。
INS是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。但INS存在很大的缺陷,即其误差随时间不断累积,在一定时长后需要重新对准。显然,随着航空运输量和航时的不断提高,单一导航设备很难全面满足各个航段的导航需求,为此以惯性导航为核心的组合导航受到航空界的高度重视。
由于惯性导航能够提供较全面的导航和姿态参数,并不受外界干扰,成为组合导航的参考系统,与GNSS、VOR/DME和气压高度表等其它导航设备一起构成了组合导航系统。而惯导系统定位误差随时间积累的不足可以由其他导航系统弥补。飞行管理系统是组合导航系统在民航中的集中体现,它将不同数据源的导航信息和姿态信息进行融合,通过飞行姿态控制和飞行性能管理实现机载信息的综合处理,为飞行员提供有力和可靠的指导。