【正文】 導(dǎo)航誤差分析 ............................................ 55 本章小結(jié) ........................................................... 58 總結(jié)與展望 .............................................................................................................................. 59 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................錯誤 !未定義書簽。 致 謝 ....................................................................................................錯誤 !未定義書簽。人類自古以來就開展了對導(dǎo)航與定位技術(shù)的研究，從中國古老的指南針到地磁定向，從天文導(dǎo)航到無線電導(dǎo)航，以及本世紀(jì)六、七十年代興起的衛(wèi)星導(dǎo)航，無不浸透著人類智慧的結(jié)晶。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，對導(dǎo)航定位的精度和可靠性都提出了更高的要求。 課題背景和意義 隨著全球航空 運(yùn)輸 業(yè)的飛速發(fā)展，空中交通流量急劇增加， 空域擁擠和飛行延誤情況日益嚴(yán)重，基于傳統(tǒng)運(yùn)行方式的航路結(jié)構(gòu)難以滿足航班量增加的要求， 航路和終端區(qū)空中交通擁堵的現(xiàn)象時有發(fā)生 ,保證航空安全的壓力也越來越大 。 空中交通管制部門著力采用先進(jìn)的科技手段，提高空域容量， 為了保持航路順暢，保證飛行安全， 減少延誤及協(xié)助提高航空公司運(yùn)行效率。 目前， 在 全世界范圍內(nèi)，民用航空導(dǎo)航普遍采用的是陸基導(dǎo)航系統(tǒng)， 我國民航仍以傳統(tǒng)的陸基導(dǎo)航方式為主，使用傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，要求飛機(jī)沿著已經(jīng)建立起來的航線，從航路點(diǎn)到航路點(diǎn)進(jìn)行飛行，在著陸階段，要求有引導(dǎo)和著陸的導(dǎo) 航系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的無線電導(dǎo)航是利用機(jī)載接收機(jī)接收地面導(dǎo)航臺信號，通過向臺、背臺飛行實(shí)現(xiàn)飛機(jī)逐臺導(dǎo)航。隨著空中交通流量的日益加大，沿地面導(dǎo)航臺設(shè)計(jì)的常規(guī)航路已經(jīng)日趨飽和，流量控制導(dǎo)致的飛行延誤日益增加。 RNAV 允許飛機(jī)在相關(guān)導(dǎo)航設(shè)施的信號覆蓋范圍內(nèi)，或在機(jī)載自主導(dǎo) 2 航設(shè)備能力限度內(nèi)，或在兩者配合下沿所需的航路飛行。 RNP/RNAV(Required navigation performance/Area navigation 所需導(dǎo)航 /區(qū)域?qū)Ш?)作為一種新的導(dǎo)航概念，是利用飛機(jī)自身機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備和全球定位系統(tǒng)（ GPS）引導(dǎo)飛機(jī)起降的新技術(shù)，是目前航空發(fā)達(dá)國家競先研究的新課題和國際民航界公認(rèn)的未來導(dǎo)航發(fā)展趨勢。 RNP 技術(shù)進(jìn)一步降低了飛行的天氣標(biāo)準(zhǔn)，可以增加可用航線的選擇范圍，很好地避開了惡劣氣象條件的航線； RNP 技術(shù)大大降低了地形對飛行的影響，使飛機(jī)能夠在山谷中按照 RNP 程序飛行； RNP 技術(shù)大大降低了燃油成本和機(jī)場雷達(dá)設(shè)備成本； RNP 技術(shù)可以增加最大起飛和著陸重量，降低決斷高度和下滑梯度，提高飛行正常率。隨著VOR/DME 成功地運(yùn)用于導(dǎo)航和機(jī)載計(jì)算設(shè)備，出現(xiàn)了 RNAV 概念并得以初步應(yīng)用。 區(qū)域?qū)Ш?（ RNAV）的 定義強(qiáng)調(diào)區(qū)域?qū)Ш健笆且环N導(dǎo)航方法” ，它可以使航空器在導(dǎo)航信號覆蓋范圍之內(nèi)，或在機(jī)載自備導(dǎo)航設(shè)備的工作范圍內(nèi)，或二者的組合，沿任意期望的航路飛行，即 RNAV 設(shè)備通過自動確定航空器位置、建立期望的飛行航跡以及向下一個航路點(diǎn)飛行提供航跡引導(dǎo)來運(yùn)作 。實(shí)際上，區(qū)域?qū)Ш讲粌H是一種導(dǎo)航方法，對航路結(jié)構(gòu)和空域結(jié)構(gòu)也有影響。 而 RNAV 航線脫離了導(dǎo)航臺臺址的限制，便于建立更為經(jīng)濟(jì)、簡捷的航路。 同時，執(zhí)行區(qū)域?qū)Ш胶铰窌r，可以實(shí)現(xiàn)航路點(diǎn)的逐點(diǎn)飛行，也可以越點(diǎn)飛行，甚至可以通過大圓航線實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的直飛 ； 同時，在遇到一些特殊情況，如航線上出現(xiàn)的惡劣天氣時 ， 可以很容易選擇新航路點(diǎn)、建立新航線，實(shí)現(xiàn)繞飛 。 因此區(qū)域?qū)Ш降膶?shí)現(xiàn)，不僅是導(dǎo)航方法的進(jìn)步，也是管 制體制的改革 [2]。雖然中國民航新航行系統(tǒng)提出，在 2030 年內(nèi)，導(dǎo)航方面將以單一的衛(wèi)星導(dǎo)航取代傳統(tǒng)的陸基無線電導(dǎo)航，但目前處于過渡期，陸基無線電導(dǎo)航，尤其是航路全向信標(biāo)（ VOR）和測距儀（ DME）導(dǎo)航仍將是航空導(dǎo)航的主要手段?，F(xiàn)在的航線結(jié)構(gòu)中，在繁忙空域，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 VOR/DME 臺覆蓋，利用 VOR 的測角功能和DME 的測距功能，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш?目前我國華東地區(qū)已有 90%以上的通航機(jī)場和航路（航線）導(dǎo)航臺配置和更新了 VOR/DME，使華東地區(qū)航路無線電導(dǎo)航設(shè)備已形成比較完善的體系。從航空器方面來看，精度值是基于導(dǎo)航源誤差、機(jī)載接收誤差、顯示誤差，而對于側(cè)向?qū)Ш皆?，還有飛行技術(shù)誤差（ FTE）。導(dǎo)航精度 主要是由水平方向精度所決定，而水平方向精度是由偏航容差 (XTT) 和沿航容差 (ATT) 所決定。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 隨著上個世紀(jì)七十年代， RNAV技術(shù)在美國的出現(xiàn)，對 RNAV技術(shù)的使用也日益廣泛。RNP/RNAV和衛(wèi)星導(dǎo)航成為 NGATS和 SESAR計(jì)劃研究和實(shí)施中需要率先突破的技術(shù)。這種基于性能的導(dǎo)航整合了區(qū)域?qū)Ш剑?RNAV）和所 4 需導(dǎo)航性能（ RNP）兩個方面，更加注重導(dǎo)航設(shè)備的實(shí)際導(dǎo)航性能力，避免了導(dǎo)航技術(shù)設(shè)備的無限制研究開發(fā)投入和導(dǎo)航設(shè)施過度投資，同時 也可以最大限度的利用現(xiàn)有導(dǎo)航資源（包括機(jī)載和支援設(shè)施）。 1999 年， FAA和 MITRE公司在設(shè)計(jì)費(fèi)城機(jī)場的 RNAV程序時，為了解決設(shè)計(jì)過程中的難題，開發(fā)了 TARGETS（ Terminal Area Route Generation, Evaluation and Traffic Simulation） 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成傳統(tǒng)程序和 RNAV 程序的設(shè)計(jì)與仿真評估。 法國民航學(xué)院與 AERO in SYS公司合作，于 1999年推出了其飛行程序設(shè)計(jì)綜合平臺 —— GeoTITAN，該產(chǎn)品兼容 ICAO和法國民航的飛行程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以完成傳統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)和航圖制作。目前 ， GeoTITAN已經(jīng)廣泛應(yīng)用于法國民航局、法國空軍、德國空軍以及非洲、東南亞等國家。 在佐治亞州，亞特蘭大 /威廉 B178。作為 20xx 年世界上航空器運(yùn)行最繁忙的機(jī)場， KATL機(jī)場從 20xx 年 4月至 5月開始實(shí)施 RNAV SID與 STAR程序。 由此開始， RNP/RNAV 技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速擴(kuò)展。文獻(xiàn)表明國外在區(qū)域?qū)Ш郊跋嚓P(guān)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，覆蓋范圍分析等方面都 5 做了大量 研究工作 。 1NM范圍內(nèi) [3]。除此之外，區(qū)域?qū)Ш竭€拋棄了傳統(tǒng)導(dǎo)航借助航圖來記錄航線的特點(diǎn)，而改采用文本方式即可準(zhǔn)確描述出飛行 航線。 . 1992 年在試驗(yàn)航路對基于 RNAV的飛機(jī)測試， 發(fā)現(xiàn)至少 95 %的偏航容差是分布在 177。 . 在他的文章中描述了在 RNP RNAV規(guī)范下的橫向偏離的概率模型 , 并推導(dǎo)出計(jì)算橫向偏離概率的公式 , 最后給出一個橫向偏離最保守的估計(jì)值。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國 在區(qū)域?qū)Ш降募夹g(shù)應(yīng)用方面已經(jīng)進(jìn)行了以下嘗試： (1)20xx年 2月，天津?yàn)I海國際機(jī)場成功試飛區(qū)域?qū)Ш匠绦颍? (2)20xx年 6月，北京首都國際機(jī)場成功試飛區(qū)域?qū)Ш匠绦颍? (3)20xx年 1月 18日，廣州白云國際機(jī)場進(jìn)近區(qū)域成功試飛區(qū)域?qū)Ш匠绦颍? (4) 西藏自治區(qū)境內(nèi)， 中國民航總局與美國 Naverus公司簽訂協(xié)議，由 Naverus負(fù)責(zé)完成拉薩和林芝機(jī)場的飛行程序設(shè)計(jì)和評估工作。另外， 20xx年 7月 2日 22時 30分，北京終端區(qū)區(qū)域?qū)Ш秸竭M(jìn)入試運(yùn)行。以上機(jī)場的成功試飛，證明了在我國實(shí)施區(qū)域?qū)Ш?， 在技術(shù)上是完全可行的，既為我國實(shí)施區(qū)域?qū)Ш降募夹g(shù)可行性提供了證明，也為區(qū)域?qū)Ш?向全國各機(jī)場進(jìn)一步推廣積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在飛行程序方面劉渡輝 [4]在其碩士論文中介紹了區(qū)域?qū)Ш降幕咎攸c(diǎn)，國內(nèi)外區(qū)域?qū)Ш斤w行程序設(shè)計(jì)和實(shí)施的現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃，指明了區(qū)域?qū)Ш? 6 是未來飛行程序的發(fā)展趨勢。西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院的劉渡輝、帥斌、中國民航飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院的王大海、蘇彬等提出利 用空地一體化的網(wǎng)絡(luò)模擬飛行與管制環(huán)境進(jìn)行仿真的新思路。 在航路導(dǎo)航方面， 針對京滬航路，韓松臣等在總結(jié) Reich模型和相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對未來京滬平行區(qū)域?qū)Ш胶铰返慕ㄗh系統(tǒng)的側(cè)向間隔確定、碰撞風(fēng)險問題及 2種方案下的管制員干預(yù)情況進(jìn)行了分析研究，通過分析肯定了平行航路間隔為的安全性 ；在導(dǎo)航精度研究方面， 隋東等在國際民航組 織的 DME/DME導(dǎo)航精度計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國國情，考慮了 WGS84 坐標(biāo)與 BJ54坐標(biāo)之間的坐標(biāo)誤差，修正了 XTT和 ATT的計(jì)算方法 ， 借助 MapInfo 工具軟件，確定了京滬區(qū)域?qū)Ш狡叫泻铰返?DME/DME 定位有效區(qū)域 ； 左凌等也結(jié)合京滬平行航路所采用的航路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對區(qū)域?qū)Ш骄扰c有效覆蓋范圍進(jìn)行計(jì)算分析，將高精度航空地理信息數(shù)據(jù)與 MapInfo配合使用，分析出沿航路各DME/DME 的有效覆蓋范圍和可實(shí)施區(qū)域?qū)Ш降膮^(qū)域，得出在不增加地面導(dǎo)航設(shè)施的情況下，京滬航路周圍區(qū)域是可以實(shí)施以 DME/DME為導(dǎo)航設(shè)備的方式，航路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為 RNAV/RNP4的平行區(qū)域?qū)Ш胶铰?[6]。中國民航大學(xué)杜實(shí)通過比較各種條件下 VOR 與 RNP 航路保護(hù)區(qū)的導(dǎo)航性能與包容值，從與 RNP 的概念與運(yùn)行規(guī)范的結(jié)合中研究航路保護(hù)空域在 RNP 運(yùn)行中的變化關(guān)系。 目前國內(nèi)關(guān)于區(qū)域?qū)Ш街嘘懟鶎?dǎo)航誤差分析的 研究相對比較少，多數(shù)都在進(jìn)行 GPS的誤差分析。在我國還沒有建成星載系統(tǒng)的情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不應(yīng)作為唯一的導(dǎo)航手段，尤其是不能過分依賴 GPS，應(yīng)該重視發(fā)展自主的陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，因此實(shí)行區(qū)域?qū)Ш绞潜匾摹?RNAV技術(shù)的應(yīng)用，對中國民航未來的導(dǎo)航設(shè)施建設(shè)、航路結(jié)構(gòu)和終端區(qū)運(yùn)行都將產(chǎn)生重大影響。我國將以陸基導(dǎo)航系統(tǒng)為主，逐步實(shí)施并推廣 RNP/RNAV，在航路上，建設(shè)、優(yōu)化陸基航路導(dǎo)航設(shè)施，實(shí)現(xiàn)以 VOR/DME、DME/DME架構(gòu)為基礎(chǔ)的 RNAV5航路運(yùn)行方式；將以 DME/DME為基礎(chǔ)，支持基于陸基導(dǎo)航系統(tǒng)的 RNAV2航路運(yùn)行方式 。北京航空航天大學(xué)在空管委科研課題《我國區(qū)域?qū)Ш綉?yīng)用技術(shù)可行性研究報告》中也提到了關(guān)于 VOR/DME及 DME/DME兩種導(dǎo)航方式的導(dǎo)航精度計(jì)算方法。 論文研究內(nèi)容和方案 在區(qū)域?qū)Ш街校瑢?dǎo)航系統(tǒng) VOR 和 DME 均提供運(yùn)載體的平面導(dǎo)航，因此在本課題中我們可以用誤差橢圓的方法分別對 VOR/DME、 DME/DME 兩種陸基導(dǎo)航方式進(jìn)行實(shí)時誤差估計(jì)。 根據(jù)課題的進(jìn)展與完成情況，將由四章來說明誤差分析及 仿真結(jié)果分析，其結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章 緒論。 第二章 理論基礎(chǔ)。 第三章 對陸基導(dǎo)航組合系統(tǒng)的組合方式及定位原理進(jìn)行闡述，并對 VORDME、DMEDME 兩種組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差進(jìn)行分析。并對區(qū)域?qū)Ш降膶?dǎo)航誤差進(jìn)行研究。 9 第二章 陸基導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理和測量誤差分析 本章系統(tǒng)的闡述了 陸基導(dǎo)航系統(tǒng)中 VOR、 DME 以及 TACAN 的工作原理及誤差分析，為后續(xù)章節(jié)內(nèi)容做鋪墊。目前，陸基導(dǎo)航系統(tǒng)仍然是國際通用的民航導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是 VORDME 系統(tǒng) 在民用航空中使用的尤為普遍，我國民航導(dǎo)航系統(tǒng)主要是VORDME 系統(tǒng)，在此領(lǐng)域有很好的基礎(chǔ)。一個塔康臺相當(dāng)于一個 VORDME 組合臺，能夠在用戶飛行高度已知的條件下完成定位。 陸基導(dǎo)航系統(tǒng)主要有測角和測距兩種定位手段，分別由 VOR 和 DME 兩種導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)， VOR 測量飛機(jī)相對臺站的磁方位角， DME 測量飛機(jī)與地面 DME 臺間的斜距 。 VOR 系統(tǒng)工作原理 ? 原理 VOR 是甚高頻全向信標(biāo) ( very high frequency omni directional range ,VOR)的縮寫，又稱作伏爾系統(tǒng)，由美國從 20 世紀(jì) 20 年的“旋轉(zhuǎn)信標(biāo)”發(fā)展而來， 1946 年作為美國航空標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)， 1949 年被 ICAO 采納為國際標(biāo)準(zhǔn)民用導(dǎo)航系統(tǒng)， VOR 的裝備量在世界范圍內(nèi)呈上升趨勢，早已在國內(nèi)外機(jī)場普遍使用 。 這種系統(tǒng)為飛機(jī)提供相對地面信標(biāo)臺的方位。[7][8]。 10 圖 1 VOR 接收機(jī)原理框圖 VOR 系統(tǒng)可以向飛機(jī)提供導(dǎo)航所需的相對方位信息， VOR 系統(tǒng)的原理是根據(jù)可變相信號與基準(zhǔn)相位信號的相位差來導(dǎo)航。與此同時，導(dǎo)航臺還發(fā)射一個以固定 30Hz參考頻率調(diào)制的全向信號。 在接收端，外來信號經(jīng)放大、調(diào)幅檢波后分成三路：一路經(jīng)副載頻濾波、限幅、鑒頻和 30Hz濾波后輸入比相器，這是固定相位信號；一路經(jīng) 30HZ 濾波直接至比相器，這是可變相位信號；再一路是莫爾斯識別碼和話音輸出。 基準(zhǔn)相位信號的 相位在發(fā)射臺的各個方位上相同；可變相位信號的相位隨發(fā)射臺的徑向方位而變化?？勺兿嗯c基準(zhǔn)相信號同步發(fā)射 ,磁北極兩者相位相差 0176。 ~360176。機(jī)載設(shè)備接收來自地面臺的發(fā)射信號，并測量出這兩個信號的相位差，就可得到飛機(jī)相對地面的磁方位角，再加 180176。 由于兩個信號安排的在地面臺磁北方向上同相，所以接收機(jī)測到的是飛機(jī)相對地面臺的磁方位角。 圖 3 VOR