《导航系统》PPT课件.ppt

中国民航大学空管学院,第十五章 导航系统,一、概述,（1）地标导航：早期的飞行器在空中飞行仅依靠显著地标，确定飞机位置、航向和距离，引导飞机飞行的领航方法。（2）导航仪表：随着飞行速度和高度的不段增大，飞机上开始装有测量导航参数的仪表，导航计算有专门的人员负责（领航员）。（3）导航系统：随着无线电技术、卫星技术、计算机技术的发展，各式各样的电子设备为飞行器提供精确的导航信息，由计算机完成导航计算，由驾驶员完成对飞行的控制。,导航的发展过程,导航系统的分类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。,导航分为终端区和航路导航,导航分为终端区和航路导航终端区导航(精密进近和非精密进近)包括（1）NDB/DME无方向性信标台/测距仪（2）VOR/DME甚高频全向信标台/测距仪（3）ILS 仪表着陆系统(精密进近)航路导航分为近程导航和远程导航航路导航设备：导航台（航路点）定位点 报告点NDB,VOR/DME,INS/IRS（惯性导航系统/惯性基准系统）GPS（全球卫星定位系统）,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，并将这些信息传送给飞行仪表系统、飞行管理系统和自动飞行系统。而实现的远程自主式导航方法。,1.基本工作原理,惯性导航系统是一种自主式导航系统，依靠机载设备完成导航任务，不受气象条件的限制。满足AWO全天候运行,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。,惯性导航系统根据牛顿定律，利用一组加速度计连续地进行测量，而后从中提取运动载体相对某一选定的导航坐标系的加速度信息；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,惯性基准系统IRS是现代飞机必备的、自主式的机载电子系统。IRS提供飞机姿态、航向和飞机当前位置信息。IRS=IRU+MSU+ISDU+DAA惯性基准组件IRU包括激光陀螺（3个）、加速度计（3个）和计算机。IRS中所有元件在飞机上固定安装与飞机结构成为一体，该系统称为捷联式惯性系统。三个激光陀螺测量绕飞机各轴的旋转角速度，计算机利用测量角速度值计算出飞机的俯仰和倾斜姿态。三个加速度计测量沿飞机各轴的运动加速度，计算机对合成加速度进行一次积分得到地速，再对速度进行积分，得到飞机飞行的距离。,3.惯性基准系统（IRS）,在IRU的计算机存储器中，存有地球上所有位置的磁差，可以计算出磁航向。在整个飞行期间，利用加速度信号对飞机现时位置进行更新，飞机的现时位置数据还用于飞行管理系统的横向导航（L-NAV）。惯性基准系统的计算必须有一个初始点，因此飞机在地面接通电源时，必须通过控制显示组件（CDU）输入当地的经度、纬度作为初始点，从而使IRU进入校准阶段。只有校准结束，惯性基准系统才能进行正常的计算。,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。,校准惯导：1.IRS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。2.校准惯导校准期间飞机必须保持静止。正常校准：10分钟快速校准：30秒,A320,（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（Omega Navigation System）奥米伽导航系统（2）测角系统（）ADF（Automatic Direction Finder）VOR（Very High Frequency Omni directional Range)（3）测距系统（）DME（Distance Measuring Equipment)（4）测角测距系统（）VOR/DME，VORTAC（VOR and TACAN）（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；（他备式导航系统）易发生故障。,ONS（Omega Navigation System）：奥米伽导航系统，利用无线电磁波测量飞机与两个地面台之间的距离差，确定飞机位置线（双曲线）。,（1）测距差系统,测距差：测量各个导航台信号的相位差（两个导航台双曲线位置线的交点）,ADF（Automatic Direction Finder）自动定向系统测量地面无线电台（NDB）的来波方向，即测量相对方位角RB。,（2）测角系统（）,VOR（Very High Frequency Omni directional Range)甚高频全向信标接收机 地面无线电台在360度范围内向外发射具有方向性的电磁波信号，机载接收设备利用接收到的电磁波信号确定飞机方位角QDR（位于该VOR台的哪条径向线上）。,DME（Distance Measuring Equipment)测距仪（机），通过无线电磁波测量飞机与地面DME台之间的距离（斜距）。,（3）测距系统（）,精密进近着陆系统，能在复杂气象条件（恶劣气象条件或能见度差）为航空器进近提供航向引导和垂直引导，确保飞机安全进近和着陆。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-终端区导航,（2）组成,航向信标（LOC,localizer），横向引导下滑信标（G/S,glide slope），垂直引导指点信标（MB,marker beacon），距离信息每个分系统又由地面发射设备和机载设备组成。,产生航向道信号，形成航向道，为飞机提供横向引导。,（1）作用,航向台LOC(水平引导),（2）安装位置,航向台天线一般安装在跑道末端的中心线延长线上，一般距离跑道末端约400m500m，天线面向主降方向。,跑道中心线左右10以内的扇区，达到46km（25nm），最小距离不少于33km（18nm）；左右1035以内的扇区，达到31km（17nm），最小距离不少于19km（10nm）；左右35以外的扇区，达到19km（10nm）。,（3）信号覆盖范围,航向台,航向台的基本工作原理,航向台发射频率为108.10111.95MHz，左波瓣用90Hz调制，右波瓣用150Hz调制，发射机发射的信号通过方向性天线阵（航向天线阵）向空间辐射出两个波瓣，其交汇处对准跑道中心线。当飞机下降在跑道中心线上时，航向道接收机接收到的两个调制信号的幅度相同，驱动航向偏差指针指示在中间。如果飞机位于跑道中心线的左侧，则航向接收机中接收到的左波瓣90Hz的信号幅度大，航向偏差指针向右偏，说明跑道中心线在飞机的右边。,产生下滑道信号，形成下滑道，为飞机提供垂直引导。,（1）作用,下滑台G/S(垂直引导）,（2）安装位置,下滑台的天线安装在跑道入口内的一侧（左侧）侧方台，一般距离入口250m前后，与跑道中心线的横向距离为150m左右。下滑道的下降角度可以为2.53.5范围内的一个角度，但最佳下滑角为3。,在跑道中心线两侧各8的扇区内，在0.95.25的范围内，下滑台信号的有效距离至少为19km（10nm）。,（3）信号覆盖范围,下滑台的基本工作原理,下滑台发射频率为329.15335.00MHz，上波瓣用90Hz调制，下波瓣用150Hz调制，两个波瓣的交界处形成2.5-3的下滑道。当飞机飞在下滑道中心线上时，下滑道接收机接收到的两个调制信号的幅度相同，驱动下滑偏差指针指示在中间。如果飞机位于下滑道的下面，则下滑接收机中接收到的下波瓣150Hz的信号幅度大，下滑偏差指针向上偏，说明下滑道在飞机的上方。,下滑台,A320,航向道和下滑道在PFD上的显示,飞机偏低，低于正常下滑道，在正常LOC航向道上,A320,A320,（3）指点信标,提供距离引导，向飞行员提示到跑道入口的距离。指点标机向上空发射一束锥形波束，当飞机通过指点标信标台上空时，飞机内的接收显示设备即发出灯光和音响信号（视觉和听觉信号），使飞行员知道自己所处位置。,（1）作用,指点信标,（2）安装位置,指点信标台为23个，装在着陆方向的跑道中心线延长线的一定距离上，分别称为内、中、外指点信标。内指点信标台IM距离跑道入口75450m之间；中指点标MM安装在距离跑道入口1050m处；外指信标台OM距离入口约7.2km(4NM)。,我国现在内信标台已经不再使用了，所有信标机的发射频率都是75MHz。,OM外信标机 蓝色灯亮 400Hz识别声音MM中信标机 琥珀色灯亮 1300Hz的音调IM内信标机 白色灯亮 3000Hz的音调声,指点信标,A320,ATC空中交通管制调间隔:调速(地速)、调高度按照管制范围不同，ATC分为：机场管制、进近管制、区域管制按照管制手段不同，ATC分为：程序管制、雷达管制ATC应答机,3.ATC雷达系统,（1）一次雷达（反射雷达）PSR,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。,航路监视雷达,是一种远程搜索雷达，其作用距离约为300500km。主要用于监视连接各机场之间的航路上和航路外的飞行活动情况，为管制部门随时提供在其管辖范围内的飞机活动情况。航路监视雷达一般供区域管制之用。,按使用的区域不同，一次雷达可分为航路监视雷达、机场监视雷达和精密进近雷达。,精密进近雷达,精密进近雷达又称着陆雷达，提供着陆飞机的方位、仰角和距离。地面指挥人员据此可判断飞机与预定着陆航线的偏离量，向飞行员发出修正指令，使飞机沿预定的着陆航线下滑。在一般气象条件下，探测距离约3040km。,机场监视雷达,是一种近程搜索雷达，又称终端监视雷达。作用距离在108144km，高度覆盖在7500m以下。主要用于机场区的交通管制和导航。,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）SSR,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,什么是机载应答机？,空中交通管制ATC应答机(ATC Transponder)ATC应答机功用:ATC应答机与地面二次雷达配合,用于向地面管制中心报告飞机的识别码和气压高度,并可用于确定飞机的平面位置。,一次雷达和二次雷达的区别,一次雷达：发现目标（知道飞机存在）飞机距离、方向、位置；二次雷达能发现目标并识别目标。一次雷达不需要机载ATC应答机，二次雷达需要与机载应答机配合使用。一、二次雷达的天线装在一起同步旋转并向同一方向发射,应答机工作模式,应答机工作模式：A/C模式、S模式。1.应答机工作在A模式,回答信号中没有高度信息。2.应答机工作在C模式,则回答信号中包括有高度信息。3.S模式ATC应答机有飞机的地址码以对飞机进行识别，询问器可以利用数据脉冲进行选址询问。传统的AC模式询问时，处在询问波束范围内的飞机都会做出应答，若两架以上飞机很近时，他们的应答脉冲就会交织在一起，从而加大了脉冲处理的难度。二次雷达s模式选择询问方式，消除了其他飞机应答的回答信号交织的现象，同时降低了询问的频率，有效的减少了异步干扰。s模式的二次雷达不仅具有更好的监视能力，还提供地空数据通信能力。,S模式的优点：（1）有选择地询问，防止信号范围内的所有飞机同时应答所引起的系统饱和、混淆发生；（2）一机一码，防止询问信号串扰其他飞机；（3）为ATC服务提供数据链能力，为VHF话音通信提供备份；（4）实现对飞机状态的跟踪监视；（5）使用单脉冲技术有效地改善了角度分辨能力，提高了方位数据的精度。,S模式二次雷达(S-SSR),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,气象雷达的工作原理,机载气象雷达系统（WXR）用于在飞行中实时地探测飞机前方航路上的危险气象区域，以选择安全的航路，保障飞行的舒适和安全。气象雷达系统包括收发机和天线；收发机用来发射脉冲和接收回波并对回波进行分析。气象雷达利用回波原理工作的，向飞机前方180的范围内发射脉冲，在这一区域的湿性目标（水滴）将脉冲发射回来，气象雷达对回波进行分析，并将其分析结果显示在ND上显示，不同强度的信号用不同的颜色显示。,气象雷达的作用,气象雷达只能探测到空气中的水汽含量，不能探测晴空颠簸CAT、乱流，不规则的空气运动，扰动气流，局部升降涡旋等不规则气流。,红色：严重雷雨区黄色：中等雷雨区绿色：弱雷雨区,A320,气象雷达天线组件安装在机头的整流罩内。,A320,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,包括：空间段、用户段、地面站,用户段用于接收来自卫星的导航信号，从中提取卫星信息，测距后结合其他数据解算用户位置、速度、时间，完成导航定位。,（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（Global Positioning System）全球定位系统（美国）（2）GLONASS（Global Orbit Navigation Satellite System）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,北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。按照“三步走”的发展战略，北斗卫星导航系统将于年前具备亚太地区区域服务能力，年左右建成由余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的、覆盖全球的大型航天系统。,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“ONE HUNDRED”“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。,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“CLIMB CLIMB”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“TRAFFIC TRAFFIC”,（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，“TRAFFIC TRAFFIC”,（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“CLIMB CLIMB”，“DESCEND DESCEND”,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。2.校惯导校准期间飞机必须保持静止。正常校准：10分钟快速校准：30秒,A320,A320,A320,A320,A320,A320,A320,本章重点,1.导航的定义2.航向的定义，航向的种类3.航线、航路、航迹的定义4.惯性导航系统的组成和工作原理是什么？5.惯性导航系统的特点是什么？6.NDB导航系统是如何工作的，它测量的是什么参数？7.VOR导航系统是如何工作的，它测量的是什么参数？8.ILS系统是如何引导飞机着陆的？9.一次、二次雷达的区别是什么？10.GPS导航的特点是什么？,