第十四章 导航系统 中国民航大学 空管学院.

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1 第十四章 导航系统 中国民航大学 空管学院

2 导航的分类 按工作原理可以分为： （1）惯性导航系统－利用陀螺原理给出飞机的空间位置和速度。
（2）无线电导航系统－利用地面无线电台（VOR、NDB）和机载无线电导航设备(ADF)对飞机进行定位和引导。 （3）仪表导航系统－利用ILS提供进近导航 （4）雷达导航系统—利用航管雷达和气象雷达进行导航 （5）卫星导航系统－空间导航卫星确定飞机的位置等信息。 （6）组合导航系统－将以上几种导航系统组合构成的性能更为完善的导航系统。 将航行载体从起点引导到目的地的技术或方法成为导航。 导航的关键在于确定飞机的瞬时位置。 飞行中盯着公路、铁路、河流等线状地标；山峰、灯塔、公路交汇点等点状地标；湖泊、城镇等面状地标。对照航图， （1）地标导航：早期的飞行器在空中飞行仅依靠地标，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。

3 一、惯性导航 1.特点 惯性导航系统是一种远程导航系统。
利用惯性敏感元件测量飞机相对于惯性空间的线运动和角运动参数，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、真/磁航向、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。 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。 优点：（1）完全自主式的导航系统，惯性基准系统仅依靠自身机载的惯性敏感元件，不依赖任何外界信息即可测量导航参数。不需地面设备如导航台的支持，也不受气象条件的限制。 （2）系统校准后短时定位精度高 缺点：（1）存在累积误差，定位误差随时间而不断增加，因此长时间工作后误差大 （2）成本高，由于累积误差的存在，使得陀螺和加速度计的精度要求高，成本增加。

4 2.基本工作原理 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；
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。 即：利用三组加速度计连续地进行测量，而后分别通过两次积分运算获得飞机的即时位置信息。 • ADR 部分(大气数据基准)提供气压高度、空速度、马赫数、迎角、温度、超速警告。 • IR 部分(惯性基准)提供姿态，飞行航迹引导、航迹、 航向、加速度、角速率、地速及飞机位置。

5 3 个相同的ADIRU(大气数据惯性基准组件)。
• ADR 部分(大气数据基准)提供气压高度、空速度、马赫数、迎角、温度、超速警告。 • IR 部分(惯性基准)提供姿态，飞行航迹引导、航迹、 航向、加速度、角速率、地速及飞机位置。

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7 校惯导： 1.IR进入导航方式前先输入飞机当前位置。 2.校惯导 A320 通常用FMC的MCDU输入； 也可以用惯导组件的键盘输入。
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

8 二、无线电导航系统 1.常用无线电导航系统 （1）测距差系统
利用机载无线电导航设备接收和处理无线电波，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。 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，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）。

9 （2）测角系统（θ－θ） ADF（Automatic Direction Finder）—测量地面无线电台（NDB）的相对方位角。
VOR（Very High Frequency Omni directional Range) —测量电台磁方位角或飞机磁方位角

10 （3）测距系统（ρ－ρ） 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）。

11 （4）测角测距系统（ρ－θ） 通过测量飞机的方位和距离定位的无线电测角测距系统。 （1）VOR/DME合装台
（2）VORTAC（VOR and TACAN）

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15 （5）无线电高度表（RA） 测量飞机相对地面的真实高度。（几何高度） 主要用于在进近和着陆过程中，配合近地警告系统（EGPWS）保证飞行安全。 测高范围为0～2500英尺，当飞行高度低于2500ft时无线电高度表开始指示。

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19 三、仪表着陆系统（ILS）俗称盲降系统 （1）功能 （2）组成 为驾驶员提供进近和着陆引导。
航向信标（LOC, localizer） 下滑信标（GS, glide slope） 指点信标（MB, marker beacon） 每个分系统又由地面发射设备和机载设备组成。

20 航向台 （1）作用 产生航向道信号，形成航向道，为飞机提供横向引导。 （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400m～500m，天线面向主降方向。 （3）信号覆盖范围 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10°～35°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）。

21 下滑台 （1）作用 产生下滑道信号，形成下滑道，为飞机提供垂直引导。 （2）安装位置
下滑台的天线安装在跑道入口内的一侧（左侧），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2.5°～3.5°范围内的一个角度，但最佳下滑角为3。 （3）信号覆盖范围 在跑道中心线两侧各8°的扇区内，在0.3θ～1.75θ（0.9°～5.25°）的范围内，下滑台信号的有效距离至少为19km（10nm）

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23 LOC GS

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26 指点信标 （1）作用 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，当飞机通过指点标上空时，飞机内的接收显示设备即发出灯光和音响信号，使飞行员知道自己所处位置。 （2）安装位置 指点信标台为2～3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。 内指点信标台距跑道入口75～450m之间；中指点信标台安装在距离跑道入口1050m处；外指信标台距离入口约7.2km。

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28 指点信标

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32 四、ATC雷达系统 （1）功能 通过雷达信标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。
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。

33 （2）一次雷达（反射雷达） 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。 航路监视雷达 是一种远程搜索雷达，其作用距离约为300～500km。 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。

34 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108～144km，高度覆盖在7500m以下。 主要用于机场区的交通管制和导航。 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30～40km。

35 （3）二次雷达 工作原理 由询问机和应答机组成。 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。

36 S模式二次雷达 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。

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39 五、 气象雷达系统 可以探测雷雨、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。

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46 六、卫星导航系统 （1）功能 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。 至少要接收到4颗卫星才能确定飞机的位置 （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） 1．航路导航 有助于有效利用空域，实现最佳的空域规划、空中交通流量管理以及飞行路径管理。 2．进场/着陆——能满足CAT－IIIb的要求。 着陆设备简单、无需地面支持系统，适用于任何机场。理论上可以引导飞机沿任意的一条飞行剖面和进场路径着陆。 3．场面监视和管理 减少起飞和进场滞留时间，监视和调度机场的飞机、车辆和人员，最大效率地利用终端空间和机场，以保证飞行安全 4．航路监视——ADS 机载GPS通过数据链自动报告自己的位置，应用在洋区和内陆边远地区。 5．特殊区域导航，如农业、林业等。 6．飞行试验与测试 ，特种飞机应用、航测等。

47 （2）组成 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，从中提取卫星星历，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。

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50 八 组合导航系统 组合导航就是采用两种或两种以上的导航设备组合起来的导航系统。组合后的导航系统，可以充分发挥各系统的优点，互相取长补短，信息综合利用，从而扩大了使用范围，提高了导航精度。 组合导航系统具有较强的容错能力和余度导航能力，增加了导航系统的可靠性。 组合导航的方式很多，目前多以惯性导航系统为主，辅之以无线电导航系统，如VOR/DME/惯性导航系统等。还有GPS/INS，组合卫星定位系统（GPS/GLONASS）

51 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？