陸基導航設備:研究意義,研究現狀,系統工作原理,VOR原理,DME原理,系統誤差,

陸基導航設備是民航空管部門的重要工具，是民航組織與實施飛行，進行安全生產和經營管理的基礎系統。導航的最基本任務是獲得導航參數，從而確定航行體的位置。

陸基導航系統定位精度比較差，但其信號發射功率大,不易受干擾，數據更新率較高等衛星導航系統所不具備的優點。目前，陸基導航系統仍然是國際通用的民航導航系統，特別是VOR-DME系統在民用航空中使用的尤為普遍，我國民航導航系統主要是VOR-DME系統，在此領域有很好的基礎。塔康導航系統是一種組合陸基導航手段，同時也是我軍未來主要的發展方向。一個塔康台相當於一個VOR-DME組合台，能夠在用戶飛行高度已知的條件下完成定位。塔康信標台主要配置在野戰機場、臨時航路點及機場較密集地區導航點，可同時為空中100架飛機提供導航方位信息、距離信息和識別信息。

陸基導航系統主要有測角和測距兩種定位手段，分別由VOR和DME兩種導航系統來實現，VOR測量飛機相對台站的磁方位角，DME測量飛機與地面DME台間的斜距。單一的陸基導航台站無法實現對飛行器的定位，但通過VOR-DME組合或DME-DME組合的方式共同觀測可以實現飛行器的定位。

基本介紹

中文名：陸基導航設備
外文名：Ground-based navigation equipment
定位手段：測角和測距
常見導航系統：VOR和DME
套用：飛機導航
基本任務：獲得導航參數，確定航行體的位置

研究意義,研究現狀,系統工作原理,VOR原理,DME原理,系統誤差,

研究意義

陸基導航設備是民航空管部門的重要工具，是民航組織與實施飛行，進行安全生產和經營管理的基礎系統。導航的最基本任務是獲得導航參數，從而確定航行體的位置。作用距離是導航台性能的重要指標之一，為了發揮陸基導航系統的最大性能，達到實施有效導航的目的，以最少的導航設備獲得最佳的覆蓋非常關鍵。

陸基導航設備輻射信號的作用距離發生不同程度的變化，將會影響其信號的覆蓋範圍，造成航路上飛機信號的丟失，極大地威脅到民航飛機運行的安全性問題。導航設備的實際最大作用距離受使用條件的影響，如天線增益、發射機發射功率、接收機頻寬、接收機噪聲係數等。影響實際作用距離的外界因素是非常複雜的，如天氣影響、地形地物遮蔽對信號探測距離的影響等等。

目前通用航空導航主要依靠全球定位系統(GPS)滿足要求，的多樣性，而中國還沒有自主控制的完善全球衛星系統，但由於GPS的完好性有時難以且航空導航必須保持導航手段所以對於通用航空陸基導航系統同樣十分重要。

在保證飛行安全的前提下，如果現有的陸基導航設備能夠充分利用到通用航空導航中，就可以控制投資規模減少不必要的開支。根據研究結果，可以為通用航空空管保障系統的建設提供理論依據。

傳統的航路結構是基於地面導航設施限定的各個固定航路點連線而成的，航空器依靠地面導航台的無線電信號做向台背台飛行。這極大限制了航路選擇，同時也造成因飛機航行時間增加而帶來的高成本高污染，如何在實現的可行空域內設計新型有效的導航方式成為民航業重點研究的對象。

研究現狀

到目前為止，有關陸基導航設備的研究都是針對於高度在7000m以上的運輸航空，有關其在終端區使用RNAV -1的區域導航方式很少有具體的研究。

美國目前在通用航空導航方面使用GPS結合航位推算和慣導的方式。這種導航方式在精度和完好性上比單獨的GPS導航方式有了較大的改進。在航位推算導航和慣性導航出現之前，美國通用航空是以GPS結合陸基導航系統為通用飛行器進行導航服務的。

1988年5月，國際民航組織提出了新航行系統(FANS，又常稱CNS/ATM)的概念。在CNS/ATM中，新導航系統的成分之一為“逐步引進區域導航(RNAV)能力，並使其符合所需導航性能(RNP ) 。隨後，在世界範圍內展開了對RNAV的理論、技術與實施的研究。美國在區域導航航路以及機場程式設計方面已做了很多工作。美國許多機場都能提供基於GPS的RNAV程式;出台了一系列有關RNP的規章標準;基於GPS的RNAV/RNP程式是美國飛行程式的發展方向;FAA將在20年內完全過渡到RNP程式。

歐洲從1998年4月起部分實行JAATGL-2標準的B-RNAV航路區域導航。2002年歐洲航行安全組織(EUROCONTROL)確立P-RNAV終端區區域導航目標。目前，歐洲一些樞紐機場開始提供RNAV進、離場程式，如巴黎、法蘭克福等;英國希斯羅機場目前也在進行這方面的試驗;根據EUROCONTROL的計畫時間表，到2010年，歐盟地區所有終端區的進近程式都將強制性地使用RNAV/RNP。

2001年7月，中國民航正式啟動了區域導航進近、離場程式的設計和試驗工作。2003年2月，天津濱海國際機場成功試飛區域導航程式;2009年7月，北京終端區區域導航正式進入試運行;2010年4月，廣州終端區實行區域導航程式;2010年9月，珠海終端區區域導航正式進入運行;西藏自治區境內，拉薩貢嘎機場至林芝機場間已實施區域導航。

系統工作原理

VOR原理

VOR是甚高頻全向信標( very high frequency omni directional range ,VOR)的縮寫，又稱作伏爾系統，由美國從20世紀20年的“旋轉信標”發展而來，1946年作為美國航空標準導航系統，1949年被ICAO採納為國際標準民用導航系統，VOR的裝備量在世界範圍內呈上升趨勢，早已在國內外機場普遍使用。它是一種近程的無線電相位測角系統，由地面發射台和機載接收設備組成，地面台發射信號，記載設備只接收信號，為飛機提供相對於地面台的磁北方位角。這種系統為飛機提供相對地面信標台的方位。工作頻率為108-117.95MHz，作用距離數百公里，測角精度優於1.4°。伏爾導航系統的缺點是發射電波受視線限制和測向精度受場地影響較大。

VOR系統可以向飛機提供導航所需的相對方位信息，VOR系統的原理是根據可變相信號與基準相位信號的相位差來導航。導航台發射以30轉/秒旋轉的心臟線方向圖，在機載接收機輸出端產生30Hz的正弦波，其相位隨飛機相對導航台的位置而變化，成為可變相位信號。與此同時，導航台還發射一個以固定30Hz參考頻率調製的全向信號。在機載接收機輸出端又得到一個不變相位的30Hz正弦波，成為基準相位信號。在接收端，外來信號經放大、調幅檢波後分成三路：一路經副載頻濾波、限幅、鑒頻和30Hz濾波後輸入比相器，這是固定相位信號；一路經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。比相器對兩個相位信號比相，得出飛機對伏爾地面台的磁方位角。基準相位信號的相位在發射台的各個方位上相同；可變相位信號的相位隨發射台的徑向方位而變化。飛機磁方位決定於基準相位信號與可變相位信號之間的相位差。可變相與基準相信號同步發射,磁北極兩者相位相差0°，隨著飛行器相對於地面台水平面方位的不同，兩者的相位差從0°~360°變化。機載設備接收來自地面台的發射信號，並測量出這兩個信號的相位差，就可得到飛機相對地面的磁方位角，再加180°就是方位角。由於兩個信號安排的在地面台磁北方向上同相，所以接收機測到的是飛機相對地面台的磁方位角。

測量的基本原理是測量地面台發射的基準相位30Hz信號和可變相位30Hz信號的相位差,接收台的徑向方位變化正比於這兩個30Hz信號的相位差變化，提取二者的相位差是VOR系統信號處理的關鍵所在。

DME原理

DME(Distance Measurement Equipment)直譯為距離測量設備或測距器，用於測量載體到某固定點的直線距離，由於採用詢問—應答的工作方式來測量距離，也稱為應答/測距系統。1959年，成為ICAO批准的標準測距系統。它由機載DME機（也是詢問器）和地面DME台（應答器）組成，形成極坐標近程定位導航系統。DME的工作波段為962~1213MHz，每隔1MHz安排一個工作頻段，機載DME詢問器的載頻安排在1025~1150MHz範圍內，共有126個詢問頻率；地面應答器的載波頻率安排在962~1213MHz範圍內，共有252個應答頻率。按ICAO的規定，DME的系統精度為±370m（95%）。

由於電磁波具有恆速直線傳播的特點，因此距離的測量可以通過測定電磁波發射點到接收點的傳播時間來確定。在飛機導航中，詢問器通常安裝在載體上，應答器安裝在地面固定點，即DME台站。其基本工作原理為：機載設備發出成對的詢問脈衝，地面台應答器接收到之後，經過一定的時延（一般為50µs）發出成對應答脈衝。應答信號被機載設備接收到後，將發出詢問和收到應答信號之間所經過的時間減去地面台的時延，便可算出飛機和地面台的距離。DME記載設備和地面台之所以發射的都是脈衝對，是為了減少由其他脈衝系統所造成的干擾。

無線電導航測距系統的位置線是一個圓周，它由地面導航台等距的圓球位置面與飛機所在高度的地心球面相交而成。利用測距系統可引導飛機在航空港作等待飛行，或由兩條圓位置線的交點確定飛機的位置。定位的雙值性（有兩個交點）可用第三條圓位置線來消除。測距系統可以是脈衝式的、相位式的或頻率式的。

系統誤差

VOR-DME的測量誤差按其性質可分為系統誤差和隨機誤差兩類。對於VOR-DME來說，系統誤差指的是由於系統各部分性能原因對測距或測角產生的誤差。系統誤差可在校準時補償掉，但實際上很難補償，故一般給出允許的系統誤差範圍。隨機誤差指由於某種偶然因素引起的誤差，又稱偶然誤差，隨機誤差一般不能補償。

對於DME系統，由於大氣層分布不均勻，而且其參數諸如密度、濕度、溫度等均隨時間、地點而隨機變化，導致電磁波在大氣中的傳播速率不是常值，而是一個隨機變數。

而且由於大氣的氣壓、溫度、濕度以及介電常數實際上是隨高度而變化的，因此電磁波傳播速率隨高度增大而變快，使電磁波傳播軌跡向下傾斜，而發生折射。這兩種因素都會引起測距誤差。此外由於測距系統內部原因，會產生測量誤差。需要注意的是，測距系統的測距誤差，會隨著距離的增大而增大，在實際套用中應加以考慮。

對於VOR系統來說，也會因為台站及接收機等系統原因，加上電磁波在大氣中的傳播誤差等原因造成測角誤差。

根據對上述對誤差來源的分析，可以歸納為兩類，一是隨機誤差，具有短的相關時間，可將其模型建立為白噪聲。二是系統誤差，具有長的相關時間，而且系統誤差不能被完全補償掉，所以可將其模型建立為隨機偏置。這兩類誤差分量的均值事實上都等於零。

VOR、DME除了都受台站標校和接收機性能影響外還各有不同的特點，總體來說VOR誤差隨距離而線性增加，能夠連續提供角度信息，對反射多路徑比較敏感；而DME誤差與距離無關，因而在10nm以外其精度要比VOR高，但不能提供連續的斜距信息，存在飽和現象。

陸基導航設備