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如何確定飛機在空中的飛行位置?

在早期的導航概念中,並沒有定位這壹說。飛行員或導航員僅通過觀察諸如公路、鐵路、河流、山峰、城鎮或湖泊等地標來確定飛機的方位。簡單的NDB或VOR只是飛機定向的壹種手段。直到20世紀80年代DME加入無線電導航,定向才向前邁進了壹步。目前,以GPS為代表的衛星導航系統是實現精確定位的主要導航方式,得到了廣泛的應用。

導航類型主要分為慣性導航和無線電導航。

慣性導航是指安裝在飛機上的慣性參考系統(IRS)。它主要由三個加速度計和三個陀螺儀組成。加速度計用於測量飛機的三個平移加速度,並指示局部垂直方向。陀螺儀用於測量飛機三個旋轉運動的角位移,指示地球自轉軸的方向。計算機將測得的加速度積分兩次來計算飛機的位置。以A320飛機為例,它有三個慣性參考系,所以它把三個慣性參考系的位置提供給飛行管理計算機(FMC),飛行管理計算機根據這三個位置計算出壹個加權平均值,稱為“混合慣性導航”(MIIRS)位置。

無線電導航是指通過測量無線電波從發射站到接收站的傳播時間或相位和相角來進行定向定位。地面雷達定位也是無線電導航的壹種方式。現在無線電導航壹般分為陸基導航和衛星導航。

陸基導航依賴於站之間的相對位置,從壹個站到另壹個站,例如從NDB到NDB或從VOR到VOR或NDB和VOR之間。基於衛星的導航依賴於壹系列路點的精確位置。它的主要特征是任意點的坐標。它使用的導航設施有:DME-DME、VOR-DME、GPS、GLONASS等。舉個簡單的例子,從東山(KN)到嵊縣(JF)再到安東(和)回港時,我們在目前的飛行計劃中只使用這些點的地理坐標,而不使用它們的頻率。所以我們認為這是衛星導航的方式。但是如果GPS不可用或者飛行管理計算機出現問題,我們就需要利用這些航線導航設施的特定頻率飛向平臺或者後臺,從而達到進場的目的。這時候我們使用的是陸基導航的方式,也就是傳統的無線電導航方式。可見,並不是要使用陸基導航設備或者陸基導航。這並不是說基於衛星的導航只使用GNSS(全球衛星導航系統)。現階段的區域導航,還是離不開這些航線導航設施。或許在未來的新導航系統中,會完全拋棄現有的航線導航設施,實現點與點之間的直接對話。

我們通常所說的無線電定位,是指機載接收機將接收到的信號傳輸到飛行管理計算機,通過測距定位(DME-DME)或測距測向(DME-VOR)來確定位置。其工作原理是飛機起飛後,與飛行管理計算機相關的機載無線電導航系統開始工作。自動調諧地理位置最佳的兩個DME站(兩站與飛機的夾角大於30度小於150度),然後結合距離與導航數據庫中各站的經緯度以及從其他渠道獲得的飛行高度等其他信息,計算出飛機的無線電位置。當DME接收器不能接收到兩個合格的地面DME站信號時,機載無線電導航系統將在同壹位置選擇DME/VOR。在盲進近過程中,使用LOC光束的橫向位置(DME/DME-LOC或VOR/DME-LOC)將被LOC(航向信標)更新。

全球衛星導航系統(GNSS)是衛星導航系統的核心。主要包括美國國防部掌握的GPS,前蘇聯在80年代建造的現在由俄羅斯航天局管理的GLONASS,西歐的歐洲航天局正在建造的NAVSAT系統。GPS是目前應用最廣泛的衛星導航系統,但在航空應用中受到技術和政策的幹擾。在NAVSAT系統投入使用之前,用戶沒有自主選擇的空間,所以仍然使用INS/GPS的組合,這是目前最重要也是最常用的導航方式。所以我們平時說的GPS定位其實就是GPIRS,也就是INS/GPS的混合定位。每個慣性參考系統都有壹個與GPS混合的位置,飛行管理計算機根據其質量等級和偏好選擇其中壹個。

綜上可見,單純的NDB和VOR是無法定位的,那麽飛機的位置,慣導位置,無線電位置,GPIRS位置,到底是哪個呢?FMC(本文不涉及FMC向其他飛機系統提供其他類型數據的作用,僅考慮其在坐標和位置方面的計算)綜合考慮各定位設備的精度和完整性,選擇最精確的位置。從這個意義上說,飛機的位置就是FM的位置。如果GPS數據有效且合格,則GPS/慣性是基本導航模式。否則,使用無線電導航站加慣性導航或僅使用慣性導航,即FMGS(飛行管理制導系統,以A320為例,它包括兩臺飛行管理制導計算機FMGC、兩臺多功能控制顯示模塊MCDU、1飛行控制模塊FCU和兩臺飛行增穩計算機FAC)使用GPS或在GPS不工作時使用無線電導航站更新FM位置。優先順序是:IRS-GPS,IRS-DME/DME,IRS-VOR/DME,只使用IRS。飛行初始化時,每個FMGC(飛行管理制導計算機,我們通常稱FMC為其管理部分而不提其制導部分)顯示壹個FM位置,這是壹個GPIRS;起飛時,FM位置更新到數據庫中存儲的跑道入口位置;在飛行中,FM位置接近無線電位置或GPS位置,其接近率取決於飛機的高度。FMGC壹直在計算從混合慣性導航位置到無線電位置或GPS位置的向量偏差。如果無線電位置或GPS位置可用,每個FMGC不斷更新該偏差。因此,飛機的位置不是簡單的慣性導航位置、無線電位置或GPS位置。這與飛機的航行方式和飛機所處的不同階段有關。當然,所有的位置都是針對WGS-84坐標系的。內地用北京54坐標系的時候,可能會有壹些偏差,因為GPS也用WGS-84坐標系,這裏就不細說了。

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