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飛機導航系統 版權信息
- ISBN：9787030728395
- 條形碼：9787030728395 ; 978-7-03-072839-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
飛機導航系統 內容簡介
本書以機載導航系統的發展為主線，系統介紹了儀表導航、無線電導航系統、慣性導航系統、衛星導航系統和飛行管理計算機系統的工作原理、系統組成及工作過程，分析了各種不同導航系統的誤差及設備性能，剖析了民機導航從相對定位到區域導航，從所需導航性能以及基于性能的導航過程中導航理念的變化。本書可作為高等院校航空電子及相關專業的本科生、研究生的教材或參考書，也可供從事航空維修、空中交通管制、航空導航設備研發等相關科研、工程技術人員閱讀及參考。
飛機導航系統 目錄
目錄
第1章 緒論 001
1.1 儀表飛行的歷史 001
1.2 導航及導航分類 001
1.3 導航技術的發展 004
1.4 導航基礎知識 007
1.4.1 地球的形狀 007
1.4.2 導航坐標系及導航基礎 009
1.4.3 導航參數 014
第2章 儀表導航 016
2.1 大氣數據儀表 016
2.1.1 氣壓測高系統 017
2.1.2 氣壓測速系統 024
2.1.3 大氣數據系統 032
2.2 陀螺儀表 051
2.2.1 陀螺力學基礎 052
2.2.2 三自由度陀螺特性 056
2.2.3 姿態測量儀表 061
2.2.4 航向測量儀表 071
2.2.5 二自由度陀螺 095
2.2.6 角速度測量儀表 096
第3章 無線電導航系統 105
3.1 無線電測角系統 106
3.1.1 自動定向機系統 108
3.1.2 甚高頻全向信標系統 125
3.1.3 儀表著陸系統 140
3.2 無線電測距系統 161
3.2.1 測距機系統 161
3.2.2 低高度無線電高度表系統 181
第4章 區域導航及所需導航性能 195
4.1 區域導航 195
4.2 基于陸基導航臺的區域導航 198
4.2.1 位置線 198
4.2.2 DME/DME定位原理 200
4.2.3 DME/VOR導航原理 203
4.3 所需導航性能 205
4.3.1 RNP性能指標 206
4.3.2 不同航段的RNP要求 210
4.3.3 RNP值的計算 211
4.4 基于性能的導航 213
4.4.1 導航設施 215
4.4.2 導航規范 215
4.4.3 導航應用 218
4.5 PBN的實施步驟 218
4.5.1 確定需求 218
4.5.2 選擇適用的ICAO導航規范 219
4.5.3 規劃與實施 219
第5章 慣性導航系統 221
5.1 慣性導航基本原理 221
5.2 慣導平臺 223
5.2.1 單軸陀螺穩定平臺 223
5.2.2 雙軸陀螺穩定平臺 227
5.2.3 三軸陀螺穩定平臺 231
5.3 慣導傳感器 239
5.3.1 加速度計 239
5.3.2 慣導用陀螺儀 243
5.4 平臺式慣導系統 255
5.4.1 指北方位慣導系統 256
5.4.2 自由方位慣導系統 264
5.4.3 游動方位慣導系統 266
5.4.4 平臺式慣導系統的初始校準 271
5.5 捷聯式慣導系統 276
5.5.1 捷聯式慣導系統基本原理 276
5.5.2 捷聯式慣導系統初始校準 282
5.6 大氣數據慣性基準系統 283
5.6.1 大氣數據慣性基準系統的組成 284
5.6.2 慣性基準的工作方式 288
5.6.3 ADIRS的輸入輸出 294
5.6.4 ADIRS數據的顯示 296
5.6.5 ADIRS的維護測試 299
5.7 慣性導航系統的精度估計 302
第6章 衛星導航系統 304
6.1 GPS導航定位原理 306
6.1.1 GPS組成 307
6.1.2 GPS的時空基準 312
6.2 衛星運動規律及軌道參數 315
6.2.1 開普勒運動定律 15
6.2.2 衛星的無攝軌道參數 317
6.2.3 衛星攝動軌道及修正參數 319
6.2.4 衛星位置計算 321
6.3 GPS衛星信號組成 324
6.3.1 衛星導航電文 325
6.3.2 偽隨機序列碼 328
6.3.3 GPS信號調制 337
6.4 GPS接收機原理 339
6.4.1 天線 341
6.4.2 信號接收處理單元 341
6.4.3 導航解算原理 349
6.4.4 接收機自主完好性監視 360
6.5 衛星導航系統的誤差 363
6.5.1 與衛星有關的誤差 364
6.5.2 與傳播路徑有關的誤差 366
6.5.3 與接收設備有關的誤差 369
6.6 差分GPS 369
6.6.1 DGPS實現方法 371
6.6.2 多基準站差分 379
6.7 機載GPS接收機系統 380
6.7.1 天線 380
6.7.2 GPS接收機 381
6.7.3 GPS導航信號顯示 384
6.8 GPS接收機的精度 385
6.9 全球導航衛星系統 386
6.9.1 星基增強系統 387
6.9.2 陸基增強系統 418
6.9.3 機載增強系統 434
第7章 飛行管理計算機系統 438
7.1 FMS系統簡介 438
7.2 FMCS功能與實現 441
7.2.1 飛行計劃的制定與修改 441
7.2.2 飛行軌跡預測 442
7.2.3 導航管理與計算 457
7.2.4 性能管理與優化 466
7.2.5 制導與控制 468
7.2.6 數據鏈和打印功能 468
7.2.7 BITE/故障監視 470
7.2.8 顯示控制功能 471
7.3 飛行管理計算機系統部件 472
7.3.1 飛行管理計算機 472
7.3.2 控制顯示組件 476
7.3.3 FMCF備份原則及信號關系 484
參考文獻 487
第1章 緒論 001
1.1 儀表飛行的歷史 001
1.2 導航及導航分類 001
1.3 導航技術的發展 004
1.4 導航基礎知識 007
1.4.1 地球的形狀 007
1.4.2 導航坐標系及導航基礎 009
1.4.3 導航參數 014
第2章 儀表導航 016
2.1 大氣數據儀表 016
2.1.1 氣壓測高系統 017
2.1.2 氣壓測速系統 024
2.1.3 大氣數據系統 032
2.2 陀螺儀表 051
2.2.1 陀螺力學基礎 052
2.2.2 三自由度陀螺特性 056
2.2.3 姿態測量儀表 061
2.2.4 航向測量儀表 071
2.2.5 二自由度陀螺 095
2.2.6 角速度測量儀表 096
第3章 無線電導航系統 105
3.1 無線電測角系統 106
3.1.1 自動定向機系統 108
3.1.2 甚高頻全向信標系統 125
3.1.3 儀表著陸系統 140
3.2 無線電測距系統 161
3.2.1 測距機系統 161
3.2.2 低高度無線電高度表系統 181
第4章 區域導航及所需導航性能 195
4.1 區域導航 195
4.2 基于陸基導航臺的區域導航 198
4.2.1 位置線 198
4.2.2 DME/DME定位原理 200
4.2.3 DME/VOR導航原理 203
4.3 所需導航性能 205
4.3.1 RNP性能指標 206
4.3.2 不同航段的RNP要求 210
4.3.3 RNP值的計算 211
4.4 基于性能的導航 213
4.4.1 導航設施 215
4.4.2 導航規范 215
4.4.3 導航應用 218
4.5 PBN的實施步驟 218
4.5.1 確定需求 218
4.5.2 選擇適用的ICAO導航規范 219
4.5.3 規劃與實施 219
第5章 慣性導航系統 221
5.1 慣性導航基本原理 221
5.2 慣導平臺 223
5.2.1 單軸陀螺穩定平臺 223
5.2.2 雙軸陀螺穩定平臺 227
5.2.3 三軸陀螺穩定平臺 231
5.3 慣導傳感器 239
5.3.1 加速度計 239
5.3.2 慣導用陀螺儀 243
5.4 平臺式慣導系統 255
5.4.1 指北方位慣導系統 256
5.4.2 自由方位慣導系統 264
5.4.3 游動方位慣導系統 266
5.4.4 平臺式慣導系統的初始校準 271
5.5 捷聯式慣導系統 276
5.5.1 捷聯式慣導系統基本原理 276
5.5.2 捷聯式慣導系統初始校準 282
5.6 大氣數據慣性基準系統 283
5.6.1 大氣數據慣性基準系統的組成 284
5.6.2 慣性基準的工作方式 288
5.6.3 ADIRS的輸入輸出 294
5.6.4 ADIRS數據的顯示 296
5.6.5 ADIRS的維護測試 299
5.7 慣性導航系統的精度估計 302
第6章 衛星導航系統 304
6.1 GPS導航定位原理 306
6.1.1 GPS組成 307
6.1.2 GPS的時空基準 312
6.2 衛星運動規律及軌道參數 315
6.2.1 開普勒運動定律 15
6.2.2 衛星的無攝軌道參數 317
6.2.3 衛星攝動軌道及修正參數 319
6.2.4 衛星位置計算 321
6.3 GPS衛星信號組成 324
6.3.1 衛星導航電文 325
6.3.2 偽隨機序列碼 328
6.3.3 GPS信號調制 337
6.4 GPS接收機原理 339
6.4.1 天線 341
6.4.2 信號接收處理單元 341
6.4.3 導航解算原理 349
6.4.4 接收機自主完好性監視 360
6.5 衛星導航系統的誤差 363
6.5.1 與衛星有關的誤差 364
6.5.2 與傳播路徑有關的誤差 366
6.5.3 與接收設備有關的誤差 369
6.6 差分GPS 369
6.6.1 DGPS實現方法 371
6.6.2 多基準站差分 379
6.7 機載GPS接收機系統 380
6.7.1 天線 380
6.7.2 GPS接收機 381
6.7.3 GPS導航信號顯示 384
6.8 GPS接收機的精度 385
6.9 全球導航衛星系統 386
6.9.1 星基增強系統 387
6.9.2 陸基增強系統 418
6.9.3 機載增強系統 434
第7章 飛行管理計算機系統 438
7.1 FMS系統簡介 438
7.2 FMCS功能與實現 441
7.2.1 飛行計劃的制定與修改 441
7.2.2 飛行軌跡預測 442
7.2.3 導航管理與計算 457
7.2.4 性能管理與優化 466
7.2.5 制導與控制 468
7.2.6 數據鏈和打印功能 468
7.2.7 BITE/故障監視 470
7.2.8 顯示控制功能 471
7.3 飛行管理計算機系統部件 472
7.3.1 飛行管理計算機 472
7.3.2 控制顯示組件 476
7.3.3 FMCF備份原則及信號關系 484
參考文獻 487
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飛機導航系統 節選
第1章緒論 航空的發展起源于19世紀，從*初的無動力滑翔器到后來的萊特兄弟**次人工操縱動力飛行器實現飛機的起飛、飛行、著陸，人類航空的歷史逐步走向絢麗。 1.1儀表飛行的歷史 20世紀20年代初，飛機導航主要靠目視導航。飛行嚴重受制于天氣，需要起飛機場、航路及著陸機場全程都必須有晴好天氣，才能飛行。但對于遠距離飛行而言，要一直具備晴好適飛的天氣顯然是一件很困難的事情，遠距離飛行由此受到了極大的限制。苦于這種局限，美國軍方于1925年開始研究盲飛（blind flight，又稱儀表飛行）。 要實現“盲飛”，至少需要滿足三個條件：首先，需要有足夠精度的高度表以防止飛行員在能見度低時撞地或撞山；其次，需要為飛行員提供人工水平面，以幫助他們確定飛機姿態并能夠區分天地；*后，需要為飛行員提供在沒有地標和星體指引的情況下仍舊能夠確定自己的位置并駕駛飛機飛行的導航手段。同時，在著陸階段，需要飛行員能夠在看不到跑道的情況下著陸。1925年，無線電波被應用到飛機的著陸引導中。 1929年9月24日，從紐約長島的米切爾機場機庫推出了一架沃特海盜海軍戰斗機，兩個年輕的海軍上尉利用這架前后雙座飛機進行了“盲飛”試驗。前座飛行員（Benjamin Kelsey）可以透過駕駛艙看到外部情況，作為飛機飛行的安全保障駕駛員，后座駕駛員（Jimmy Doolittle）坐在用帆布遮擋的駕駛艙中操縱飛機。這架配備了地平儀、航向陀螺及無線電接收機的飛機，在人們關注的目光中起飛，飛行了15英里后安全著陸，整個飛行完全由后座駕駛員操縱完成，實現了人類航空史上**次儀表飛行測試，開創了導航技術在飛機上的應用。 1.2導航及導航分類 現代航空電子系統日益復雜，要深入了解導航技術及導航系統，首先必須明確與航空電子系統設計密切相關的兩個基本概念：功能與系統。所謂功能，指的是需要完成的相關功能性要求，它通常利用動詞來進行定義，與動作密切相關，如：控制飛機按計劃飛行，確定飛機所在位置等。而系統則是指利用一定的技術手段（機械的、電子的、電氣的、液壓的等）來實現相應功能的部件的組合。不同的飛機，其功能要求通常是相同或相近的，但實現技術、系統組成卻可能千差萬別。導航作為一種功能，實時確定飛機的位置或速度等信息，從而實現對飛機飛行的引導，而導航系統則是指利用各種不同的技術來實現導航功能的不同部件的組合。 對于民用飛機來說，它的主要功能就是按照飛行計劃，在空管人員的指揮及協助下，將乘客或貨物安全送達目的地。為實現該功能，現代大型商用飛機通常利用通信和監視系統實現飛機與空管之間的通信協調功能，飛機對危險環境（氣象、其他飛機、地形等）的躲避功能，以確保飛行的安全；利用導航、儀表、飛行管理和飛行控制系統實現飛行計劃的制定、導航參數的確定及制導功能，完成飛機的可控飛行。如圖11所示，圖中可以看出，導航系統是飛機飛行控制的關鍵組成部分，缺少了導航系統，飛機就失去了雙眼。 機載電子系統的架構通常是由飛機制造商（如波音公司、空客公司）決定，制造商可將功能劃分為若干子功能，各子功能用不同的系統、組件來實現。為保證信息的準確、可靠，機載電子系統通常利用冗余的方法，通過熱備份、互通信、判決器等手段來確保功能的正常實現。因此，飛機上的導航系統通常會多組件、多系統并存。圖12為電子設備艙內航空電子設備的布局圖，其中導航設備主要位于設備航架*上邊的兩排。 實現不同功能的機載電子系統通常來自各個部件制造商（如霍尼韋爾、羅克韋爾柯林斯公司等），飛機制造商通常只規定部件的功能與技術指標。因此，不同部件制造商生產的相同或相似功能的部件會采用不同的實現技術。 飛行中，機載導航系統和飛行控制系統配合來實現飛機的軌跡控制（制導，guidance）和姿態控制（操縱，piloting），該控制的閉環回路如圖13所示。 制導是一個長周期過程，需要將飛機從起飛機場引導到目的地機場。在這個過程中，飛行控制系統需要獲取的基本信息包括：飛行計劃、飛機的實時位置、航向、高度及高度變化率、地速等，只有獲取了上述信息，才能實現對飛機軌跡的有效控制。而操縱則是一個短周期過程，它要實現對飛機姿態的控制。在這個過程中，飛行控制系統需要獲得的基本參數包括飛機的姿態、航向、空速、馬赫數、高度及高度變化率等。所有上述參數都需要導航系統提供，它是飛機姿態及軌跡控制所必需的一個復雜、龐大的傳感器系統。 作為飛行控制的傳感器系統，導航系統所需要完成的功能包括但不限于：提供飛機的姿態、航向、速度、高度、相對位置、絕對位置及相關信息的可靠程度。而要實現這些功能，人們采取了各種不同的導航手段，發明了各種導航系統。這包括可提供飛機高度、空速、姿態、航向、相對方位的傳統導航手段（典型的傳統導航系統包括大氣數據儀表、陀螺儀表、各種無線電導航系統）；可提供絕對位置信息的區域導航系統（如衛星導航系統、慣性導航系統、基于多無線電導航信號的區域導航DME/DME、DME/VOR）等；可提供絕對位置及導航精度、完好性監視的基于性能的導航（如全球衛星導航系統、組合導航等）。其中，基于性能的導航不僅提供飛機的導航參數，還同時監控導航性能的變化，并在必要時向飛行員發送提醒信息。 由此可見，導航功能是利用一定的工具（無線電波或傳感器），通過特定的手段或計算方法，來確定載體的位置、速度、航向及姿態等參數。完成導航功能的導航系統復雜多樣，提供的導航參數各不相同，實現手段也迥然不同。根據實現原理的不同，導航系統通常有以下幾類。 （1）儀表導航。飛機上*簡單的導航設備就是導航儀表，如地平儀、羅盤、高度表、空速表等。它們通常利用特定的手段獨立測量飛機的一些導航參數，如姿態角、航向角、空速、高度等，供飛行員操縱飛機使用。 （2）無線電導航。無線電導航系統利用無線電技術來測量飛機的導航參數，這類系統較多，它們的基本功能包括測高、測向、測速、測距和定位等。 （3）天文導航。天文導航*早是由航海導航需求發展而來，其基本原理是利用光學儀器（如六分儀）人工觀測星體的高度角或自動跟蹤星體，進而確定航行體的位置，一般不用于航空導航。 （4）衛星導航。衛星導航屬于可實現載體絕對定位的無線電導航技術。它利用人造地球衛星（簡稱導航衛星）來實現導航定位。導航衛星被嚴格控制在預定軌道上，利用接收設備測量載體與衛星之間的距離，并利用衛星的位置計算載體的位置、速度等導航參數。 （5）慣性導航。慣性導航利用慣性敏感元件測量載體相對慣性空間的線運動和角運動參數，根據運動初始條件，由計算機推算出載體的姿態、方位、速度和位置等參數。 （6）組合導航。上述幾種導航方法各有優缺點。為了提高定位精度和性能，往往將上述兩種或兩種以上的導航系統結合在一起形成組合導航系統，以取得更佳導航性能。 按照是否需要借助外部信號來實現導航功能，導航系統又可以分為自主式導航和非自主式導航。自主式導航不需要借助外部導航臺的信號，只需要自身的傳感器及設備就可以實現導航功能，如慣性導航系統、無線電高度表；而非自主式導航系統則需要借助外部導航臺的信號才能實現導航參數的確定，如大部分的無線電導航系統、衛星導航等。 根據作用距離的遠近，導航系統還可以分為遠程導航系統和近程導航系統。 1.3導航技術的發展 早期飛機的導航主要靠目視導航，但由于大部分地區（尤其是平原、山區）夜間沒有明顯的地標，因此，早期的飛機通過地面點起的篝火來引導飛機夜航，后來利用燈塔來實現夜間導航。20世紀20年代，很多需要設置導航臺的地方沒有電，只能用柴油發電機為燈塔導航臺供電。為了盡可能擴大導航范圍，*早的地面燈塔導航臺通常設置在山頂上，需要用騾子將發電機及燈塔等設備馱上山。這就出現了當時戲劇性的一幕：飛機這種*先進的交通工具卻需要人扛畜馱這種*原始的交通手段來為它提供導航信息。 *早的無線電導航是利用地面無方向信標（non directional beacon，NDB）臺實現的，這是一種歸航信標，猶如夜晚的燈塔，為飛機提供航向引導。 第二次世界大戰期間，飛機著陸引導的需求推動了甚高頻全向信標（VHF omnidirectional range， VOR）的發展。1946年，VOR系統成為美國的標準導航設備，1949年，國際民航組織（International Civil Aviation Organization， ICAO）將其采納為標準近程無線電導航設備，由此在國際上得到廣泛認同。直至今天，VOR依舊是一種非常重要的無線電導航手段。 測距機（distance measurement equipment， DME）是非自主的脈沖式測距系統，其起源要追溯到第二次世界大戰期間英國研制的Rebecca Eureka系統。1959年，DME獲得ICAO批準，成為標準測距系統。近年來，DME的使用在世界范圍內呈上升趨勢。 為更精確地引導飛機著陸，出現了由甚高頻頻段的航向信標（localizer LOC）、指點信標（marker beacon， MB）及位于UHF頻段的下滑信標（G/S）共同構成的儀表著陸系統（instrument landing system， ILS）。1947年，ICAO確認將VOR和ILS作為航路、進近及著陸輔助系統。 1852年，法國科學家傅科用高速旋轉的剛體制成了**個陀螺儀，發現了陀螺效應，并在實驗室中演示了地球的自轉現象。20世紀初出現了用作航向基準的陀螺羅經，利用舒勒調諧原理，人們研制了用于航海的對加速度不敏感的定向儀。20世紀20年代產生了用于飛機的轉彎儀、地平儀和方向陀螺。 20世紀上半葉，人們發現利用加速度計和陀螺可以構成一個完整的慣性導航系統（inertial navigation system， INS），但當時的陀螺和加速度計的精度還無法滿足INS的要求。20世紀50年代初，出現了平臺式慣導系統，1949年的出版物首次出現了捷聯慣導的概念。隨著慣性傳感器技術的迅猛發展，其精度與穩定性不斷提高，慣性導航系統在軍事和民用方面得到了廣泛應用。高精度慣性傳感器的出現和計算機技術的發展，促進了捷聯慣導系統的發展，并大量用于飛機和導彈的導航。 引起航空界導航革命性變革的是20世紀90年代的全球衛星導航系統（Global Positioning System， GPS），它利用衛星提供的信息來確定用戶的位置及速度，實現了全天候、全球范圍內的精確導航，改變了飛機從起飛到進近著陸整個過程的導航方式，提供了全飛行時段的精確導航。 慣性導航和衛星導航的使用改變了傳統的導航儀表、單一無線電導航相對定位的方式，將導航方法轉變為直接給出飛機地理位置的絕對導航方式。這些導航方式的改變，以及航空公司節省燃油、縮短航線等方面的需求促使了“區域導航”概念的出現。20世紀80年代，ICAO提出新航行系統（future air navigation system， FANS）的概念，其中一項重要的技術就是區域導航。ICAO在國際民航公約附件10中對區域導航的定義是：區域導航（area navigation， RNAV）是一種導航方法，它允許飛機在臺基導航設備的信號覆蓋范圍內或在自主導航設備能力限度內或兩者的配合下按任何希望的飛行路徑運行。其中，臺基導航設備包括傳統的以地面導航臺為基礎的陸基導航設備和以衛星為基礎的星基導航設備；區域導航不僅是一種導航方法，同時也涉及航路結構和空域環境，區域導航將飛行計劃管理、導航功能及部分制導功能結合到一起，可以實現飛機航路以及空域使用的優化。滿足上述功能的區域導航計算機與性能管理計算機融合，就形成今天功能強大的飛行管理計算機。 所需導航性能（required navigational performance， RNP）概念的提出，從
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