陆基导航技术研究

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1、. . . . 陆基导航技术研究目 录第一章绪论11.1课题背景和意义11.2国外研究现状31.2.1 国外研究现状31.2.2 国研究现状51.3论文研究容和方案7第二章陆基导航系统工作原理和测量误差分析92.1 陆基导航系统工作原理92.1.1 VOR系统工作原理92.1.2 DME系统工作原理122.1.3 TACAN系统工作原理152.2 陆基导航系统误差特性分析与误差建模182.2.1VOR导航系统误差特性分析与误差建模192.2.2 DME测距系统误差特性分析与误差建模242.2.3陆基导航系统误差实测结果262.3 本章小结28第三章陆基导航组合系统定位误差分析293.1 陆基导

2、航系统的组合方式与定位原理293.1.1 DME-DME组合方式293.1.2 VOR-DME组合方式293.2 VOR、DME组合系统定位误差分析303.2.1 VOR-DME 定位误差分析303.2.2 DME-DME定位误差分析323.2.3 基于误差椭球的误差分析363.3 本章小结41第四章区域导航技术研究424.1 区域导航概述424.1.1 RNAV概述424.1.2 区域导航对导航的精度要求434.1.3 区域导航的特点434.1.4 区域导航的优势与效益444.2 RNP概述454.2.1 RNP概念454.2.2航路RNP464.2.3终端精密RNP484.3 PBN概述4

3、94.3.1 PBN概念494.3.2 PBN分类504.3.3 作用与优势514.4 区域导航中的误差分析514.4.1 导航系统误差514.4.2 显示系统误差524.4.3飞行技术误差524.4.4基于陆基系统的区域导航误差分析554.5 本章小结58总结与展望59参考文献61致6358 / 60第一章 绪论导航定位技术是现代科学技术中一门重要的技术学科，在航天、航空、航海和测量以与其他许多领域都有广泛的应用。人类自古以来就开展了对导航与定位技术的研究，从中国古老的指南针到地磁定向，从天文导航到无线电导航，以与本世纪六、七十年代兴起的卫星导航，无不浸透着人类智慧的结晶。在航空与航天技术飞

4、速发展的今天，导航系统的精度已经成为评价现代航空(航天)器性能的重要参数之一。随着科学技术的发展，特别是现代化战争的需要，对导航定位的精度和可靠性都提出了更高的要求。本章对所选课题的来源、背景与实际的意义做了相关介绍，同时概述了区域导航技术研究的国外现状，最后介绍了论文的主要容。1.1课题背景和意义随着全球航空运输业的飞速发展，空通流量急剧增加，空域拥挤和飞行延误情况日益严重，基于传统运行方式的航路结构难以满足航班量增加的要求，航路和终端区空通拥堵的现象时有发生,保证航空安全的压力也越来越大。单一的陆基导航系统难以满足新一代国家空通管理系统对导航系统在精度、完好性、连续性和可用性等方面的要求。

5、空通管制部门着力采用先进的科技手段，提高空域容量，为了保持航路顺畅，保证飞行安全，减少延误与协助提高航空公司运行效率。国际民航组织（ICAO）早在1991年就确立了新航行系统（FANS）和区域导航（RNAV）的概念，在这个概念的影响下，全球航空运输发生了巨大变化。目前，在全世界围，民用航空导航普遍采用的是陆基导航系统，我国民航仍以传统的陆基导航方式为主，使用传统导航方式，要求飞机沿着已经建立起来的航线，从航路点到航路点进行飞行，在着陆阶段，要求有引导和着陆的导航系统。其中所使用的无线电导航系统和设备主要有：罗兰（LORAN）系统、自动测向器（ADF）、甚高频全向信标（VOR）、测距器（DME）

6、、塔康（TACAN）系统、仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统（MLS）、精密进近雷达（PAR）等。传统的无线电导航是利用机载接收机接收地面导航台信号，通过向台、背台飞行实现飞机逐台导航。其航路与飞行程序设计受地面导航台布局与设备种类限制。随着空通流量的日益加大，沿地面导航台设计的常规航路已经日趋饱和，流量控制导致的飞行延误日益增加。机载设备性能与自动化程度的提高，为提出 RNAV概念并得以应用提供了必要条件。RNAV允许飞机在相关导航设施的信号覆盖围，或在机载自主导航设备能力限度，或在两者配合下沿所需的航路飞行。该导航方式允许航空器不飞经某些导航设施，这就摆脱了沿常规航路逐台飞行的束缚，提高

7、了空域的利用率1。RNP/RNAV(Required navigation performance/Area navigation 所需导航/区域导航)作为一种新的导航概念，是利用飞机自身机载导航设备和全球定位系统（GPS）引导飞机起降的新技术，是目前航空发达国家竞先研究的新课题和国际民航界公认的未来导航发展趋势。RNP 是建立在RNAV 基础上的精密导航系统，飞机在一个确定的航路、空域或区域运行时，所需的导航性能精度，要求飞机在 95%的飞行时间，机载导航系统应使飞机保持在限定的空域飞行。RNP 技术进一步降低了飞行的天气标准，可以增加可用航线的选择围，很好地避开了恶劣气象条件的航线；RNP

8、 技术大大降低了地形对飞行的影响，使飞机能够在山谷中按照 RNP 程序飞行；RNP 技术大大降低了燃油成本和机场雷达设备成本；RNP 技术可以增加最大起飞和着陆重量，降低决断高度和下滑梯度，提高飞行正常率。区域导航(英文简称RNAV)是一种导航方法，允许飞机在台基导航设备的基准台覆盖围或在自主导航设备能力限制或两者配合下按任何希望的飞行路径运行。随着VOR/DME成功地运用于导航和机载计算设备，出现了RNAV概念并得以初步应用。区域导航设备包括传统的以地面电台为基础的陆基导航设备和卫星导航系统为基础的星基导航设备，是通过下列一种或几种的组合来进行区域导航的：VOR/DME,DME/DME，LO

9、RAN，GPS或GNSS，甚低频波束导航系统，INS或IRS。区域导航（RNAV）的定义强调区域导航“是一种导航方法”，它可以使航空器在导航信号覆盖围之，或在机载自备导航设备的工作围，或二者的组合，沿任意期望的航路飞行，即RNAV设备通过自动确定航空器位置、建立期望的飞行航迹以与向下一个航路点飞行提供航迹引导来运作。这是强调实施区域导航必须掌握飞机实时的经纬度坐标，即区域导航依靠飞机的绝对位置导航。实际上，区域导航不仅是一种导航方法，对航路结构和空域结构也有影响。现在航线主要是以无线电导航台为基础的，其起点、转弯点、终点都选定为导航台；航空器只能逐台飞行。而RNAV航线脱离了导航台台址的限制，

10、便于建立更为经济、简捷的航路。而实施区域导航后，航路点的选择具有较大自由，如前所述，可以选择导航台、地标位置点，也可以选择具有精确经纬度的位置点。同时，执行区域导航航路时，可以实现航路点的逐点飞行，也可以越点飞行，甚至可以通过大圆航线实现起点和终点之间的直飞；同时，在遇到一些特殊情况，如航线上出现的恶劣天气时，可以很容易选择新航路点、建立新航线，实现绕飞;在实施流量管理时，建立等待航线也很方便。因此区域导航的实现，不仅是导航方法的进步，也是管制体制的改革2。从航空发达国家采用区域导航技术优化飞行航线与飞行剖面取得的经验中，区域导航系统具备不依赖地基导航设备而在任意两点之间精确飞行的能力，我国也

11、在逐步推行区域导航技术。虽然中国民航新航行系统提出，在20-30年，导航方面将以单一的卫星导航取代传统的陆基无线电导航，但目前处于过渡期，陆基无线电导航，尤其是航路全向信标（VOR）和测距仪（DME）导航仍将是航空导航的主要手段。基于陆基导航的区域导航是在现有导航系统基础上的一种区域导航方法。现在的航线结构中，在繁忙空域，已经实现了VOR/DME台覆盖，利用VOR的测角功能和DME的测距功能，可以实现区域导航目前我东地区已有90%以上的通航机场和航路（航线）导航台配置和更新了VOR/DME，使华东地区航路无线电导航设备已形成比较完善的体系。要描述一个无线电导航系统，必须考虑其精度、可用性、可靠

12、性、覆盖围、信息更新率、多值性、系统容量、完好性和导航信息的维数等几个参数。从航空器方面来看，精度值是基于导航源误差、机载接收误差、显示误差，而对于侧向导航源，还有飞行技术误差（FTE）。陆基导航设备的导航性能主要包括导航精度和导航有效区域。导航精度主要是由水平方向精度所决定，而水平方向精度是由偏航容差(XTT) 和沿航容差 (ATT) 所决定。由于数据缺乏，目前全球的导航设备行业上对于陆基导航设备的定位估计都采用平方和根（RSS）公式来估计系统性能，并不是很精确，对于导航精度就会产生偏差，本文将采用误差椭圆的方法对以VOR/DME、DME/DME两种区域导航方式为主的陆基导航方式进行实时定位

13、误差估计。1.2国外研究现状1.2.1 国外研究现状随着上个世纪七十年代，RNAV技术在美国的出现，对RNAV技术的使用也日益广泛。为有效应对空通流量快速增长的压力，美国和欧洲于2005年分别提出了NGATS计划和SESAR计划，目的是通过新技术应用实现空通管理效能的全面提高。RNP/RNAV和卫星导航成为NGATS和SESAR计划研究和实施中需要率先突破的技术。2007年3月，国际民航组织(ICAO)正式发布了基于性能的导航(PBN)手册，标志着PBN技术应用建设的全面展开。这种基于性能的导航整合了区域导航（RNAV）和所需导航性能（RNP）两个方面，更加注重导航设备的实际导航性能力，避免了

14、导航技术设备的无限制研究开发投入和导航设施过度投资，同时也可以最大限度的利用现有导航资源（包括机载和支援设施）。1996年，世界第一个RNP/RNAV程序在美国阿拉斯加朱诺（Juneau）机场应用，有效的解决了朱诺机场因自然条件恶劣，航班经常因为天气原因不能正常起降而被迫取消的难题。1999年，FAA和MITRE公司在设计费城机场的RNAV程序时，为了解决设计过程中的难题，开发了TARGETS（Terminal Area Route Generation, Evaluation and Traffic Simulation）系统，该系统能够完成传统程序和RNAV程序的设计与仿真评估。与此同时，

15、为了保证陆基RNAV程序的顺利实施，FAA委托美国空通仿真开发完成了专门用于RNAV航路设计和评估的系统RNAV-Pro，该系统可以完成在陆基导航方式下，实施RNAV程序所必须的定位精度分析与模拟。法国民航学院与AERO in SYS公司合作，于1999年推出了其飞行程序设计综合平台GeoTITAN，该产品兼容ICAO和法国民航的飞行程序设计标准，可以完成传统程序的设计和航图制作。2006年7月推出的GeoTITAN V2.8涵盖了RNAV程序的设计功能。目前，GeoTITAN已经广泛应用于法国民航局、法国空军、德国空军以与非洲、东南亚等国家。在2005年达拉斯/沃思堡国际机场（KDFW）实施

16、 RNAV离场，评估证实在KDFW机场实施 RNAV离场程序两个月，运行优势明显增加，这些程序符合消噪程序要求，实现了扇形离场，也就是交替使用分离航路实现连续离场，该运行缩小了航空器间的间隔，增加了离场容量，减少了离场延误。在佐治亚州，亚特兰大 /威廉B哈特斯菲尔德国际机场（KATL）也实施了类似的 RNAV程序，三角（Delta）航空公司是该机场的主要运行商。作为 2005年世界上航空器运行最繁忙的机场，KATL机场从2005年 4月至 5月开始实施 RNAV SID与 STAR程序。目前，大约有85的进离场航空器使用 RNAV程序，未来程序设计的改进将使效益更加明显。由此开始，RNP/RN

17、AV技术在世界围迅速扩展。在国外已有许多关于基于陆基导航的区域导航的研究，如巴塞特在1985年年对联邦航空局的VOR、DME等导航系统的覆盖做过处理，给出了新的目前而言最好的覆盖图表。文献表明国外在区域导航与相关导航系统的导航精度，覆盖围分析等方面都做了大量研究工作。巴克等学者将区域导航与非区域导航航路进行对比飞行实验，证明了区域导航相对于传统导航而言具有更多的优势，首先表现在其飞行路径的任意性，其次传统导航必须依赖导航台来确定航空器的位置，是相对性的，而区域导航则能够以地理坐标来确定航空器的绝对位置，阿麦尔在1992年在试验中发现，至少有95%的偏航容差分布在1NM围3。这说明，区域导航的导

18、航精度远远超过了传统导航，可以使飞行轨迹比传统导航更接近标称航迹。除此之外，区域导航还抛弃了传统导航借助航图来记录航线的特点，而改采用文本方式即可准确描述出飞行航线。Barker .D. R. 等曾通过三个模型对RNAV(区域导航) 航路和非RNAV航路的飞机飞行对比得出RNAV航路与非RNAV 航路相比具有明显的优势。Amai.O. 1992 年在试验航路对基于RNAV的飞机测试， 发现至少95 %的偏航容差是分布在1NM 围。Nagaoka.S. 在他的文章中描述了在RNP - RNAV规下的横向偏离的概率模型, 并推导出计算横向偏离概率的公式, 最后给出一个横向偏离最保守的估计值。 Ba

19、ssett. F. W. 1985 年对FAA (联邦航空局) 的VOR (甚高频全向信标) 、DME (测距仪) 等导航系统的覆盖做了处理, 给出了新的覆盖图表, 虽然他的图表有缺陷, 但在目前FAA中仍是最好的。1.2.2 国研究现状我国在区域导航的技术应用方面已经进行了以下尝试： (1)2003年2月，滨海国际机场成功试飞区域导航程序； (2)2003年6月，首都国际机场成功试飞区域导航程序； (3)2007年1月18日，白云国际机场进近区域成功试飞区域导航程序；(4) 自治区境，中国民航总局与美国Naverus公司签订协议，由Naverus负责完成和林芝机场的飞行程序设计和评估工作。贡

20、嘎机场至林芝机场间已实施区域导航；(5)2003年6月区域导航程序在首都国际机场成功的试飞，验证了新程序的可用性。另外，2009年7月2日22时30分，终端区区域导航正式进入试运行。2009年7月2日晚，终端管制区共有7个航班使用了RNAV离港程序，均飞行路径准确，其最大偏航值不大于1.6公里，满足RNAV运行标准。以上机场的成功试飞，证明了在我国实施区域导航，在技术上是完全可行的，既为我国实施区域导航的技术可行性提供了证明，也为区域导航向全国各机场进一步推广积累了宝贵的经验。国对RNP/RNAV的研究起步较晚，但在地理坐标、导航精度、飞行程序设计等方面的研究也取得一定的进展。在飞行程序方面渡

21、辉4在其硕士论文中介绍了区域导航的基本特点，国外区域导航飞行程序设计和实施的现状与发展规划，指明了区域导航是未来飞行程序的发展趋势。分析了区域导航程序设计标准，重点根据指令区域导航进近设计标准介绍了区域导航程序设计中特有的基本概念、常规标准、超障标准。西南交通大学交通运输学院的渡辉、帅斌、中国民航飞行学院飞行技术学院的王大海、彬等提出利用空地一体化的网络模拟飞行与管制环境进行仿真的新思路。通过大量统计数据分析区域导航程序在减少飞行误差、缩短飞行时间和距离、提高飞行安全性和经济性等方面的效果，提出了航路区域导航程序设计仿真的方法、思路，同时，设计并分析飞的区域导航航路5。在航路导航方面，针对京沪

22、航路，松臣等在总结Reich模型和相关文献基础上，对未来京沪平行区域导航航路的建议系统的侧向间隔确定、碰撞风险问题与2种方案下的管制员干预情况进行了分析研究，通过分析肯定了平行航路间隔为的安全性；在导航精度研究方面，隋东等在国际民航组织的DME/DME导航精度计算方法的基础上，根据我国国情，考虑了WGS-84 坐标与BJ54坐标之间的坐标误差，修正了XTT和ATT的计算方法，借助MapInfo工具软件，确定了京沪区域导航平行航路的DME/DME定位有效区域；左凌等也结合京沪平行航路所采用的航路技术标准对区域导航精度与有效覆盖围进行计算分析，将高精度航空地理信息数据与MapInfo配合使用，分析

23、出沿航路各DME/DME的有效覆盖围和可实施区域导航的区域，得出在不增加地面导航设施的情况下，京沪航路周围区域是可以实施以DME/DME为导航设备的方式，航路技术标准为RNAV/RNP-4的平行区域导航航路6。民航飞行学院飞行技术学院的光兴和方学东提出了一个基于 RNP 优化航线结构的方法，使航线结构与现代导航系统匹配，推导了基于椭球和 WGS-84 地球模型的航线方程。中国民航大学杜实通过比较各种条件下 VOR 与 RNP 航路保护区的导航性能与包容值，从与 RNP 的概念与运行规的结合中研究航路保护空域在 RNP 运行中的变化关系。这些研究为区域导航在我国的实际应用提供了保障与理论基础。目

24、前国关于区域导航中陆基导航误差分析的研究相对比较少，多数都在进行GPS的误差分析。现在，我国广泛采用美国军方的GPS，这有很大风险，尤其是用在军事装备上，一旦国际风云突变，外交关系激化，主权国可采取很多技术措施使我国依赖其GPS来定位的装备全部瘫痪或是丧失工作能力。在我国还没有建成星载系统的情况下，卫星导航系统不应作为唯一的导航手段，尤其是不能过分依赖GPS，应该重视发展自主的陆基无线电导航系统，因此实行区域导航是必要的。随着航空运输的快速增长，中国的主要航路、机场的飞行量增长迅速，机场、航路的拥挤和飞行人员、管制人员的工作负荷显著增加，提高飞行效率和航空设施资源利用率的需求越来越迫切。RNA

25、V技术的应用，对中国民航未来的导航设施建设、航路结构和终端区运行都将产生重大影响。现阶段，考虑到我国现有的导航设施布局和卫星导航应用政策等因素，基于VOR/DME和DME/DME的RNAV是中国目前主要使用的导航方式。我国将以陆基导航系统为主，逐步实施并推广RNP/RNAV，在航路上，建设、优化陆基航路导航设施，实现以VOR/DME、DME/DME架构为基础的RNAV-5航路运行方式；将以DME/DME为基础，支持基于陆基导航系统的RNAV-2航路运行方式。 目前国对区域导航中陆基导航误差估计方面的研究有：航空航天大学的隋东、王炜、左凌在交通运输系统工程与信息上发表名为基于DME/DME的区域

26、导航航路导航性能评估方法，在本文中对京沪区域导航平行航路的DME/DME导航性能进行了分析，在国际民航组织DME/DME导航精度计算方法的基础上，考虑到我国地理坐标系的特点，修正了导航精度计算方法。航空航天大学在空管委科研课题我国区域导航应用技术可行性研究报告中也提到了关于VOR/DME与DME/DME两种导航方式的导航精度计算方法。目前国对于这两种导航方式的导航误差计算主要也是参照ICAO(国际民航组织) 的Doc 8168 的标准,都采用平方和根公式来进行导航误差计算。1.3论文研究容和方案在区域导航中，导航系统VOR和DME均提供运载体的平面导航，因此在本课题中我们可以用误差椭圆的方法分

27、别对VOR/DME、DME/DME两种陆基导航方式进行实时误差估计。研究容包括：分别对两种陆基导航方式VOR-DME、DME-DME系统的测量误差进行分析，然后对其定位误差进行实时误差分析。根据课题的进展与完成情况，将由四章来说明误差分析与仿真结果分析，其结构安排如下：第一章 绪论。本章首先介绍了本课题的来源背景与在实际中的意义，然后介绍了区域导航系统在国外的研究现状，最后概述本文的主要研究容。第二章 理论基础。本章主要介绍了陆基导航中VOR、DME与TACAN系统的工作原理进行了阐述，并对VOR和DME导航系统的测量误差进行分析，为后面进行定位精度分析奠定理论基础。第三章 对陆基导航组合系统

28、的组合方式与定位原理进行阐述，并对VOR-DME、DME-DME两种组合导航系统的定位误差进行分析。第四章 对区域导航的概念进行阐述，并对区域导航中的各种误差进行分析。并对区域导航的导航误差进行研究。最后是工作总结与展望，总结本课题的研究重点，得到的研究成果以与需要继续完善和改进的地方。第二章 陆基导航系统工作原理和测量误差分析本章系统的阐述了陆基导航系统中VOR、DME以与TACAN的工作原理与误差分析，为后续章节容做铺垫。2.1 陆基导航系统工作原理陆基导航系统定位精度比较差，但其信号发射功率大,不易受干扰，数据更新率较高等卫星导航系统所不具备的优点。目前，陆基导航系统仍然是国际通用的民航

29、导航系统，特别是VOR-DME系统在民用航空中使用的尤为普遍，我国民航导航系统主要是VOR-DME系统，在此领域有很好的基础。塔康导航系统是一种组合陆基导航手段，同时也是我军未来主要的发展方向。一个塔康台相当于一个VOR-DME组合台，能够在用户飞行高度已知的条件下完成定位。塔康信标台主要配置在野战机场、临时航路点与机场较密集地区导航点，可同时为空中100架飞机提供导航方位信息、距离信息和识别信息。陆基导航系统主要有测角和测距两种定位手段，分别由VOR和DME两种导航系统来实现，VOR测量飞机相对台站的磁方位角，DME测量飞机与地面DME台间的斜距。单一的陆基导航台站无法实现对飞行器的定位，但

30、通过VOR-DME组合或DME-DME组合的方式共同观测可以实现飞行器的定位。2.1.1 VOR系统工作原理l 原理VOR是甚高频全向信标( very high frequency omni directional range ,VOR)的缩写，又称作伏尔系统，由美国从20世纪20年的“旋转信标”发展而来，1946年作为美国航空标准导航系统，1949年被ICAO采纳为国际标准民用导航系统，VOR的装备量在世界围呈上升趋势，早已在国外机场普遍使用。它是一种近程的无线电相位测角系统，由地面发射台和机载接收设备组成，地面台发射信号，记载设备只接收信号，为飞机提供相对于地面台的磁北方位角。这种系统为飞

31、机提供相对地面信标台的方位。工作频率为108-117.95MHz，作用距离数百公里，测角精度优于1.478。伏尔导航系统的缺点是发射电波受视线限制和测向精度受场地影响较大。图1 VOR接收机原理框图VOR系统可以向飞机提供导航所需的相对方位信息，VOR系统的原理是根据可变相信号与基准相位信号的相位差来导航。导航台发射以30转/秒旋转的心脏线方向图，在机载接收机输出端产生30Hz的正弦波，其相位随飞机相对导航台的位置而变化，成为可变相位信号。与此同时，导航台还发射一个以固定30Hz参考频率调制的全向信号。在机载接收机输出端又得到一个不变相位的30Hz正弦波，成为基准相位信号。在接收端，外来信号经

32、放大、调幅检波后分成三路：一路经副载频滤波、限幅、鉴频和30Hz滤波后输入比相器，这是固定相位信号；一路经30HZ滤波直接至比相器，这是可变相位信号；再一路是莫尔斯识别码和话音输出。比相器对两个相位信号比相，得出飞机对伏尔地面台的磁方位角。基准相位信号的相位在发射台的各个方位上一样；可变相位信号的相位随发射台的径向方位而变化。飞机磁方位决定于基准相位信号与可变相位信号之间的相位差。可变相与基准相信号同步发射,磁北极两者相位相差0，随着飞行器相对于地面台水平面方位的不同，两者的相位差从0360变化。机载设备接收来自地面台的发射信号，并测量出这两个信号的相位差，就可得到飞机相对地面的磁方位角，再加

33、180就是方位角。由于两个信号安排的在地面台磁北方向上同相，所以接收机测到的是飞机相对地面台的磁方位角。图2 伏尔导航系统基准相位信号和可变相位信号的相位关系测量的基本原理是测量地面台发射的基准相位30Hz信号和可变相位30Hz信号的相位差,接收台的径向方位变化正比于这两个30Hz信号的相位差变化，提取二者的相位差是VOR系统信号处理的关键所在。图3 VOR定位原理l 性能与特点伏尔导航系统应用在航路上和终端区。在航路上,它构成航道和航道网的基准,也是仪表飞行时的必要装备。航路上使用的伏尔台的辐射功率为200瓦，作用距离随飞行高度而变化。在小高度上仅30海里，大高度上最远可达200海里。终端区

34、伏尔台用于引导飞机进场,辐射功率50瓦，作用距离25海里以上。终端伏尔台与仪表着陆系统中的航向信标使用一样频段，即108112兆赫。 伏尔导航系统与DME导航系统合装在一起成为极坐标导航方式，既提供方位，又提供距离。DME导航系统与塔康导航系统的测距部分完全一样，伏尔导航系统与塔康导航系统合装在一处，就是伏尔塔克导航系统，属于军用和民用共用系统。伏尔导航系统的计算准确度为3.9(95概率)，实际准确度为4.5（95概率）。伏尔用于监测站监视信号状态。现代伏尔地面系统由遥测遥控站进行管理，机上设备带有视觉告警装置。 伏尔台发射信号存在多径反射干扰的缺点，对选择设台场地有一定要求。多普勒伏尔导航系

35、统对于环境要求有所降低。为了提高伏尔导航系统的准确度，可改用多瓣伏尔导航系统，即精密伏尔导航系统。现代伏尔地面系统正以固态电子器件取代电子管。图4 全向信标和VOR台实物图(右侧为澳大利亚AWA公司VRB-52D DVOR)2.1.2 DME系统工作原理l 组成DME(Distance Measurement Equipment)直译为距离测量设备或测距器，用于测量载体到某固定点的直线距离，由于采用询问应答的工作方式来测量距离，也称为应答/测距系统。1959年，成为ICAO批准的标准测距系统。它由机载DME机（也是询问器）和地面DME台（应答器）组成，形成极坐标近程定位导航系统。DME的工作波

36、段为9621213MHz，每隔1MHz安排一个工作频段，机载DME询问器的载频安排在10251150MHz围，共有126个询问频率；地面应答器的载波频率安排在9621213MHz围，共有252个应答频率。按ICAO的规定，DME的系统精度为370m（95%）78。图5 DME系统工作示意图l 原理由于电磁波具有恒速直线传播的特点，因此距离的测量可以通过测定电磁波发射点到接收点的传播时间来确定。在飞机导航中，询问器通常安装在载体上，应答器安装在地面固定点，即DME台站。其基本工作原理为：机载设备发出成对的询问脉冲，地面台应答器接收到之后，经过一定的时延（一般为50s）发出成对应答脉冲。应答信号被

37、机载设备接收到后，将发出询问和收到应答信号之间所经过的时间减去地面台的时延，便可算出飞机和地面台的距离。DME记载设备和地面台之所以发射的都是脉冲对，是为了减少由其他脉冲系统所造成的干扰。询问器接收到的信号相对于发射信号的延迟时间将为： (2.1)所以，式中C为光速；为信号传播时间；为测量斜距。无线电导航测距系统的位置线是一个圆周，它由地面导航台等距的圆球位置面与飞机所在高度的地心球面相交而成。利用测距系统可引导飞机在航空港作等待飞行，或由两条圆位置线的交点确定飞机的位置。定位的双值性（有两个交点）可用第三条圆位置线来消除。测距系统可以是脉冲式的、相位式的或频率式的。图6 DME定位示意图l

38、性能和特点DME导航系统使用 126个频道，可与伏尔导航系统配对使用。DME导航系统询问和应答脉冲对编码的间隔原来只有12微秒。近年来增加了一种询问脉冲对间隔36微秒，应答脉冲对间隔30微秒的编码。12微秒编码称为X模式，36微秒编码称为Y模式。这样，系统的工作频道已由原来的126个扩展为252个。图7 DME台实物-澳大利亚AWA公司LDB-102询问器发射的脉冲峰值功率为 200瓦至1000瓦。应答器发射的脉冲峰值功率为100瓦至1000瓦，小功率台用于终端，大功率台用于航路。DME导航系统的测距准确度，近距为185米，远距为370米。导航系统测出的飞机至地面台的距离为斜距。如果飞机在地面

39、台的 1海里之外，飞行高度在300米以上,则斜距与地面水平距离的差别可以忽略。DME导航系统发射信号由于多径反射，机上可能遇到假锁定。假锁定产生的距离误差有时可大到几海里。采用多路径波抑制技术后，可消除多径反射影响。DME导航系统与伏尔导航系统同台结合成为VORDME导航系统，属极坐标式导航定位系统，可同时提供飞机对地面台的方位和距离。2.1.3 TACAN系统工作原理塔康（TACAN：Tactical Air Navigation 战术空中导航系统）是战术空中导航的缩写，由于该系统的有效作用距离在近程围且只用于航空导航，所以又称为航空近程导航系统。是由美国海军在1956年发展的，也是世界上第

40、一个为飞机提供方位和距离信息的系统。塔康系统能够直观提供方位、距离指示，并实现单台定位，能够直接导出位置坐标。是现代军用飞机重要的航空电子设备，作为军用标准导航系统，其主要功能是建立航线、归航、空中战术机动和作为位置坐标传感器。l 组成塔康导航系统是一种近程极坐标式无线电导航系统。由地面信标台（地面台）和记载设备组成。地面信标台可架设于机场、航路点或航空母舰上，机载塔康设备安装在飞机上与塔康信标配合工作，其组成原理如图8所示。它与航向系统等交联后能够为350千米-400千米围飞机连续提供飞机相对于地面信标台以磁北为基准的全向方位角和斜距，从而确定飞机所处地理坐标即飞机位置。主要完成导航方式下测

41、量飞机相对于地面信标台的方位和距离，在着陆状态下与地面着陆信标台配合工作，确定至着陆点的距离与预定航向偏差、预定下滑道偏差；在空中会和方式下，确定飞机间距离和飞机相对方向，即飞机间同时测量距离和方位。测向原理与伏尔导航系统相似，测距原理与测距器一样，工作频段为960-1215兆赫。系统测距采用询问应答方式，测角是通过基准脉冲信号和脉冲包络信号之间的相位关系来实现的。当飞机位于塔康地面台不同方位时，其机载塔康设备所接收到的基准信号和脉冲包络信号之间存在着不同的相位关系，经过信号处理就可以确定出飞机相对于塔康地面台的方位角。图8 塔康系统组成原理框图地面台的天线是圆筒形的，是由中心天线阵列和外调制

42、圆筒组成，它在水平方向辐射场形成一个心脏形图，上附有九瓣调制，当它以15Hz匀速旋转时，在它周围空间的任意一点形成一个其振幅变化规律以15Hz为频率的正弦波，这样，将以地面台为中心的周围空间化为一个15Hz正弦波360度的相位空间。由于又叠加了9个波瓣，即相当于将15Hz正弦波360度的相位空间分成9个40度空间，每个40度相位空间相当于一个135Hz正弦波360度的相位空间。这样使得地面台发射的信号又增加15Hz和135Hz可变方位信息。方位测量就是机载设备接收地面台发的方位信号为主，即主、辅基准信号与15Hz和135Hz调制信号，取它们合成包络的相位差而换算出来。从飞机上每秒发射30对、间

43、隔为12微秒的询问脉冲对（成对发射的脉冲），地面台收到询问脉冲对后发射同样间隔的回答脉冲对。在飞机上把收到回答脉冲对的时间与询问脉冲对的时间相比较，得出脉冲电波在空间传播的时间，从而得到飞机到地面台的距离，并加以显示。地面台天线发射电波的方向图呈有 9个波瓣的心脏形，并以900转/分转动。飞机接收到的脉冲信号是调幅形式的，这一调幅包络包括由旋转心脏形方向图产生的15Hz方位信号和由9个波瓣旋转产生的135赫方位信号，这两个信号的相位与地面台相对飞机的空间方位有关。为测定相位需要有基准信号，因此当心脏形方向图转过正向时，发射一组由12个脉冲对组成的基准脉冲信号，当8个波瓣(除去与心脏形最大值重合

44、的那个波瓣)中每一个的最大值转过正向时，还发射一组由6对脉冲组成的辅助基准脉冲信号。比较15Hz方位信号和基准脉冲信号的相位，得到地面台相对飞机的粗略方位，用它来消除精测方位时的多值性。比较 135Hz方位信号和辅助基准脉冲信号的相位即得到地面台相对飞机精确的方位值9。图9 发射天线方向图和调制包络波形图l 定位原理塔位的基础是测距和测角。在国际民航目前采用的标准近程导航中采用两套独立的系统来分别完成。测距利用DME测距系统，它和塔康测距功能的信号体制相类似，设备之间可以兼容；测角采用VOR（或DVOR）系统，其测角方法与伏尔测角功能相类似，但信号体制根本不同，不能兼容。DME和VOR是两个不

45、同频段，不同信号体制，相互独立的单功能系统。而塔康测距、测角则不然，它是在统一的频道和信号体制基础上来实现的。图10 塔位示意图塔康系统距离测量利用二次雷达原理，机载TACAN设备发射询问脉冲，地面台收到询问脉冲后经固定延时再发距离回答脉冲，机上设备取询问脉冲和回答脉冲之间的延时进行计算。其距离测量关系(2.2)其中，C：电波在空间的传播速度T：测量延时时间t0：应答器固定延时R：地面台与飞机之间的斜距如图10所示，是飞机真方位，即塔康地面台所在位置的北向与它到飞机的连线顺时针方向夹角的水平投影。它同飞机上塔康设备测得的无线电方位相差180，飞机真方位 可用下式计算：(2.3)2.2 陆基导航

46、系统误差特性分析与误差建模VOR-DME的测量误差按其性质可分为系统误差和随机误差两类。对于VOR-DME来说，系统误差指的是由于系统各部分性能原因对测距或测角产生的误差。系统误差可在校准时补偿掉，但实际上很难补偿，故一般给出允许的系统误差围。随机误差指由于某种偶然因素引起的误差，又称偶然误差，随机误差一般不能补偿。对于DME系统，由于大气层分布不均匀，而且其参数诸如密度、湿度、温度等均随时间、地点而随机变化，导致电磁波在大气中的传播速率不是常值，而是一个随机变量。而且由于大气的气压、温度、湿度以与介电常数实际上是随高度而变化的，因此电磁波传播速率随高度增大而变快，使电磁波传播轨迹向下倾斜，而

47、发生折射。这两种因素都会引起测距误差。此外由于测距系统部原因，会产生测量误差。需要注意的是，测距系统的测距误差，会随着距离的增大而增大，在实际应用中应加以考虑。对于VOR系统来说，也会因为台站与接收机等系统原因，加上电磁波在大气中的传播误差等原因造成测角误差。根据对上述对误差来源的分析，可以归纳为两类，一是随机误差，具有短的相关时间，可将其模型建立为白噪声。二是系统误差，具有长的相关时间，而且系统误差不能被完全补偿掉，所以可将其模型建立为随机偏置。这两类误差分量的均值事实上都等于零。VOR、DME除了都受台站标校和接收机性能影响外还各有不同的特点，总体来说VOR误差随距离而线性增加，能够连续提

48、供角度信息，对反射多路径比较敏感；而DME误差与距离无关，因而在10nm以外其精度要比VOR高，但不能提供连续的斜距信息，存在饱和现象。2.2.1VOR导航系统误差特性分析与误差建模l VOR最主要的误差源可以分为以下几类： 系统校准误差 台站误差 台站位置与附近地形 传播误差 接收机处理误差最大的误差来自机载设备，但是很难量化。1. 系统校准误差：台站要求，在Flight Inspection Manual中规定：距离台站40nm处径向磁方位误差要求在2.5度以，实际中往往调整为1度（1sigma），整个VOR台站网的均值为0，可以允许正负1度的台站偏差。接收机要求，Federal Air

49、Regulations 规定在飞行测试中相对地理参考的偏差小于6度，在地面检测时小于4度。在实际操作中为0.6左右，机载设备的最大允许误差为2度。2. 台站误差：极化影响：VOR信号要求为水平极化，但存在一定的垂直极化分量，VOR台发射的垂直极化误差会给转弯中的飞机带来误差，飞机作30度倾斜转弯时产生的误差小于2度。参考频率：VOR台的参考频率为60Hz电源线的频率，较大的频率波动也会发生，特别是由主电源向备用电源切换时。不理想的发射机和发射天线：发射机在某种程度上依赖电压和温度的线性变化，当辐射功率从一个天线向另一个天线依次转换时，会引起能量的阶梯跳变，由此产生的寄生调幅产生的30Hz多余频

50、率成分将对接收机带来不利影响。3. 台站位置和地形影响：在VOR覆盖围，固定障碍物对VOR信号的反射.现在使用的VOR台大多为DVOR，这一因素的影响不像以前那么大。4传播误差：美国Ohio大学对传播误差有如下研究结果：降水的影响，在10-15分钟最大偏差达0.2度；其他飞行器的反射，VOR 台附近飞行的飞行器会对远处视线的飞行器带来1度的误差，对在视线近处的飞行器可达3度，大多偏差持续3秒以下。对于DVOR由飞行器反射带来的误差要小的多。5 接收机处理误差：美国Ohio大学研究表明，接收机处理误差是VOR系统误差的主要来源。接收机对VOR 30Hz频率变化的敏感，不同的接收机对1Hz的变化产

51、生的误差在0.6度到3度之间，这种误差通常表现为跳变误差，通过合理设计接收机，这种由频率波动产生的误差可以忽略不计。接收机对信号强度变化的敏感，当信号微弱时将会产生比较明显的影响，表现为短期波动或逐日漂移，这种敏感性可导致1度的误差，依据不同的接收机而别。对多路径的敏感，来自其他飞行器反射带来的误差，不同的接收机相差较大。噪声对微弱信号的干扰，由接收机产生的噪声可带来0.5度的误差。接收机非线性部件也会在接收检测过程种引入误差。由于TACAN在原有心形方向分布图的基础上叠加了九瓣分布，从而降低了接收与处理误差。此外在不同VOR台之间切换时也会产生跳变误差，在相距100nm的两个台站间进行切换可

52、引入1.75nm的误差。l 下面从VOR信号的调制发射、解调接收原理作进一步分析：(1). 系统误差VOR 地面发射机输出等幅载频信号，由天线向空间辐射。天线在水平方向上图形为心脏形，且顺时针以每秒30周的速度旋转。受旋转心脏形方向性图影响，用户所接收的将是被30 Hz 正弦信号调幅的载频信号。30 Hz 的包络相位与用户相对VOR地面台的方位有关。VOR 地面台天线心脏形水平方向性图的方向性函数为Q (H) =1 + KcosH (2.4)其中H为方位角， K 为心脏形方向性图的参数。天线方向性图以F (F = 30 Hz) 的速度旋转。另外，VOR 地面台产生一个与天线旋转同步的频率为F的

53、基准信号，该基准信号对副载频f1(f1=9960 Hz) 调频，其表达式为（2.5）其中为调频指数。然后用调频信号对载波f0 (f0= 108 MHz) 调幅，其表达式为（2.6）其中A0 为调幅系数。经发射机放大输到天线，由旋转天线向空间辐射。受旋转天线心脏形方向性图的影响，用户接收到的将是被频率F调幅的信号，其表达式为（2.7）其中A为飞机在t时刻的方位，A1为旋转天线引起的调幅系数。由伏尔无线电信号上述调制发射机理可以看出，伏尔发射天线的质量、信号调制的调频调幅精度是系统误差的源头。(2) 测量误差正弦波相位比较是VOR工作的基础。空中任一点的合成信号随其方位不同而有所变化，主要体现在解

54、调出的30Hz可变相位与基准相位的相位差变化，如图所示。飞机上的VOR接收机接收到VOR台的信号,经过幅度解调, 取出其包络（2.8）经过两个滤波器：第一个是中心频率为30 Hz滤波器，取出由空间调制所产生的可变相信号 （2.9）第二个是中心频率为9960Hz的滤波器，取出受到副载频调制的调频信号（2.10）再对进行鉴频，得到频率为F的基准信号（2.11）由相位比较器测得方位移相信号S1(t)相对基准信号S0(t) 的相移A，即可确定用户相对VOR台的方位。图11 VOR 信号波形数字VOR方位测量的基本原理是将基准相位30Hz正弦波和可变30Hz 正弦波的相位差用计时器计时。计时器计时时间t

55、和相位差的关系为:（2.12）式中，T为30Hz的周期。该相位差仅表示VOR台的径向方位,需要增加或减少180度才等于VOR方位。在0180度之间的径向方位上，VOR方位等于相位差加180度；而在180360度之间的径向方位上，VOR 方位等于相位差减180度。数字信号处理的基本过程为：对30Hz基准相位信号的零度检测；对30Hz可变相位信号的零度检测；计算2个零度之间的时间间隔。对计时结果进行预处理，去除信号噪声和A/D转换的量化噪声，处理结果转换为VOR角度。对30Hz基准信号和可变信号进行数字全波整流和数字低通滤波，得到信号的直流电平，这个直流电平是用来判断信号是否正常。VOR数字信号处

56、理的软件流程图如图12所示。图12 VOR数字信号处理的软件流程图VOR信号数字处理的关键在于零度的检测,零度的检测影响VOR方位角精度。零度检测与A/D转换器精度、采样频率有关。VOR信号处理采用模拟多路选择器配合A/D转换器完成对基准相位信号和可变相位信号的采样。其采样频率是由VOR方位角分辨率决定的，A/D转换器的位数由信号的幅度和VOR方位角分辨率两者共同决定的。A/ D 转换器的位数n与VOR角度分辨率的关系为：（2.13）式中，Vref为A/D转换器的参考基准电压；A为30Hz基准或可变相位信号的幅度。当a=0.175、A=3V、VREF=5V时，n=8就可以满足要求。理论上，采样

57、频率f和VOR角度分辨率a的关系为:f =360/*T（2.14）式中,T为30Hz的周期。由以上对伏尔测角原理的分析，我们可以得到：无线电信号频率的稳定度和信号幅度的衰减以与相位差监测时的计时精度是产生测量误差的根源1013。（3）VOR误差模型模型框图如图：（2.15）、分别为接收机和台站误差+图13 VOR误差模型一阶马尔科夫过程：VOR误差方程可以表示为：（2.16）为VOR总体误差; 为白噪声.误差模型以状态空间法表示为：（2.17）其中=0.92.2.2DME测距系统误差特性分析与误差建模l DME误差统计特性：DME最显著的误差源有以下几种： 脉冲上升时间和脉冲畸变 固定延迟的标

58、校误差 频率稳定性 接收机处理误差由于定时只依赖于脉冲前沿，所以对由于反射而产生的多路径误差不敏感。l DME误差统计特性：主要的误差源为接收机与DME台站之间的固定延时的波动，将导致偏置误差，主要由器件漂移、温度变化和电源供电波动引起。但这种误差在飞行器使用DME台站期间的变化十分缓慢。而噪声对脉冲的干扰将会产生高频的误差分量。 均方根误差接收机标准偏差：（1） （2.18）DME台站标准差：（1） （2.19）总体均方差：（1） （2.20） DME 误差的期望在台站偏差变化缓慢的前提下台站误差期望如下：（2.21）其中：=0.1nm通常总体期望：（2.22） DME误差方程可以表示为：（

59、2.23）其误差模型以状态空间法表示为：（2.24）其中，为总体误差。（2.25）其中为白噪声。2.2.3陆基导航系统误差实测结果图16与图17为2010年8月17日万州VOR/DME台误差实测结果。实际飞行轨迹如图14所示。其中红色标记表示地面导航台的位置。校验飞机主要采用环绕导航台站与飞越导航台站的两种飞行方式，用以测试VOR与DME的实际工作精度。图14 VOR/DME校验飞行轨迹从测试结果中可以发现，在绕台飞行中，VOR与DME测量精度变化较为平稳。但采取飞跃台站的飞行方式后，VOR与DME误差均有较为明显的变化。这主要是由于飞行器真实位置是根据卫导系统结果得到的，在进行角度-距离变换

60、时，卫导系统误差将被放大。图15 用户相对导航台距离变化图比较图15、图16与图17可以明显看出，每当用户接近导航台时，DME误差均出现明显增长现象，VOR同时出现跳变。这说明目前较为常用的利用GPS作为陆基导航系统校准依据的方法可能带有一定的局限性。图16 DME误差实测结果分析图17 VOR误差实测结果分析2.3 本章小结本章，对陆基导航系统中的VOR、DME、TACAN的工作原理进行了阐述，从理论角度对VOR与DME导航系统的误差特性进行了分析并建立误差模型，利用实测数据进行了分析验证。第三章陆基导航组合系统定位误差分析3.1 陆基导航系统的组合方式与定位原理根据VOR和DME各自的定位

61、原理，可以知道两种导航系统有多种不同的组合方式，常用的有DME-DME组合方式和VOR-DME组合方式。3.1.1 DME-DME组合方式DME-DME组合方式定位是利用双DME系统测出到两个地面台的距离和，根据两条位置线的交点M，就能定出载体的位置，如图14所示。这种方式的优点是具有较高的精度，缺点是这种定位方法存在着多值性，即两个地面导航台的各一条圆位置线所得到的交点位置有两个。其中一个DME台可用于修正另两个DME台的误差，即由第三个台来消除多值性，因此整个系统的精度会较只有两个DME台可用时提高。图14 DME-DME定位原理3.1.2VOR-DME组合方式还有比较一种常用的组合方式为

62、VOR-DME组合方式，即测角-测距定位,它通过测量载体相对VOR台的磁方位角和DME台的斜距来实现定位，完成（）定位1113。定位原理如图15所示：图15 VOR/DME 定位原理图3.2 VOR、DME组合系统定位误差分析3.2.1VOR-DME 定位误差分析l 定位误差计算图16 VOR-DME 定位误差示意图方便起见，将VOR-DME台站的坐标设为原点（0，0），载体的坐标设为（x，y），则估计坐标为。则载体相对于VOR导航台的侧方位角为，载体到DME导航台的斜距为r，则可以得到用户位置：（3.1）对上式进行泰勒级数展开，并取一阶误差项 （3.2）则令，则VOR/DME的定位误差矩阵表达式为： （3.3）即式中若相互独立，其协方差阵为（3.4）定位误差协方差阵为 （3.5）即（3.6）式中从VOR-DME台的定位误差的特点可知，其定位误差主要和斜距测距精度和方向测量精度与斜距之积有关会随着载体距离台站的增大而增加。l VOR-DME导航有效区域的确定VOR-DME系统包括两大工作单元：VOR和DME。VOR与DME同址安装，在给航空器提供方向信息的同时，还能提供航空器到导航台的距离信息。因此在实时导航的过程中，需考虑每个VOR-DME台的导航有效区域。其确定方法就是：以VOR-DME台为中心，台最