民航导航技术的发展现状及发展趋势

民航导航技术的发展现状及发展趋势
引言
导航是一种为运载体航行时提供连续、安全和可靠服务的技术。

航空和航海的需求是导航技术发展的主要推动力。

尤其是航空技术，由于飞机在空中必须保持较快的运动速度，留空时间有限，事故后果严重，对导航提出了更高的要求;同时飞机所能容纳的载荷与体积较小，使导航设备的选择受到较大的限制。

对于航空运输系统来讲，导航的基本作用就是引导飞机安全准确地沿选定路线、准时到达目的地。

自无线电导航技术的广泛应用以来，导航已从通过观测地形地物、天体的运动以及灯光电磁现象，改变为主要依赖电磁波的传播特性来实现，部分摆脱了天气、季节、能见度和环境的制约，以及精度十分低下的状况。

飞机在云海茫茫的天上，能随时掌握自己的位置，大大降低了飞行安全风险。

导航已成为民航完全可以依赖的技术手段，促进了世界民航事业的发展。

20年代70世纪发展起来的信息技术使导航技术呈现了新面貌。

卫星导航(GPS和GLONASS)以及其增强系统和组合系统，已经能够方便、廉价地为全球任何地方、全天候提供较高精度和连续的位置、
速度、航姿和时间等导航信息，成为支持未来航空运输发展的又一股强大动力。

1民航导航技术的现状
1.1支持航路的导航技术
1.1.1惯性导航系统
从20世纪20年代末开始，虽然陆基无线电导航逐渐成为航空的主要导航手段，但由于需要地面系统或设施的支持，无法实现自主定位和导航，限制了航空的发展。

首先，军事上对导航系统提出了生存能力、抗干扰、反利用和抗欺骗的需求，具有自主导航能力的惯性导航系统(INS)于60年代在航空领域投入使用。

但民用飞机采用INS 的主要原因是由于INS提供的导航信息连续性好，导航参数短期精度高，更新速率高(可达50～1000Hz)。

20世纪70年代后，由于数字计算机的使用和宽体飞机的发展，INS也开始了大发展阶段。

由于INS具有许多陆基导航系统不具备的优点，尤其是可以产生包括飞机三维位置、三维速度与航向姿态等大量有用信息，在民航中得到了应用，是民航飞机的基本导航系统。

当然它自生的垂直定位功能不好误差是发散的，不能单独使用，在现代
民用飞机上通常与气压高度表组合使用，确定垂直高度信息。

一般航空用INS平均无故障间隔时间超过600h，定位误差漂移率为0.5n mile/h~1.5n mile/h，测速精度0.8m/s，准备时间8min左右。

1.1.2陆基无线电导航系统
陆基无线电导航尽可能把整个导航系统的复杂性集中到了地面导航台，使机载导航设备比较简单，因此价格低廉且可靠性较高，迅速得到了推广使用。

目前支持民航航路空中交通管理的主要地面设备包括：NDB、VOR和DME。

硕士论文，惯性导航。

NDB已不建议使用，本部分中不再做介绍;VOR/VOR和VOR/DME由于定位精度无法满足较高的区域导航要求，ICAO现在更多的采用DME/DME支持航路的导航。

1.1.3星基导航系统
GPS是投入运行最早，一直稳定工作的星基导航系统，而且一直在不断的创新和改进中。

硕士论文，惯性导航。

已有其他的卫星导航系统在做改进和新研制的卫星导航系统在设计过程中，都以GPS 作为蓝本和参考，并在尽可能的条件下与之兼用。

GPS已深入到现
代军事和国民经济的各个方面，成为提供位置、速度和时间(PVT)基准的赋能系统，围绕GPS及其应用已形成了一个庞大的产业，是了解现代星基导航技术的基础。

目前阶段，民航在GNSS应用方面的工作也主要集中于GPS及相关技术的研究，试图解决其在民航应用中的特殊性问题，主要是解决完好性监测等问题所开展的增强技术。

美国利用其技术上的优势，在这方面开展了以GPS广域增强系统(WAAS)和机载增强系统(ABAS)的研究工作。

其他国家开展的相关增强技术也同期进行，其中包括：日本等国家开展的基于卫星的广域增强技术和澳大利亚等国开展的基于陆基区域增强系统(GRAS)。

1.2终端区进近引导技术分析
1.2.1大规模应用中的ILS系统
ILS的作用是向处于着陆过程中的飞机提供着陆引导信息，包括航向道信息、下滑道信息和距离信息。

目前ILS在民航中广泛应用。

根据性能，ILS可以分为I类、II类和III类。

I类ILS是从覆盖其边沿开始，导航道和下滑道的高度不低于60m的范围提供引导信息的设备;II类ILS能够引导飞机到30m的设备;III类ILS能引导飞机降落到跑道的设备。

我国现在装备的绝大多数系统只能达到I类标准，只有少数系统性能可以达到II类。

主要原因除设备性能外，很大的因素取决于场地;场地达不到标准，障碍物较多、场地不平整，造成航道、
下滑道弯曲，超出类别标准。

同时周边地区的电磁干扰也会导致引导信号超过使用标准。

硕士论文，惯性导航。

在较早期装备的ILS系统中，一般采用指点信标给飞机提供到跑道入口的距离信息，现在更多采用DME测距的方式。

在基本配置中采用DME/N，按照ICAO的规定，DME/N的系统精度是370m，对于III类着陆、曲线进近和自动驾驶仪相交联实施自动着陆来讲，误差显然过大，一般采用DME/P(精密测距器)。

按规定，DME/P的路径跟随误差(PEE)在进近基准点上为±30m或±12m。

硕士论文，惯性导航。

1.2.2重要的辅助设施助航灯光系统
助航灯对飞机的安全起降有着至关重要的作用，曾经对飞机的安全降落起到关键作用。

随着ILS等着陆引导系统的应用，现在的助航灯光系统更多的承担辅助引导或备份的功能。

但助航灯光系统本身也在不断的发展。

除更高的工作可靠性和更长的工作时间外，现在的助航灯光系统更是集成了高级地面活动引导功能和单灯引导控制系统(简称)，能够实现对每架飞机的个性化引导。

硕士论文，惯性导航。

实现了从空中到地面的无间隙引导，大大提高飞机滑行及跑道运行的安全保障，提高飞机地面运行效率和机场运行容量，给机组提供更准确、更简单、更人性化的引导信息。

1.2.3发展中的局域卫星增强系统
为了将GPS用于飞机的精密进近和着陆，FAA在1994年以前主要着力于发展LAAS。

它属于GBAS，有地面设施和机载设备组成。

地面设施有一组高品质的GPS基准接收机，位于准确已知的位置上，所产生的数据经处理后，产生视界内GPS卫星的误差校正信号和完好性信息，在通过VHF数据链广播至进近中的飞机，以提高机载GPS 设备的精度、完好性、连续性和可用性等性能，用以满足I类、II类和III类精密进近与着陆的要求。

目前，ICAO和FAA对飞机精密进近系统的四性有明确且严格的规定，LAAS必须满足。

按原理，一套LAAS地面设施不仅可以覆盖一个机场的所有跑道，而且可以覆盖相距不远的几个机场，做曲线进近或折线进近均无问题。

而ILS或MLS则每条跑道两端都要各设一套，因此LAAS在经济性上是非常有利的，对发达国家尤其具有吸引力，因为它们一个机场常有多条跑道，而大城市周围也会同时有多个机场。

LAAS的地面台信号覆盖半径可达370km，如果布台合理，也可以用于本土的航路导航，满足终端区区域导航(RNAV)需要。

2导航技术的未来发展分析
2.1 GNSS发展分析
以GPS为代表的新一代星基导航技术正在受到普遍重视，但GNSS性能无法满足民航高可靠性的要求。

美国开展以WAAS、LAAS 和ABAS为核心的民航GPS应用研究，目前WAAS和LAAS已在大规模应用前的准备之中，ABAS技术也已在技术验证阶段。

但这种完全依靠美国军方控制的GPS系统实施导航，无法令世界其它一些国家放心，为此欧洲着手开展Galileo计划、中国正在开展北斗计划以及俄罗斯正在完善其GLONNASS，并开始加快现代化进程。

但截至目前，GPS仍然是唯一可以实现全球定位导航的星基技术。

在过去几十年里，全球军、民用机场和飞机依靠地面安装的着陆系统卓有成效地保证了飞机的全天候盲目着陆，数以万计的飞机在仪表着陆系统、GCA、微波着陆系统和其他的陆基系统的精确引导下安全降落。

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但是，在最近几年，随着GPS开发应用的深入，其作用日益受到人们的关注。

GPS应用于飞机着陆的实验与研究工作成为最热门的项目。

2.2新型导航技术的研究
地形辅助导航：地形辅助导航系统基本上是一种低高度工作的系统，离地高度超过300m时其精度就会明显降低，而到
800m~1500m的高度则无法使用。

但是，该系统不仅能提供飞行器的水平精度位置，而且还能提供精确的高度信息;不仅能提供飞行器前方和下方的地形，而且还能提供视距范围以外的周围地形信息。

视见着陆设备：由前视探测器生成视觉图像显示在平视显示器上，同时将仪表数据、指引信息叠加在图像上，构成人工合成图像。

当在低能见度时，飞行员根据人工合成图像分辨出跑道，知道肉眼直接看见风挡外的景象和跑道时，人工合成图像才逐渐淡化。

这种合成视景视见着陆系统打破了几十年来无线电波束引导的垄断局面，开辟了一种新的低能见度下进近着陆的途径。

3小结
以INS为基础导航源、GNSS为主导航源的导航新模式将成为未来一段时间的民航主要导航系统，但备份系统仍将在一段时间内采用陆基导航设施。

但在较长时间内，考虑到陆基导航系统的维护成本和技术性能，这种局面将会改变。

备份系统将有可能采用类似现在的罗兰-C系统作为航路导航的冗余配置，而终端区和进近着陆阶段，多点定位引导技术成熟后，可考虑作为备份使用。

这样配置的优点非常显著，一方面冗余配置系统的多功能和多用途，将是整个系统成本大
幅降低，提高经济性能;另一方面相关技术的发展也将为它们在民航中成熟应用提供保障。