飛行校驗與精準導航一體化方法探索

冀鵬

（中國民用航空飛行校驗中心，北京 100621）

飛行校驗與精準導航一體化方法探索

冀鵬

（中國民用航空飛行校驗中心，北京 100621）

導航設備精準性是確保飛行安全和效率的最基本條件之一，飛行校驗就是用來滿足這一條件的唯一手段，具體通過對導航設備信號的檢測校準，消除誤差，達到精準導航的目的。目前的飛行校驗方法是以GPS為基準進行校驗，這就意味著GPS成為了唯一定位信號源，而單純利用GPS會存在實時定位誤差和測繪誤差，這兩種源頭誤差的存在必然導致飛行校驗結果失準。以甚高頻全向信標（VOR）設備的飛行校驗程序為例，分析GPS作為飛行校驗基準的局限性，并展開探討，利用建模和計算研發(fā)出一套VOR過臺及圓周校準程序，以消除依賴GPS校驗定位的傳統(tǒng)缺陷。采用一種更科學的方法來驗證GPS信號源的準確性，盡可能地消除GPS誤差，進行雙向校驗，真正從源頭上消除誤差，提高VOR飛行校驗的準確性與可靠性。

飛行校驗；校準程序；方位誤差；測量不確定度評定

1 VOR飛行校驗程序

飛行校驗（以下簡稱校驗）是保證通信、導航、雷達等設施設備符合民航運行要求的必要手段，是對設施設備校準的唯一方法，是機場投產(chǎn)開放及運行最基本的前提之一，是保障飛行安全的重要環(huán)節(jié)[1]。而在所有的陸基導航設備里，VOR承擔著航路及進近導航的雙重作用，因此VOR校驗的精準程度至關重要。

目前校驗所使用的定位基準是GPS系統(tǒng)，用于構建導航設備信號的空間理論模型及確定校驗飛機與被校驗設備之間的位置關系。VOR方位誤差的校驗是通過將VOR設備的測繪坐標輸入校驗飛機的機載校驗系統(tǒng)中，建立VOR校驗數(shù)據(jù)庫。校驗系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫和校驗飛機的實時GPS定位數(shù)據(jù)模擬出VOR導航臺在空中每條徑向的理論方位指示A，如圖1所示。當校驗飛機使用VOR信號引導，沿著特定徑向飛行時，校驗系統(tǒng)會將無線電磁指示器（RMI）指示的方位B與模擬出的理論方位值進行比較，從而得出VOR的方位誤差E，即E=A-B。當計算出誤差E之后，校驗員會通知地面調(diào)試人員改變VOR發(fā)射機參數(shù)，減小方位誤差，完成磁北校準?？梢钥闯觯琕OR方位誤差E的校驗準確性來源于GPS定位的準確性。

圖1 VOR方位誤差計算方法Fig.1 Calculation of VOR bearing error

2 GPS的局限性

2.1 GPS定位誤差對VOR方位指示的影響

由圖1方位誤差的計算方法可知，VOR校驗中的方位誤差有3方面原因：①設備安裝時不能達到100%的磁北校準，即設備本身存在誤差；②VOR測繪坐標不準確，導致校驗系統(tǒng)不能真實模擬出VOR每條徑向線的理論方位；③機載校驗系統(tǒng)所使用的GPS實時定位不準確，造成校驗誤差。可以看出，基于GPS定位的校驗手段存在不準確性，不能將VOR自身的誤差徹底消除，這導致VOR校驗的局限性，VOR方位校準的精度也會受到影響。測繪坐標誤差和GPS實時定位誤差都屬于經(jīng)緯度誤差，這種源頭的誤差往往是差之毫厘，謬之千里。下面具體分析其對VOR方位誤差的影響。

根據(jù)1 n mile等于地球橢圓子午線上緯度1′所對應的弧長計算，1″等于31 m，經(jīng)度1″等于31×cos Φ m，其中Φ為該點的緯度。當VOR臺址測繪時經(jīng)緯度誤差各為1″時，真實臺址與數(shù)據(jù)庫模擬出的臺址之間的誤差為，這種情況在目前VOR設備測繪中比比皆是。

當飛機在VOR/DME進近決斷時其距離VOR臺2 n mile左右，如果經(jīng)緯度各有1″的誤差，會造成的方位誤差指示，校驗實時記錄曲線如圖2所示。這對飛行安全的影響很大，如果在測繪坐標時，經(jīng)緯度誤差增大，指示誤差會隨之增大。

2.2 GPS不可靠性

2016年1月26日，芬蘭Aalto大學的Mets?hovi天文臺檢測到了一次GPS時間異常，出現(xiàn)了13.7 μs的誤差。13.7 μs看起來微不足道，但精確導航是一點也不能差的，由此帶來的導航偏差最多可達4 km，典型的失之毫厘謬以千里。這次事件可能讓全球導航用戶受到了數(shù)小時的影響，如果在此期間使用GPS，就會導致定位不準的問題。

圖2 VOR測繪坐標存在誤差時的方位誤差曲線Fig.2 Bearing error curve of VOR coordinate deviation

經(jīng)統(tǒng)計，2015年1月至今在全國各機場的飛行校驗中，共發(fā)生11起校驗飛機及航班同時受到電磁干擾等原因，造成GPS功能失效，導致校驗任務不能順利進行，給民航安全造成嚴重隱患。

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，無線電臺、電視臺密度加大，導致民用航空電信頻繁遭受干擾，特別是用于定位的GPS信號，其信號強度低，抗干擾性能差，僅需12 V電壓的干擾機輸出功率調(diào)到100 MW，就可以使半徑16 km范圍內(nèi)無法接收GPS的CA編碼。且GPS的使用受制于美國。這些都決定了在VOR飛行校驗時將GPS作為唯一定位手段的局限性。

3 VOR過臺及圓周校準程序設計

3.1 VOR過臺校準程序

為解決GPS作為校驗唯一定位手段的局限性，綜合分析了以往基于GPS定位的VOR磁北校準結果，發(fā)現(xiàn)校驗飛機過臺飛行前后記錄的導航方位角與VOR磁北校準結果存在相對固定的數(shù)學關系，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)采集驗證，建立VOR過臺校準程序的理論模型。

VOR磁北校準結果，即VOR方位誤差為

其中：θ為VOR的方位誤差；HDG為飛機磁航向；A為飛機磁方位；K為電臺相對方位。導航方位角如圖3所示，MN為磁北。校驗飛機過臺飛行前后由導航方位角之間的關系，可得

無論飛機與VOR之間的位置關系如何，此數(shù)學關系都是正確的。但當VOR臺未經(jīng)過磁北校準，也就是存在方位誤差角θ時（如圖4所示，MN′為未經(jīng)校準的VOR磁北），電臺磁方位BRG與飛機磁方位A之間的關系變?yōu)?/p>

可以看出，方位角關系的改變是由VOR的方位誤差θ引起的。在校驗飛機機載儀表指示準確的前提下式（2）仍然正確。將式（4）代入式（2），得到方位誤差如式（1）所示。其中：HDG和A都能通過機載校驗系統(tǒng)實時獲取，當校驗飛機向臺飛行時K=0°，背臺飛行時K=180°。這樣就能計算出VOR自身的方位誤差θ。VOR過臺飛行磁北校準方法如下所述。

圖3 導航方位角Fig.3 Navigational bearing

圖4 VOR存在方位誤差θ時的導航方位角Fig.4 Navigational bearing of VOR error

1）校驗飛機保持場高3 000 m，距離VOR臺10 n mile，沿VOR的任意徑向向臺飛行，過臺后保持相同徑向飛行至背臺10 n mile處結束，如圖5所示。在校驗飛機過臺前后，校驗員通過機載校驗系統(tǒng)讀出精準的航向HDG和飛機磁方位A，計算出過臺前后方位誤差分別為

計算平均值得到方位誤差為

圖5 VOR過臺校準飛行方法Fig.5 VOR calibration method of flying over

2）為了提高校驗的精準性，通常采取每隔45°選取一條徑向進行過臺飛行，分別得出4組VOR方位誤差數(shù)據(jù)，取其平均值，提高精準性。

這種過臺前后計算方位誤差平均值的校驗方法完全基于VOR自身的方位指示，并不依賴于其他定位手段，是利用電臺及飛機磁方位固定數(shù)學關系的校準方法，其優(yōu)點在于抵消了GPS定位信息不準確引入的誤差，能夠單純校準VOR的方位誤差。且該校驗方法對于沿VOR臺的任意徑向飛行都是可行的，這就有利于提高校驗時的空域利用率。

3.2 VOR圓周校準程序

VOR過臺校準程序也有其缺點，不如基于GPS校驗效率高。且過臺校準只能消除VOR自身的方位誤差，不能驗證及消除VOR臺站投產(chǎn)時的測繪坐標誤差。因此為保證校驗效率，進一步提高VOR校驗的精準性，在VOR測繪坐標準確的前提下通常只進行以GPS為基準的校驗方法。通過下面的圓周校準程序就可準確判斷并修正VOR測繪坐標誤差。

3.2.1 VOR測繪坐標誤差判斷方法

假設VOR設備的真實坐標為b，測繪得到的坐標為a，如圖6所示。當校驗飛機以a為圓心，做半徑為20 n mile的圓周飛行時，所采集的VOR方位誤差數(shù)據(jù)會有兩種可能：

1）在360°圓周飛行取值中方位誤差維持恒定值，證明測繪提供的坐標是準確的，恒定的方位誤差就是VOR設備自身的誤差；

2）在360°圓周飛行取值中某兩點方位誤差最小，在與誤差最小兩點垂直的位置時，方位誤差最大。如在c、d兩點方位誤差最小，因為a、b、c、d成一條直線，由坐標引起的方位誤差為0，與過臺飛行校準的結果一致，而另外兩點e、f方位誤差最大。這種情況說明VOR存在測繪誤差，并且坐標誤差在c、d連線上。

圖6 VOR圓周校準方法Fig.6 VOR calibration method of orbit

3.2.2 VOR測繪坐標修正方法

校驗飛機在半徑20 n mile圓周的其它位置取值時，如任意一點e，這時因a、b兩點存在坐標差異，必然會存在誤差角δ。這時真實坐標b的計算方法如下所述。

a、b兩點的距離為

在已知a、d點坐標的情況下，利用兩點坐標求距離的計算公式可知b點坐標計算方程為

其中：a點為經(jīng)度，緯度分別為λa和Φa；b點的經(jīng)度、緯度分別為λb和Φb；d點為經(jīng)度，緯度分別為λd和Φd；a點的經(jīng)緯度已知，d點經(jīng)緯度可通過機載校驗系統(tǒng)實時讀取，由此可得VOR臺址的真實坐標d。

總之，通過上述兩種校驗方法，既可擺脫GPS作為VOR校驗唯一基準的弊端，又可驗證GPS測繪存在的誤差，并對坐標進行修正。不僅能夠在GPS失效的情況下完成校驗，且可修正VOR測繪坐標存在的錯誤，利用修正后的坐標進行雙向校驗，確保在GPS可用的情況下提高校驗效率及精確性。

4 過臺及圓周校準程序可靠性驗證與評定

測量不確定度是目前對于誤差分析中的最新理解和闡述[5]，以前稱為測量誤差?，F(xiàn)在更準確地定義為測量不確定度，即測量結果的不確定程度，也表明該結果的可信賴程度，它是測量結果的質(zhì)量指標。校驗參數(shù)的不確定度是用來評價校驗精度和校驗水平的首要指標，不確定度愈小，校驗質(zhì)量和水平越高。

4.1 過臺及圓周校準程序不確定度的A類評定

根據(jù)不確定度的評定要求，VOR過臺及圓周校準程序5次獨立校準結果如表1所示。

表1 VOR過臺及圓周校準程序5次獨立校準結果Tab.1 VOR calibration result of flying over and orbit with 5 samples

平均值為

A類不確定度為

4.2 全向信標方位誤差不確定度的B類評定

根據(jù)不確定度的評定要求，由導航接收機校準引入的標準不確定度為

其中：a為導航接收機的最大設備誤差。全向信標方位誤差符合三角分布，按表查得

4.3 合成標準不確定度

ICAO 8071及FAA 8200文件中要求投產(chǎn)全向信標方位誤差的合成標準不確定度容限為0.6°[2-4]，使用過臺及圓周校準程序方位誤差的合成標準不確定度為0.02°，小于0.6°，滿足要求。

5 結語

針對VOR設備的校驗方法展開探討，并基于GPS校驗的弊端設計出一套VOR過臺及圓周校準程序，從源頭上消除GPS誤差，從實質(zhì)上提高導航設備的精準性。經(jīng)過理論研究與反復實驗，得到了科學驗證。于2016年結題的民航空管局項目《民用航空陸基導航設備飛行校驗規(guī)范》中，作為一個子項目通過了專家組驗收。

[1]AC-86-TM-2016-01,民用航空陸基導航設備飛行校驗規(guī)范[S].北京:中國民用航空局,2016.

[2]ICAO.Doc 8071.Manual on Testing of Radio Navigational AIDS.Volume I-Testing of Ground-Based Radio Navigation Systems[S].4th ed.Montreal:ICAO,2000.

[3]ICAO.Doc 8071.ANNEX 10,Aeronautical Telecommunications[S].4th ed.Montreal:ICAO,1985.

[4]Order 8200.1C U S Standard Flight Inspection Manual[S].Oklahoma: FAA,2005.

[5]中國合格評定國家認可委員會.CNAS-CL07，測量不確定度的要求[S].2011.

（責任編輯：劉佩佩）

Discussion on integration of flight inspection and accurate navigation

JI Peng
（Flight Inspection Center of CAAC,Beijing 100621,China）

Flight inspection is a basic condition to ensure the accuracy and reliability of navigational equipment by checking and modulating the signal errors to minimum in order to improve flight safety and efficiency.At present,GPS positioning and survey signal are adopted as the sole source,but actually,GPS itself also has errors possibly with real time positioning or navigation device coordinate errors introduced by surveying.Once the positioning error signal source appears,the induced error will result in wrong guidance for flight.Based on theoretical analysis of GPS limitations as datum reference,a set of VOR over&orbit fly procedure is developed by a mathematical model to eliminate the positioning defects from traditional GPS,making effort to improve VOR flight inspection accuracy by inter-checking and to eliminate errors.

flight inspection;calibration procedure;bearing error;evaluation of measurement uncertainty

TN965；V241.62；V351.37

A

1674－5590（2017）02－0016－04

2016-09-25；

2016-11-02

國家科技支撐計劃項目（2011BAH24B13）

冀鵬（1982—），男，天津人，工程師，碩士，研究方向為飛行校驗.