飛機通信與導航系統(tǒng)

1、航天電子信息技術航天電子信息技術通信與導航通信與導航計科：鄭露婷、和曉梅2014/4/173.8馬來西亞飛機失聯(lián)事件 3月8日凌晨2點40分，載有239人的波音777-200飛機失聯(lián)，由吉隆坡飛往北京。 24日晚10點，馬來西亞總理宣稱客機在南印度洋墜毀，無人幸存。 4月中旬，中澳相繼發(fā)現(xiàn)疑似MH370黑匣子信號，目前仍在搜尋中。航天電子系統(tǒng) 在現(xiàn)代航空和航天工程中電子系統(tǒng)是重要的系統(tǒng)之一。 它按功能分為通信通信、導航導航、雷達、目標識別、遙測、遙控、遙感、火控、制導、電子對抗等系統(tǒng)。 電子理論和技術基礎：通信理論、電磁場理論、電波傳播、天線、檢測理論和技術、編碼理論和技術、信號處理技術等 而

2、微電子技術和電子計算機技術則是提高各種電子系統(tǒng)性能的基礎。引言 為什么失聯(lián)？ 最后去了哪里？ 在馬航失聯(lián)后，它的通信與航線問題一直困擾著我們，今天我們就飛機的通信與導航問題來研究一下。 通信系統(tǒng) 導航系統(tǒng)通信系統(tǒng) 實現(xiàn)飛機與地面的互聯(lián)，飛機與飛機的相實現(xiàn)飛機與地面的互聯(lián)，飛機與飛機的相互通信，機組成員的通話，機艙內(nèi)的廣播互通信，機組成員的通話，機艙內(nèi)的廣播等試聽娛樂。等試聽娛樂。 系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)一般包括飛行器上的電子系統(tǒng)飛行器上的電子系統(tǒng)和和相應相應的地面電子系統(tǒng)兩部分的地面電子系統(tǒng)兩部分， 這兩部分通過這兩部分通過電磁波傳輸信號電磁波傳輸信號合成為一個合成為一個系統(tǒng)，實現(xiàn)通訊。系統(tǒng)，實現(xiàn)通

3、訊。通訊系統(tǒng) 發(fā)電報的設備發(fā)電報的設備 （安裝在飛機上）（安裝在飛機上）實時自動地把航班運行的數(shù)據(jù)，主要包括經(jīng)緯度、飛行高度以及速度等數(shù)據(jù)，持續(xù)不斷地發(fā)回航空公司。通信系統(tǒng) 監(jiān)控終端設備（地面上）監(jiān)控終端設備（地面上） 飛機一旦起飛后，航空公司就能持續(xù)不斷地收到飛機上的設備發(fā)來的信息。能隨時監(jiān)測飛機的情況。通訊系統(tǒng) 機載應答設備機載應答設備 通過對講機一樣的東西，不停跟地面的空管員聯(lián)系，實時保證飛機與地面的互聯(lián)。（PS：據(jù)說MH370失聯(lián)就是有人故意關閉應答系統(tǒng)，事實不得而知）飛機通信系統(tǒng) 甚高頻通信系統(tǒng)（VHF）起飛和降落時 高頻通信系統(tǒng)HF 遠程飛行時與基地保持聯(lián) 選擇呼叫系統(tǒng)SEL CA

4、L 機組成員間聯(lián)絡 音頻綜合系統(tǒng) AIS 對旅客的廣播視頻服務等 衛(wèi)星通訊尋址系統(tǒng)SATCOM 飛機通訊尋址與報告系統(tǒng)ACARS 黑匣子Black Box通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信 飛機與地面的設備信號傳輸是采用衛(wèi)星通信。 所謂的衛(wèi)星通信satcom，是指利用空間的人造地球衛(wèi)星座位中繼站發(fā)無線電信號，以實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信。 目前在世界范圍內(nèi)大約有255個地面地球站。有4個同步衛(wèi)星為飛機服務：大西洋上有兩個、太平洋和印度洋各一個。衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信系統(tǒng)由三個主要部分組成： 衛(wèi)星 飛機機載站 地面地球站。飛機通信尋址與報告系統(tǒng) Aircraft Communication Addressing

5、and Reporting System，縮寫：ACARS）在航空器和地面站之間通過無線電或衛(wèi)星傳輸短消息（報文）的數(shù)字數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。 PS：在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)出現(xiàn)之前，地面人員和飛行人員之間：在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)出現(xiàn)之前，地面人員和飛行人員之間的所有交流只能通過語音進行。這種通訊以的所有交流只能通過語音進行。這種通訊以甚高頻甚高頻或或高頻高頻語音無線電通信方式實現(xiàn)。語音無線電通信方式實現(xiàn)。 飛機通信 在飛機上，飛機通信尋址與報告系統(tǒng)由一個稱為飛機通信尋址與報告系統(tǒng)管理單元(MU)的航電計算機和一個控制顯示器單元(CDU)組成。MU用以發(fā)送和接受來自地面的甚高頻無線電數(shù)字報文。 在地面，飛機通信尋址與報告系統(tǒng)

6、由一個有多個無線電收發(fā)機構成的網(wǎng)絡組成，它可以接受（或發(fā)送）數(shù)據(jù)鏈消息，并將其分發(fā)到網(wǎng)絡上的不同航空公司。應用工作流程OOOI 自動檢測和報告飛機在主要飛行階段 Out of the gate推出登機門 Off the ground；離地起飛 On the ground；著陸 Into the Gate，?？康菣C門 工業(yè)上簡稱OOOI 數(shù)據(jù)保存下來事實的與地面進行數(shù)據(jù)交換 這些OOOI事件是由飛機上各種傳感器（例如艙門、停留剎車和起落架上的開關傳感器）的輸出信號來確認的。 在每一飛行階段的開始時刻，ACARS將一個數(shù)字報文發(fā)送到地面，其中包括飛行階段名稱、發(fā)生時刻，以及其他諸如燃油量或始發(fā)地和

7、目的地。 由人員或機載設備創(chuàng)建報文報文并通過飛機通信尋址與報告系統(tǒng)將其送達地面的人員或系統(tǒng)，反之亦如此。飛機通信尋址與報告系統(tǒng)報文可以以手工或自動方式發(fā)送。典型的典型的VHF ACARS報文報文ModeAAircraftB-18722AckNAKBlock id2FlightCI5118LabelB9Msg No.L05AMessage/KLAX.TI2/024KLAXA91A1人機交互人機交互Eg.氣象報告發(fā)出請求發(fā)出請求：飛機請求氣象信息報文生成報文生成報文：航空公司的計算機系統(tǒng)首先生成一條包含該飛機注冊號及實際氣象信息的上傳報文傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)：將其送往數(shù)據(jù)鏈服務供應商（DSP）的主機系

8、統(tǒng)。 供應商通過自己的地面網(wǎng)絡將該報文傳送到距飛機最近的甚高頻(VHF)遠程地面站。廣播報文廣播報文：地面站將此報文通過VHF廣播出去接收接收報文報文：機載VHF接收到此信號后通過內(nèi)置的調制解調器將其轉為數(shù)字報文發(fā)送至通信管理單元(CMU)。CMU驗證飛機注冊號，如果相符就繼續(xù)處理該報文。black box “黑匣子黑匣子”是飛機專是飛機專用的電子記錄設備用的電子記錄設備之一。之一。飛機飛機各機械各機械部位和電子儀器儀部位和電子儀器儀表都裝有傳感器與表都裝有傳感器與之相連。之相連。 每架飛機上首尾部每架飛機上首尾部各有一個。各有一個。黑匣子 飛行數(shù)據(jù)記錄器飛行數(shù)據(jù)記錄器 Flight Data

9、 Recorder，F(xiàn)DR 能記錄飛機的系統(tǒng)工作狀況和引擎工作參數(shù)等飛行參數(shù)，內(nèi)容包括：空中飛行速度、高度、航向、發(fā)動機推力資料、俯仰與滾動資料、縱向加速度資料及許多參數(shù)資料 駕駛艙通話記錄器駕駛艙通話記錄器Cockpit Voice Recorder，CVR 儀器上的四條音軌分別記錄飛行員與航空管制員的通話，正、副駕駛員之間的對話、駕駛員、空服員對乘客的廣播，以及駕駛艙內(nèi)各種聲音（引擎聲、警報聲）。 記錄的時間約2小時，錄完后，會自動倒帶從頭錄起，若發(fā)生空難，之前的兩個小時會被完整保留，并持續(xù)發(fā)出訊號，直到斷電為止（記錄器所提供的電力足夠發(fā)出信號30日）。黑匣子 飛行數(shù)據(jù)記錄器飛行數(shù)據(jù)記錄器

10、 Flight Data Recorder，F(xiàn)DR 能記錄飛機的系統(tǒng)工作狀況和引擎工作參數(shù)等飛行參數(shù)，內(nèi)容包括：空中飛行速度、高度、航向、發(fā)動機推力資料、俯仰與滾動資料、縱向加速度資料及許多參數(shù)資料 駕駛艙通話記錄器駕駛艙通話記錄器Cockpit Voice Recorder，CVR 儀器上的四條音軌分別記錄飛行員與航空管制員的通話，正、副駕駛員之間的對話、駕駛員、空服員對乘客的廣播，以及駕駛艙內(nèi)各種聲音（引擎聲、警報聲）。 記錄的時間約2小時，錄完后，會自動倒帶從頭錄起，若發(fā)生空難，之前的兩個小時會被完整保留，并持續(xù)發(fā)出訊號，直到斷電為止（記錄器所提供的電力足夠發(fā)出信號30日）馬航失聯(lián)路線導

11、航系統(tǒng) 馬航原有航線：吉隆坡北京 馬航墜落地點：南印度洋？ 澳方發(fā)現(xiàn)黑匣子信號地點 客機到底在哪？導航系統(tǒng) 大腦導航（記憶大腦導航（記憶,參考物）參考物） 手機導航手機導航GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)） 車載電腦導航（車載電腦導航（onStar） 航天系統(tǒng)導航航天系統(tǒng)導航onStar最新最新碰撞自動求助 緊急救援系統(tǒng) 安全保障系統(tǒng) 導航系統(tǒng) 車況檢測系統(tǒng) 汽車語音導航導航系統(tǒng) 含義含義飛機導航系統(tǒng)是指通過測量飛行器的加速度，飛機導航系統(tǒng)是指通過測量飛行器的加速度，自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時速度自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時速度和瞬時位置數(shù)據(jù)的技術。設備都安裝在飛和瞬時位

12、置數(shù)據(jù)的技術。設備都安裝在飛行器內(nèi)，工作時不依賴外界信息，也不向行器內(nèi)，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾。外界輻射能量，不易受到干擾。 導航系統(tǒng) 引導飛機沿著引導飛機沿著預定航線飛到預定地點預定航線飛到預定地點 隨時給出飛機準確的即使位置隨時給出飛機準確的即使位置 在軍事上，導航系統(tǒng)還要配合其他系統(tǒng)完在軍事上，導航系統(tǒng)還要配合其他系統(tǒng)完成武器投放、偵查、巡邏、反潛、預警和成武器投放、偵查、巡邏、反潛、預警和救援等任務。救援等任務。飛機導航系統(tǒng) 飛機導航系統(tǒng)可以確定飛機的位置并引飛機導航系統(tǒng)可以確定飛機的位置并引導飛機按預定航線飛行的整套設備導飛機按預定航線飛行的整套設備（

13、包括飛機上的和地面上的設備）（包括飛機上的和地面上的設備） 導航方法 導航的關鍵在于確定飛機的瞬時位置 5種方法： 目視定位：起飛和降落過程 航位推算：飛行速度，航向，風向（人工，電腦） 幾何定位：距離，角度測算，電腦完成導航方法 磁羅盤 類似指南針，指針指向地球的磁極（容易受到飛機鐵質零件和地球磁場的影響）早期使用 無線電通話 駕駛員與地面管制人員用無線電互相通話，管制員可以及時知道飛機位置，高度，給駕駛員下達命令，提供導航信息（多用于在機場附近的交通空域里）發(fā)展歷程 早期：目視導航（駕駛員的經(jīng)驗）早期：目視導航（駕駛員的經(jīng)驗） 1920S：儀表導航儀表導航，飛機上有了簡單的儀表，靠，飛機上

14、有了簡單的儀表，靠人工計算得出飛機位置人工計算得出飛機位置 30年代：年代：無線電導航無線電導航 現(xiàn)代：現(xiàn)代：衛(wèi)星導航衛(wèi)星導航，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS 慣性導航慣性導航，天文導航天文導航1、儀表導航系統(tǒng) 提供參數(shù)：空速表，磁羅盤，航向陀螺儀和高度表等專用電子設備提供確卻的實時數(shù)據(jù)。 自動領航儀：根據(jù)提供的參數(shù)計算出航向數(shù)據(jù)， 大氣數(shù)據(jù)計算機；將提供的參數(shù)由特定的程序計算導航系統(tǒng) 現(xiàn)在飛機導航綜合了多種技術 主要有 儀表導航 無線電導航 衛(wèi)星導航 慣性導航機載設備 無線電導航系統(tǒng) 雷達系統(tǒng) 交通管制與警告系統(tǒng) 慣性基準系統(tǒng) 飛行管理系統(tǒng)1、儀表導航 空速表 高度表 航向儀導航模擬

15、機2、無線電導航系統(tǒng) 地面無線電導航臺地面無線電導航臺 對飛機進行實時定位對飛機進行實時定位 飛機上的無線電導航設備飛機上的無線電導航設備 接收地面導航臺信號接收地面導航臺信號 遠程導航系統(tǒng)遠程導航系統(tǒng) 測量各個導航臺信號的相位差測量各個導航臺信號的相位差 測速無線電設備測速無線電設備 利用多普勒效應利用多普勒效應2無線電導航系統(tǒng) 功能。利用來自地面臺或空中的無線電信號來幫助駕駛員引導飛機航行 包括ADF（自動定向機） VOR（甚高頻全向信標） ILS（儀表著陸系統(tǒng)）：引導飛機安全著陸，由航向、下滑、質點信標系統(tǒng)組成。2、無線電導航系統(tǒng) 全球定位導航則借助于導航衛(wèi)星。近程無線電導航系統(tǒng)： 作用

16、距離在 400公里以內(nèi)遠程無線電導航系統(tǒng)：達到數(shù)千公里超遠程無線電導航系統(tǒng)：1萬公里以上全球定位導航系統(tǒng)。雷達系統(tǒng) 包括包括LRRA（無線電高度表）：測高（無線電高度表）：測高 DME（測距機）：測距（測距機）：測距 WXR（氣象雷達）：飛機周圍環(huán)境監(jiān)測（氣象雷達）：飛機周圍環(huán)境監(jiān)測（雷達：發(fā)射電磁波，光速，出現(xiàn)在二戰(zhàn)時期，應用廣泛多用于軍事?。?、衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS 導航衛(wèi)星 18科導航衛(wèi)星， 運行周期12h 地面站組 四個監(jiān)控站 用戶設備 接收機美國全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位導航衛(wèi)星定位導航 充分利用電子計算機和大規(guī)模集成電路，提高航空航天電子系統(tǒng)的綜合化、自動化和智能化水平； 提高實時信號處理

17、和數(shù)據(jù)處理的能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩?發(fā)展高速率和超高速率的大規(guī)模集成電路； 發(fā)展可靠性更高和壽命更長的各種電子元器件 衛(wèi)星導航衛(wèi)星導航 優(yōu)點：優(yōu)點： 應用最廣，定位精度高，全球，全天候應用最廣，定位精度高，全球，全天候 缺點：缺點： 成本高，需要復雜的定位設備成本高，需要復雜的定位設備 慣性導航 通過測量飛行器的加速度(慣性)，并自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時速度和瞬時位置數(shù)據(jù)的技術。 加速計（測飛機加速度） 陀螺儀（測量角度） 根據(jù)牛頓慣性定理，利用慣性原件，測算的飛機航向的數(shù)據(jù)。慣性基準導航系統(tǒng) IRS 提供飛機姿態(tài)，航向，飛機當前位置等信息慣性導航 （1）不依賴于任何外部信息也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響； （2）可全天侯全球、全時間地工作于空中地球表面乃至水下 （3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低 （4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好其缺點是： 多用于航空飛船飛行管理系統(tǒng) FMS 以飛機管理計算為核心的高級區(qū)域