飞行校验与精准导航一体化方法探索

冀鹏

（中国民用航空飞行校验中心，北京 100621）

飞行校验与精准导航一体化方法探索

冀鹏

（中国民用航空飞行校验中心，北京 100621）

导航设备精准性是确保飞行安全和效率的最基本条件之一，飞行校验就是用来满足这一条件的唯一手段，具体通过对导航设备信号的检测校准，消除误差，达到精准导航的目的。目前的飞行校验方法是以GPS为基准进行校验，这就意味着GPS成为了唯一定位信号源，而单纯利用GPS会存在实时定位误差和测绘误差，这两种源头误差的存在必然导致飞行校验结果失准。以甚高频全向信标（VOR）设备的飞行校验程序为例，分析GPS作为飞行校验基准的局限性，并展开探讨，利用建模和计算研发出一套VOR过台及圆周校准程序，以消除依赖GPS校验定位的传统缺陷。采用一种更科学的方法来验证GPS信号源的准确性，尽可能地消除GPS误差，进行双向校验，真正从源头上消除误差，提高VOR飞行校验的准确性与可靠性。

飞行校验；校准程序；方位误差；测量不确定度评定

1 VOR飞行校验程序

飞行校验（以下简称校验）是保证通信、导航、雷达等设施设备符合民航运行要求的必要手段，是对设施设备校准的唯一方法，是机场投产开放及运行最基本的前提之一，是保障飞行安全的重要环节[1]。而在所有的陆基导航设备里，VOR承担着航路及进近导航的双重作用，因此VOR校验的精准程度至关重要。

目前校验所使用的定位基准是GPS系统，用于构建导航设备信号的空间理论模型及确定校验飞机与被校验设备之间的位置关系。VOR方位误差的校验是通过将VOR设备的测绘坐标输入校验飞机的机载校验系统中，建立VOR校验数据库。校验系统利用数据库和校验飞机的实时GPS定位数据模拟出VOR导航台在空中每条径向的理论方位指示A，如图1所示。当校验飞机使用VOR信号引导，沿着特定径向飞行时，校验系统会将无线电磁指示器（RMI）指示的方位B与模拟出的理论方位值进行比较，从而得出VOR的方位误差E，即E=A-B。当计算出误差E之后，校验员会通知地面调试人员改变VOR发射机参数，减小方位误差，完成磁北校准。可以看出，VOR方位误差E的校验准确性来源于GPS定位的准确性。

图1 VOR方位误差计算方法Fig.1 Calculation of VOR bearing error

2 GPS的局限性

2.1 GPS定位误差对VOR方位指示的影响

由图1方位误差的计算方法可知，VOR校验中的方位误差有3方面原因：①设备安装时不能达到100%的磁北校准，即设备本身存在误差；②VOR测绘坐标不准确，导致校验系统不能真实模拟出VOR每条径向线的理论方位；③机载校验系统所使用的GPS实时定位不准确，造成校验误差。可以看出，基于GPS定位的校验手段存在不准确性，不能将VOR自身的误差彻底消除，这导致VOR校验的局限性，VOR方位校准的精度也会受到影响。测绘坐标误差和GPS实时定位误差都属于经纬度误差，这种源头的误差往往是差之毫厘，谬之千里。下面具体分析其对VOR方位误差的影响。

根据1 n mile等于地球椭圆子午线上纬度1′所对应的弧长计算，1″等于31 m，经度1″等于31×cos Φ m，其中Φ为该点的纬度。当VOR台址测绘时经纬度误差各为1″时，真实台址与数据库模拟出的台址之间的误差为，这种情况在目前VOR设备测绘中比比皆是。

当飞机在VOR/DME进近决断时其距离VOR台2 n mile左右，如果经纬度各有1″的误差，会造成的方位误差指示，校验实时记录曲线如图2所示。这对飞行安全的影响很大，如果在测绘坐标时，经纬度误差增大，指示误差会随之增大。

2.2 GPS不可靠性

2016年1月26日，芬兰Aalto大学的Metsähovi天文台检测到了一次GPS时间异常，出现了13.7 μs的误差。13.7 μs看起来微不足道，但精确导航是一点也不能差的，由此带来的导航偏差最多可达4 km，典型的失之毫厘谬以千里。这次事件可能让全球导航用户受到了数小时的影响，如果在此期间使用GPS，就会导致定位不准的问题。

图2 VOR测绘坐标存在误差时的方位误差曲线Fig.2 Bearing error curve of VOR coordinate deviation

经统计，2015年1月至今在全国各机场的飞行校验中，共发生11起校验飞机及航班同时受到电磁干扰等原因，造成GPS功能失效，导致校验任务不能顺利进行，给民航安全造成严重隐患。

随着中国经济的高速发展，无线电台、电视台密度加大，导致民用航空电信频繁遭受干扰，特别是用于定位的GPS信号，其信号强度低，抗干扰性能差，仅需12 V电压的干扰机输出功率调到100 MW，就可以使半径16 km范围内无法接收GPS的CA编码。且GPS的使用受制于美国。这些都决定了在VOR飞行校验时将GPS作为唯一定位手段的局限性。

3 VOR过台及圆周校准程序设计

3.1 VOR过台校准程序

为解决GPS作为校验唯一定位手段的局限性，综合分析了以往基于GPS定位的VOR磁北校准结果，发现校验飞机过台飞行前后记录的导航方位角与VOR磁北校准结果存在相对固定的数学关系，经过大量数据采集验证，建立VOR过台校准程序的理论模型。

VOR磁北校准结果，即VOR方位误差为

其中：θ为VOR的方位误差；HDG为飞机磁航向；A为飞机磁方位；K为电台相对方位。导航方位角如图3所示，MN为磁北。校验飞机过台飞行前后由导航方位角之间的关系，可得

无论飞机与VOR之间的位置关系如何，此数学关系都是正确的。但当VOR台未经过磁北校准，也就是存在方位误差角θ时（如图4所示，MN′为未经校准的VOR磁北），电台磁方位BRG与飞机磁方位A之间的关系变为

可以看出，方位角关系的改变是由VOR的方位误差θ引起的。在校验飞机机载仪表指示准确的前提下式（2）仍然正确。将式（4）代入式（2），得到方位误差如式（1）所示。其中：HDG和A都能通过机载校验系统实时获取，当校验飞机向台飞行时K=0°，背台飞行时K=180°。这样就能计算出VOR自身的方位误差θ。VOR过台飞行磁北校准方法如下所述。

图3 导航方位角Fig.3 Navigational bearing

图4 VOR存在方位误差θ时的导航方位角Fig.4 Navigational bearing of VOR error

1）校验飞机保持场高3 000 m，距离VOR台10 n mile，沿VOR的任意径向向台飞行，过台后保持相同径向飞行至背台10 n mile处结束，如图5所示。在校验飞机过台前后，校验员通过机载校验系统读出精准的航向HDG和飞机磁方位A，计算出过台前后方位误差分别为

计算平均值得到方位误差为

图5 VOR过台校准飞行方法Fig.5 VOR calibration method of flying over

2）为了提高校验的精准性，通常采取每隔45°选取一条径向进行过台飞行，分别得出4组VOR方位误差数据，取其平均值，提高精准性。

这种过台前后计算方位误差平均值的校验方法完全基于VOR自身的方位指示，并不依赖于其他定位手段，是利用电台及飞机磁方位固定数学关系的校准方法，其优点在于抵消了GPS定位信息不准确引入的误差，能够单纯校准VOR的方位误差。且该校验方法对于沿VOR台的任意径向飞行都是可行的，这就有利于提高校验时的空域利用率。

3.2 VOR圆周校准程序

VOR过台校准程序也有其缺点，不如基于GPS校验效率高。且过台校准只能消除VOR自身的方位误差，不能验证及消除VOR台站投产时的测绘坐标误差。因此为保证校验效率，进一步提高VOR校验的精准性，在VOR测绘坐标准确的前提下通常只进行以GPS为基准的校验方法。通过下面的圆周校准程序就可准确判断并修正VOR测绘坐标误差。

3.2.1 VOR测绘坐标误差判断方法

假设VOR设备的真实坐标为b，测绘得到的坐标为a，如图6所示。当校验飞机以a为圆心，做半径为20 n mile的圆周飞行时，所采集的VOR方位误差数据会有两种可能：

1）在360°圆周飞行取值中方位误差维持恒定值，证明测绘提供的坐标是准确的，恒定的方位误差就是VOR设备自身的误差；

2）在360°圆周飞行取值中某两点方位误差最小，在与误差最小两点垂直的位置时，方位误差最大。如在c、d两点方位误差最小，因为a、b、c、d成一条直线，由坐标引起的方位误差为0，与过台飞行校准的结果一致，而另外两点e、f方位误差最大。这种情况说明VOR存在测绘误差，并且坐标误差在c、d连线上。

图6 VOR圆周校准方法Fig.6 VOR calibration method of orbit

3.2.2 VOR测绘坐标修正方法

校验飞机在半径20 n mile圆周的其它位置取值时，如任意一点e，这时因a、b两点存在坐标差异，必然会存在误差角δ。这时真实坐标b的计算方法如下所述。

a、b两点的距离为

在已知a、d点坐标的情况下，利用两点坐标求距离的计算公式可知b点坐标计算方程为

其中：a点为经度，纬度分别为λa和Φa；b点的经度、纬度分别为λb和Φb；d点为经度，纬度分别为λd和Φd；a点的经纬度已知，d点经纬度可通过机载校验系统实时读取，由此可得VOR台址的真实坐标d。

总之，通过上述两种校验方法，既可摆脱GPS作为VOR校验唯一基准的弊端，又可验证GPS测绘存在的误差，并对坐标进行修正。不仅能够在GPS失效的情况下完成校验，且可修正VOR测绘坐标存在的错误，利用修正后的坐标进行双向校验，确保在GPS可用的情况下提高校验效率及精确性。

4 过台及圆周校准程序可靠性验证与评定

测量不确定度是目前对于误差分析中的最新理解和阐述[5]，以前称为测量误差。现在更准确地定义为测量不确定度，即测量结果的不确定程度，也表明该结果的可信赖程度，它是测量结果的质量指标。校验参数的不确定度是用来评价校验精度和校验水平的首要指标，不确定度愈小，校验质量和水平越高。

4.1 过台及圆周校准程序不确定度的A类评定

根据不确定度的评定要求，VOR过台及圆周校准程序5次独立校准结果如表1所示。

表1 VOR过台及圆周校准程序5次独立校准结果Tab.1 VOR calibration result of flying over and orbit with 5 samples

平均值为

A类不确定度为

4.2 全向信标方位误差不确定度的B类评定

根据不确定度的评定要求，由导航接收机校准引入的标准不确定度为

其中：a为导航接收机的最大设备误差。全向信标方位误差符合三角分布，按表查得

4.3 合成标准不确定度

ICAO 8071及FAA 8200文件中要求投产全向信标方位误差的合成标准不确定度容限为0.6°[2-4]，使用过台及圆周校准程序方位误差的合成标准不确定度为0.02°，小于0.6°，满足要求。

5 结语

针对VOR设备的校验方法展开探讨，并基于GPS校验的弊端设计出一套VOR过台及圆周校准程序，从源头上消除GPS误差，从实质上提高导航设备的精准性。经过理论研究与反复实验，得到了科学验证。于2016年结题的民航空管局项目《民用航空陆基导航设备飞行校验规范》中，作为一个子项目通过了专家组验收。

[1]AC-86-TM-2016-01,民用航空陆基导航设备飞行校验规范[S].北京:中国民用航空局,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]中国合格评定国家认可委员会.CNAS-CL07，测量不确定度的要求[S].2011.

（责任编辑：刘佩佩）

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

国家科技支撑计划项目（2011BAH24B13）

冀鹏（1982—），男，天津人，工程师，硕士，研究方向为飞行校验.