飞机实时位置计算原理及分析

№_唯宠、那女子

“ 每天进步一点点。”
背景介绍
2011年，本文笔者在保障某B733飞机仁川-天津航班时，仁川机场起飞后，驾驶舱P7板主警告灯点亮，左右ASA的FMC琥珀色灯点亮。CDU触发警告信息实际导航性能ANP值（注释1）大于9.8海里,接仁川管制通报，飞机右偏航路超过10海里，已接近朝鲜国防空识别区，需要立即向左偏航修正。过AGAVO航路点后进入中国领空，交由大连管制ATC引导，经与大连管制确定，飞机实际偏航约15至20海里，且偏航误差随时间积累逐步加大。需要全程ATC管制雷达引导才可以准确飞行。

飞机落地后，关闭左右IRU，重新校准测试。ANP仍然大于9.8海里，更换左IRU后，再次起飞后ANP从9.8海里变为3.92海里,符合公司RNAV运行精度要求，后续正常。

1

飞行管理计算机FM位置混合计算

目前民航主流客机波音、空客、商飞，均安装了FMC或FMGEC计算机。导航显示器ND显示的飞机位置为飞行管理计算机FM（或FMC）计算的混合位置。可以提供给FM用于混合计算飞机位置的的系统包括：

（1） 全球定位系统GPS。

（2）大气数据惯性基准系统ADIRU。

（3）无限电导航系统VOR、DME、LOC等。

2

全球定位系统GPS

全球定位系统GPS通过位于距离地球表面10900海里的32颗卫星向地球用户实时发送星历数据，机载GPS天线接收卫星数据后，通过MMR（或GPSSU）运算后，将数据发送给FM系统用于定位。GPS系统有以下特点：信号覆盖面广、定位精度高，在95%飞行时间内，未经差分GPS修正，精度约15-25米，若接收来自城市分布的差分GPS修正信号，精度可提高到米级范围。但同时GPS系统存在信号抗干扰能力低、部分区域GPS服务关闭、或接收的数据存在人为误差等因素而带来的定位误差等缺点。

3

惯性导航

惯性导航属于机载自主导航系统，目前主流民航飞机大多选装了美国霍尼韦尔公司生产的集成式大气数据惯性基准组件ADIRU。ADIRU内部由ADR和IR模块组成。IR模块主要部件为绕三轴安装的激光陀螺和加速度计。IR可以感受地球自转位置变化率从而计算出飞机所处纬度，但无法计算飞机经度。所以在起飞前，需要在飞机静态下人工给IR输入一个经纬度，IR依据三轴加速度计的加速度信号，对时间二次积分，从而得出飞机位移后的实时位置。惯性基准系统在定位方面的特点为：自主性强，抗干扰能力强，同时存在因高速飞行加速度计存在积累误差、侧风干扰、运算芯片能力限制等因素而导致的定位误差较大，一般存在海里级的误差。

图-1 ADIRU误差表

4

无线电导航

机载无线电导航系统主要由VOR、DME、LOC、ADF等组成。定位原理为：飞机机载设备接收来自地面导航台发送的信号，依据导航数据库已知的地面台经纬度位置，从而计算出飞机位置。
因卫星导航系统抗干扰能力低，中国、美国、欧洲等很多国家将无线电导航系统作为卫星导航的冗余备份系统。无线电导航系统存在以下特点：地面导航台的信号覆盖率低且有信号盲区，无线电信号需直线传输，会被山峰等障碍物阻隔。通常飞机处于一定的高度才可以完全接收信号。

5

FM位置卡尔曼滤波优先算法航

卡尔曼滤波（Kalman filtering）是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。卡尔曼先生在NASA埃姆斯研究中心访问时,发现卡尔曼滤波算法对于解决阿波罗登月计划轨道预测计算有很大帮助于是,推荐阿波罗飞船导航计算机采用此算法，顺利解决了轨道预测计算的难题。卡尔曼滤波算法后来推广到航空航天等多领域。飞机FM位置计算便是采用了这种算法，如图-2所示。

图-2 FM的KALMAN滤波位置算法
目前民航飞机大多安装了全球定位系统，所以FM优先采用混合的GPS/INERTIAL位置。具体运算步骤为：MMR将接收的数据处理后，将位置数据发给ADIRU，由ADIRU来进行GPS-IRS的混合计算，FM采用的就是ADIRU计算的混合位置。当两套GPS数据都丢失后，采用DME/DME（或VOR/DME）/INERTIAL混合计算。当丢失所有的无线电导位置后，采用ADIRU独自计算位置，如图-3 所示。采用不同导航源的混合算法计算的位置精度各不相同。经测算，95%的飞行时间内，采用混合GPS/IRS位置， 实际导航性能ANP一般可以在0.1海里范围内;单独采用DME/DME系统定位，系统测距误差一般在0.1-0.4海里，混合DME/DME-IRS位置精度误差约为4海里左右;单一ADIRU位置误差有可能达到10海里之大。所以飞机在运行RNP（注释2）规范时（例如RNP AR、RNP APCH）对飞机ANP值有了对应的精度要求，若GPS数据丢失，将导致飞机不具备相对应的RNP运行资质。


图-3 FM位置算法逻辑表

6

GPS丢失后的驾驶舱警示

波音系列飞机（例如737NG）当GPS数据丢失后，ND显示器自动跳出“UNABLE REQD NAV PERF-RNP琥珀色信息，同时ANP值大于RNP值从白色变为琥珀色显示。CDU同步显示：“UNABLE REQD NAV PERF-RNP”警示信息。如图-4。



图-4 B737NG GPS丢失ND和CDU警告显示
空客系列飞机，导航显示器ND上的白色“GPS PRIMARY”会自动变为琥珀色的”GPS PRIMARY LOST”如图-5 所示。



图-5 空客飞机 GPS数据丢失ND显示
国产ARJ21-700飞机GPS数据丢失后，会在MCDU上显示琥珀色的“GNSS NOT AVILABLE”信息，ED的右上角显示蓝色的提示信息“TAWS TERR FAIL” （ARJ21中上位置显示器名称为ED EICAS DISPLAY），如图-6 所示。




图-6  ARJ21-700 GPS数据丢失CDU和ED显示

7

维护建议

目前，主流民航飞机均安装了2套GPS系统，FM优先采用混合GPS/IRS位置。精度可以满足最高的RNP AR APCH运行要求（即95%以上飞行时间，ANP小于0.1海里）。当失效一套或两套GPS系统，会引发FM定位精度的下降，从而丢失RNP运行资质。GPS数据除了给FM用于计算飞机位置外，还给位置数据提供给增强型近地警告系统EGPWS，GPS位置数据丢失，EGPWS系统的地形识别和告警显示功能将失效。航线维护中，遇到GPS数据丢失，需要及时查明原因，排除故障，以避免影响飞机正常运行。
表一：波音B737NG和B787系列飞机RNP/RNAV运行GPS数据要求


表二：空客A320和A330系列飞机RNP/RNAV运行GPS数据要求


对于未安装GPS系统的飞机如B737CL机型，FMC无法使用混合GPS/IRS的计算位置。所以无法申请RNP-4及以上高精度运行规范。如丢失无线电导航DME/DME(或VOR/DME)位置，或ADIRU计算的位置误差较大时，飞机ANP值约在10海里及以上。此时无法满足RNAV运行。航线维护中，需要关注导航源系统的可靠性。金鹏航空B733机队为了申请香港空域RNP Basic 运行。作为全球启动用户给B737CL机队增装了GPS系统。
注释1 ANP, Actual navigation performance 实际导航性能，是飞机飞行管理计算机对自身位置的预测，即95%以上飞行时间预计的最大位置误差。也就是，在95%以上的飞行时间内飞机的实际位置在以FM位置为中心以ANP值为半径的圆圈内。ANP值越小，FM对位置预测的可信度越高。
注释2 RNP, Required navigation performance 所需导航性能，指在有监视能力的空中交通环境下，划分各类空域或航路后，按类对应地规定飞机所需要的导航性能，是全球性统一标准，例如航路默认2海里、终端区1海里、进近0.3海里。RNP-1表示在此空域内的航空器水平导航精度要在1海里以内。RNP值可以由导航数据库提供或人工输入。
END



感谢大家对机务论坛的支持，关注机务论坛，倾听机务心声！航企优秀的方面必定宣传，不足的地方也必须指出，让领导们重视问题，解决问题，营造更好的机务维修环境。
征稿:所见所闻，个人感悟，个人成长历程及感人故事。特别征稿：我师傅的故事！同时，征集劳动仲裁案例，分享案例，让更多的小伙伴能了解劳动纠纷的解决方式，通过劳动仲裁维护自己的合法权益。

评论区留言，同意的点赞扫码添加小编微信匿名爆料

民航机务论坛微信公众平台
改名为：机务论坛发布最新行业动向 深入解读政策法规开辟维修工程专栏 交流飞机排故经验分享前沿技术应用 预测职业发展前景行业大咖讲经布道 业界专家授业解惑致力打造一流的民航机务朋友圈----机务论坛关注机务论坛，倾听机务心声！投稿邮箱：duanwei0615@163.com

fatlion1981

楼主大好人吖，一生平安！