飞机在空中的飞行位置是怎样确定的?

题目

飞机在空中的飞行位置是怎样确定的?

答案

早期的领航概念中是没有定位一说的,飞行员或者领航员只是通过观察公路、铁路、河流、山峰、城镇或湖泊等地标来确定飞机的方位.单纯的NDB或VOR也只是飞机定向的一种手段.直到80年代DME加盟无线电导航后,才使定向向定位前进了一步.现在以GPS为代表的卫星导航系统是被广泛应用的精确定位的一种主要导航方式.
导航种类主要分惯性导航和无线电导航两种.
惯性导航是指安装在飞机上的惯性基准系统（IRS）.它主要由3个加速计和3个陀螺仪构成.加速计用于测量飞机的3个平移运动加速度,指示当地地垂线的方向；陀螺仪用于测量飞机的3个转动运动的角位移,指示地球自转轴的方向.计算机对测出的加速度进行两次积分,计算出飞机的位置.以A320飞机为例,它有3部惯性基准系统,就提供了3个惯性基准系统的位置给飞行管理计算机（FMC）,飞行管理计算机则根据这3个位置再计算出一加权平均值,我们称之为“混合惯导”（MIX IRS）位置.
无线电导航是指通过测定无线电波从发射台到接收台的传播时间或相位和相角来进行定向定位的.地面雷达定位也是无线电导航的一种方式.现在一般将无线电导航分为陆基导航和星基导航两种.
陆基导航依靠的是台站与台站之间的相对位置,由一个台站到另一个台站.譬如由NDB到NDB或由VOR到VOR或NDB与VOR之间.星基导航依赖的是一系列航路点的精确位置,它的主要特征是任一点的坐标化.它所使用的导航设施有：DME-DME、VOR-DME、GPS、GLONASS等.举个简单例子：回上海由东山（KN）到嵊县（JF）到庵东（AND）一段,我们现在的飞行计划中所使用的只是这几个点的地理位置坐标,而不是它们的频率,所以我们认为这是星基导航的方式.但如果GPS不可用或飞行管理计算机部分存在问题,我们就需要使用这些航路导航设施的具体频率,向台或者背台飞行,从而达到进场的目的,这时候我们所使用的就是陆基导航的方式,也就是传统的无线电导航模式.由此可见,不是说使用陆地上的导航设备就是陆基导航,也不是说星基导航是仅仅使用GNSS（全球卫星导航系统）.在区域导航的现阶段,还是脱离不了这些航路导航设施的,或许在未来的新航行系统中会完全抛弃现有的航路导航设施,实行点与点之间的直接对话.
我们通常所说的无线电位置,是指机载接收机向飞行管理计算机传送接收到的信号,通过测距定位（DME-DME）或测距测向定位（DME-VOR）,来确定的位置.其工作原理是：飞机起飞后,与飞行管理计算机有关的机载无线电导航系统开始工作,对两个地理位置最好的DME台（两个台与飞机连线之间的夹角大于30度小于150度）进行自动调谐,计算出距离后与导航数据库里的各台经纬度以及从其它渠道得到的飞行高度等其它信息相结合,计算出飞机的无线电位置.当DME接收机无法接收到两个符合条件的地面DME台信号时,机载无线电导航系统就会选择同一位置的DME/VOR.在盲降进近期间,用LOC（航向信标）更新使用LOC波束的横向位置（DME/DME-LOC或VOR/DME-LOC）.
全球卫星导航系统（GNSS）是星基导航系统的核心.它主要包括美国国防部掌握的GPS和前苏联从80年代开始建设现在由俄罗斯空间局管理的GLONASS,以及由西欧欧洲空间局正在建设的NAVSAT系统.GPS是目前应用最广泛的卫星导航系统,但在航空应用方面却受到了技术和政策的干扰,在纯民用的NAVSAT系统投入使用前,用户还没有自主选择的空间,所以使用的还是INS/GPS 这种组合,这也是现在我们最主要和最常用的导航方式.所以我们平常所说的GPS位置,对飞机而言,其实就是GPIRS,即INS/GPS的混合位置.每一部惯性基准系统都有一个和GPS的混合位置,飞行管理计算机根据其品质等级数及优选性选择其中的一个.
综上所述可知,单纯的NDB和VOR是不能定位的,那么惯导位置、无线电位置和GPIRS位置哪个才是代表飞机的位置呢?FMC（本文不涉及FMC对飞机其它系统提供其它类型数据的作用,单独考虑其在坐标和位置方面的计算）考虑每个定位设备的精确性和完整性而选择最精确的位置,从这个意义上来说,飞机的位置,就是FM的位置.假如GPS数据有效并且测试合格,那么GPS/INERTIAL为基本的导航方式.否则的话,使用无线电导航台加惯导或仅用惯导.即FMGS（飞行管理引导系统,以A320为例,它包括2个飞行管理引导计算机FMGC、2个多功能控制显示组件MCDU、1个飞行控制组件FCU和2个飞行增稳计算机FAC）使用GPS或当GPS不工作时使用无线电导航台更新FM位置.优先顺序为：IRS-GPS、IRS-DME/DME、IRS-VOR/DME、仅用IRS.飞行初始化时,每部FMGC（飞行管理引导计算机,我们通常讲的FMC是指它的管理部分而没有提及其引导部分）显示一FM位置,这个位置是一个GPIRS；起飞时,FM位置更新为储存在数据库里的跑道入口位置；飞行中,FM位置向无线电位置或GPS位置接近,其接近率取决于飞机高度.FMGC一直在计算从混合惯导位置到无线电位置或GPS位置的矢量偏差.如果无线电位置或GPS位置可用,每部FMGC不断更新这个偏差.所以飞机的位置不是单纯的惯导位置或无线电位置或GPS位置,这和飞机的导航方式以及飞机所处的不同阶段是相关的.当然,所有的位置都是针对WGS-84坐标系而言的,在内地使用北京54坐标系时,由于GPS使用的也是WGS-84坐标系,可能还会有所偏差,在这里就不额外表述了.