向新航行系统过渡前的全向信标和测距仪配置

一、引言 
        中国民航新航行系统卫星导航系统实施技术政策的任务中提出了在20～30年内，导航方面将以单一的卫星导航取代传统的陆基无线电导航系统。并明确在国际协调的基础上稳步推进，分阶段逐步过渡到利用“全球导航卫星系统”(GNSS)所提供的服务。 
        虽然未来20～30年并不遥远，但在目前至过渡时期，陆基无线电导航、尤其是航路全向信标(VOR)和测距仪(DME)导航仍将是航空导航的主要手段。况且一些70、80年代引进的设备已进入了更新期，再过几年90年代初安装的设备也将逐批更新。因此，陆基无线电导航设备如何配置，应是一个值得探讨的问题。 


        二、航路无线电导航设备 
        我国早期飞行中的航路无线电导航，都是以测向作为基本导航手段，飞机利用无方向信标(NDB)，从一个导航台上空飞到另一导航台。即使从60年代中期开始引进VOR，飞行员也是借助于机载全向方位选择器选定VOR的一个方位径线，操纵飞机沿着选定的径线向台或背台飞行。当80年代DME加盟无线电导航后，才使单一的测向向定位前进了一步，这些最基本的导航设备为飞行安全作出了极为重要的贡献。 
        经过几十年的建设、尤其是90年代的大规模建设，在航路导航方面除NDB外，已有140 余个VOR/DME台投入了运行，在我国东部地区6000米以上的高空航路和航线，已可实现 VOR/DME信号覆盖。 


        三、新一代机载设备与VOR和DME 
        随着科技的发展，现代运输机采用的飞行管理计算机系统(FMCS)已是一种高级区域导航系统和性能管理系统的组合。在无线电导航方面，机载系统一般有两台VOR和两台DME 接收机，当飞机在有VOR和DME信号覆盖的区域内飞行时，接收机向FMCS传送接收到的信号，其采用的定位方式有两种，测距定位(DME—DME，ρ-ρ定位)和测距测向定位(DME-VOR，ρ -θ定位)，但根据软件的设置，FMCS选择导航数据的顺序为： 
        (1)DME-DME：两个不同位置的DME台； 
        (2)DME-VOR：同一位置的DME/VOR台。 
        即在正常情况下，FMCS优先选择的是ρ-ρ定位。工作原理是，飞机起飞后与FMCS有关的机载无线电导航系统开始工作，首先检索导航设备清单，对两个地理位置最好的DME 台进行自动调谐，选择最佳对的原则是要求两个台与飞机连线之间的夹角(α)要满足： 30°＜α＜150°，如图1所示。当机载接收机收到离这两个台的距离后，由于导航数据库内存有各台的经纬度，再加上其他渠道获得的飞机高度，那么飞机的位置也就确定了。 
        只有当DME接收机无法接收到两个符合条件的地面DME台信号时，才选用ρ-θ定位。可见，只要DME台工作正常，DME的利用率要大大高于VOR。 
        而且，当FMCS使用ρ-ρ导航时，计算飞机速度的准确度可达±5.5km/小时；而用ρ- θ导航时，计算的准确度为±11km/小时。显然，DME-DME优于DME-VOR。这只是计算飞机速度的一个比较，对VOR和DME系统的准确度，也可用国际民航公约附件十(航空电信)对 VOR和DME的准确度要求做一比较： 
        (1)VOR准确度：在信号覆盖范围内，在95%概率情况下，系统误差为±5°； 
        (2)DME准确度：在距离应答器0～370km范围内，总的系统误差(包括读数误差)应不大于±0.9km或所测距离的3%。 把VOR的方位误差度数折合成距离，也可见逊于DME。 
        另外，FMCS采用ρ-ρ导航，可在两个机场或两个目标点之间采用大圆弧路径，得出最短的飞行距离，如再结合其他导航数据，可把飞机从点到点的一个狭窄的航线上解脱出来。只要在有DME信号覆盖的地方，都可为飞机提供足够的位置信号，因而实现区域导航，这与未来的新航行系统中采用GNSS所能实现的区域导航是异曲同工的。因此，在今后20～ 30年的过渡期内，即使开始采用区域导航，现有的DME也完全能担负这一重任。 


        四、配置实例与存在的问题。 
        下面以图2所示的京—沪和沪—广航路的华东段为例，来看地面VOR/DME台的配置及存在的问题。在这两条航路上或航路周围均分布有十几个VOR/DNE台，除部分是本航路导航台外，大部分是邻近航路的导航台或安装在机场内的终端台(但这些台配置的都是大功率设备，完全可以承担航路导航任务)。也就是说，在地面台≤370km的有效覆盖距离内，飞机在航路上的任意一点，都有多个VOR/DME台的信号可供FMCS选择，以得到最佳对。 
        然而，由于管理体制、收入分配等多种原因，大部分安装在机场内的终端台实际上仅为本场提供导航服务。没有航班不开设备，或航班结束设备关闭，有些设备即使24小时开着，也并不承担航路上的飞机导航任务，使已有的设备未发挥应有的作用，经济效益极差。 
        其次，航路导航台一般都要求设在航路宽度的正中，部分地区受电磁环境的影响，设台难度大、费用高。另外，VOR存在顶空盲区，当采用ρ-θ导航，飞机在巡航高度(例如9000m) 飞临VOR/DME台上空时，在台址半径10km范围内(约70～80秒钟)无法收到正常信号，高度越高，盲区半径越大。 


        五、VOR/DME和DME建台费用比较 
        从80年代未开始，中国民航配置的VOR全部是进口的多普勒VOR，目前VOR采购价约 20万美元(约166万元人民币)、DME约10万美元。建设一个VOR/DME台和单独DME台的平均费用比较列于附表。 
        表中可见，建设一个DME台和一个VOR/DME台平均价差168万元，这还不包括以后每年的运行维护费用。 


        六、结语 
        为进一步满足空中交通管制的需要，中国民航在“九五”规划中仍将建设一批VOR/DME 台，例如华东地区的京—沪线上的泰安、扬中，沪—广线上的南浔、嵊县、南丰等等。通过以上的论述和比较，笔者认为随着机载设备的不断发展，在那些仅靠航路导航设施还无法达到VOR/DME信号覆盖、而仅需DME就能完成航路导航(包括未来区域导航)的地方，只建DME台是否可行，以及航路导航台是否一定要设在航路上，应是一个很有探讨价值的问题。因为对于整个民航系统来说，这其中的经济效益相当可观。当然，在增建、改建更多的新设施前，充分理顺管理体制，发挥所有已有设备的作用，则更具极大的经济效益。