張明昊，朱國輝，郭平平（民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司技術(shù)開發(fā)部，北京 100091）

地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張明昊，朱國輝，郭平平
（民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司技術(shù)開發(fā)部，北京 100091）

地基區(qū)域?qū)Ш绞菂^(qū)域?qū)Ш綄?shí)施的重要組成部分，地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行需要對導(dǎo)航設(shè)施覆蓋范圍及其精度的有效性進(jìn)行評估，從而保證此導(dǎo)航方式下運(yùn)行的有效性和安全性。介紹了地基區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的基本計(jì)算原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航性能分析評估、數(shù)據(jù)交換等方面的功能，并結(jié)合具體機(jī)場對應(yīng)用案例進(jìn)行了分析。從而給出了一種針對地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u估問題的解決方案。

區(qū)域?qū)Ш?；?dǎo)航性能評估；信號覆蓋；更新區(qū)；精度分析

在傳統(tǒng)陸基導(dǎo)航方式下，飛機(jī)接收陸基導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送的導(dǎo)航信號，沿地面導(dǎo)航臺進(jìn)行向背臺飛行，飛機(jī)必須沿由地面導(dǎo)航臺確定的折線飛行，延長了飛行時(shí)間和距離，增加了燃料消耗，降低了飛行效率。

為克服傳統(tǒng)導(dǎo)航方式的限制，美國于上世紀(jì)70年代開始實(shí)施RNAV[1]。RNAV允許飛機(jī)在導(dǎo)航設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)或?qū)Ш较到y(tǒng)能力范圍內(nèi)沿任意想要的航路飛行。RNAV和RNP很大程度上實(shí)現(xiàn)了靈活飛行，在美國和歐洲應(yīng)用已超過20年，取得了巨大的效益。

由傳統(tǒng)航路向RNAV航路運(yùn)行的過渡過程中，地基DME/DME導(dǎo)航[2]方式是實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行平穩(wěn)過渡的首選方案。根據(jù)國際民航組織要求，DME-DME區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行要求航空器必須是在DME站點(diǎn)的覆蓋范圍之內(nèi)且必須能同時(shí)接受至少2個(gè)DME臺的輸入，以保證系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)性。因此對地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行性能進(jìn)行評估是保障地基區(qū)域?qū)Ш巾樌\(yùn)行的重要手段。

美國FAA早在上世紀(jì)90年代，就已在其開發(fā)的RNAV航路評估系統(tǒng)——RNAV-Pro[3]中包含了詳細(xì)的航路性能評估方面的內(nèi)容。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于美國常規(guī)航路和區(qū)域?qū)Ш胶铰罚≦航路）的規(guī)劃和建設(shè)工作當(dāng)中，為其進(jìn)行航路劃設(shè)時(shí)的可行性分析和安全評估提供重要的決策依據(jù)。在歐洲的空管一體化進(jìn)程中，也開發(fā)了一系列用于空域規(guī)劃和安全評估的工具，其中也包含了航路保護(hù)區(qū)劃設(shè)和安全性能評估等工具。這些工具，在歐洲一體化天空的應(yīng)用演變過程中，發(fā)揮了非常大的作用。

目前，中國尚無科學(xué)、有效的工具評估DME/DME區(qū)域?qū)Ш?，現(xiàn)有覆蓋系統(tǒng)只能根據(jù)地形和臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行單臺站傳統(tǒng)導(dǎo)航覆蓋計(jì)算，不具備DME/DME更新區(qū)覆蓋、DME/DME精度評估、關(guān)鍵DME篩選能力。隨著《中國民航PBN實(shí)施路線圖》[4]的發(fā)布，北京首都、廣州白云、深圳寶安、上海虹橋、上海浦東機(jī)場、天津?yàn)I海、烏魯木齊地窩鋪機(jī)場已實(shí)施RNAV 1區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行，長沙機(jī)場、武漢機(jī)場等機(jī)場也將于2012年逐步推動RNAV 1運(yùn)行，對于區(qū)域?qū)Ш紻ME/DME覆蓋評估提出了更高的要求。通過對DME/DME區(qū)域?qū)Ш礁聟^(qū)信號覆蓋范圍和精度評估，并結(jié)合擬劃設(shè)的航路和終端區(qū)飛行程序，可以有效地評估現(xiàn)有地面導(dǎo)航設(shè)備對運(yùn)行的支持程度，并為導(dǎo)航設(shè)備布局優(yōu)化和規(guī)劃建設(shè)提出建議和意見。

為進(jìn)一步加強(qiáng)地面導(dǎo)航設(shè)備業(yè)務(wù)管理，推動基于性能導(dǎo)航PBN工作的實(shí)施，科學(xué)有效評估擬實(shí)施航路和終端區(qū)DME/DME導(dǎo)航能力，開展區(qū)域?qū)Ш降孛嬖O(shè)備評估和規(guī)劃工作，提高空管區(qū)域?qū)Ш降孛嬖O(shè)備運(yùn)行管理和保障能力，指導(dǎo)導(dǎo)航設(shè)備規(guī)劃、建設(shè)、評估、運(yùn)行等各項(xiàng)工作，民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司研發(fā)了“地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u估系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可評估地面DME/DME設(shè)備覆蓋、精度及其對航路航線、終端區(qū)飛行程序的支持能力，對地基導(dǎo)航設(shè)備規(guī)劃等工作起到了輔助性作用。

本文對“地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u估系統(tǒng)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、存儲方式、功能及應(yīng)用成果等方面進(jìn)行介紹。

1 國外研究現(xiàn)狀

目前美國在地基區(qū)域?qū)Ш叫阅軝z查方面主要使用RNAV-Pro[3]工具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化篩查，RNAV-Pro[3]是由FAA定制開發(fā)的一款多用途、標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)域?qū)Ш皆O(shè)計(jì)檢查工具，其應(yīng)用于評估RNAV和所需導(dǎo)航性能（RNP）航路的主要參數(shù)。這些參數(shù)包括TERPS標(biāo)準(zhǔn)篩查，可飛行狀態(tài)篩查，DME/DME篩查，雷達(dá)探測范圍篩查和通信覆蓋篩查。其中，TERPS標(biāo)準(zhǔn)篩查可以檢查終端和航路的環(huán)境是否滿足8260.40B，8260.44A，8260.50 和8260.51A對地形和障礙評估的要求；可飛行狀態(tài)篩查用于防止出現(xiàn)飛行器無法沿著設(shè)置的航路點(diǎn)飛行的情況；DME/DME覆蓋篩查用于檢查DME/DME臺站的幾何學(xué)有效性，以此來達(dá)到導(dǎo)航的準(zhǔn)確性；雷達(dá)探測范圍篩查和通信覆蓋篩查用以檢查雷達(dá)和通信設(shè)備信號的覆蓋范圍。

2 地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u估系統(tǒng)

系統(tǒng)以高精度矢量數(shù)字地圖和現(xiàn)有通信導(dǎo)航監(jiān)視信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托空管ATM網(wǎng)絡(luò)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用客戶端/服務(wù)器和瀏覽器/服務(wù)器兩種模式，可為民航局空管局及地區(qū)空管局提供全國范圍內(nèi)的DME/DME設(shè)備評估服務(wù)。系統(tǒng)具備地圖管理、導(dǎo)航臺站管理、航路航線評估、終端區(qū)評估、DME/DME覆蓋精度分析等主要功能，如圖1所示。

圖1 RNAV-Pro評估系統(tǒng)Fig.1 RNAV-Pro evaluation system

2.1 地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u估原理

地基區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的性能主要依賴于DME/DME導(dǎo)航臺站的更新區(qū)覆蓋情況，DME/DME更新區(qū)的覆蓋原理如圖2所示。

圖2 兩個(gè)DME臺站A與B的更新區(qū)Fig.2 Update area of DME A and DME B

A和B兩個(gè)DME臺站組成的更新區(qū)如圖2陰影部分所示，更新區(qū)為兩個(gè)DME臺站覆蓋重合的部分，覆蓋重合區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)與兩個(gè)DME臺站之間的夾角需在30°～150°之間，并且距離任意臺站3 n mile以內(nèi)的范圍不可用。

當(dāng)系統(tǒng)評估范圍內(nèi)的更新區(qū)滿足目標(biāo)要求的覆蓋水平時(shí)，即可認(rèn)為系統(tǒng)理論上具備以地基區(qū)域?qū)Ш椒绞竭\(yùn)行的能力。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)采用民航局空管局、地區(qū)空管局兩層構(gòu)架結(jié)構(gòu)[5]，如圖3所示。數(shù)據(jù)庫服務(wù)和Web服務(wù)器位于各機(jī)場，負(fù)責(zé)全國所有導(dǎo)航臺站數(shù)據(jù)存儲、收集、計(jì)算、發(fā)布功能，各地區(qū)空管局通過ATM專線以Web的形式訪問服務(wù)器，開展DME/DME評估和規(guī)劃工作。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture

系統(tǒng)主要以GIS平臺為基礎(chǔ)，通過GIS平臺的空間運(yùn)算和分析功能實(shí)現(xiàn)航路安全分析的業(yè)務(wù)邏輯。

在數(shù)據(jù)庫使用方面，系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫和本地?cái)?shù)據(jù)相結(jié)合的運(yùn)行方式，地型數(shù)據(jù)和用戶評估產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中，空域數(shù)據(jù)存儲在本地?cái)?shù)據(jù)文件中。這樣做的優(yōu)勢在于，把需要經(jīng)常變動的空域數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中獨(dú)立出來，可以方便地更新當(dāng)前的空域結(jié)構(gòu)。便于數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)上采用層次化設(shè)計(jì)[5-6]的方式，實(shí)現(xiàn)了不同職責(zé)系統(tǒng)功能的分離，達(dá)到了系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)松耦合的目的，如圖4所示。

數(shù)據(jù)庫層由Oracle數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)訪問模塊組成，用以對整體系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫訪問支持。

系統(tǒng)平臺層由SuperMap相關(guān)的系統(tǒng)組件及Web系統(tǒng)服務(wù)組件組成，對系統(tǒng)空間分析運(yùn)算及Web服務(wù)提供支撐。

業(yè)務(wù)邏輯層主要由自定義覆蓋計(jì)算引擎、數(shù)據(jù)分析器、地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)對象、方案管理、報(bào)告輸出、用戶管理等模塊組成，各模塊之間以接口方式明確分工，業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)中最重要的組成部分，在系統(tǒng)運(yùn)作中起到紐帶的作用。

展示層是系統(tǒng)對用戶交互的平臺，由于用戶的特殊要求，本系統(tǒng)采取了窗體與Web兩種形式的界面結(jié)構(gòu)，適用于不同層次用戶的使用。

2.4 系統(tǒng)功能

1）地圖管理功能 構(gòu)建一個(gè)空域模型生成平臺。使用該平臺，可以完成全國現(xiàn)行空域結(jié)構(gòu)的二維虛擬再現(xiàn)。在該空域結(jié)構(gòu)中，主要包括機(jī)場、航路航線、導(dǎo)航設(shè)施、航路點(diǎn)、障礙物、保護(hù)區(qū)、終端區(qū)邊界等。用戶可以對該空域模型進(jìn)行基本的交互操作，如平移、縮放、查看和編緝空域?qū)ο竦膶傩?、添加和刪除空域?qū)ο竦取?/p>

圖4 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.4 System design structure

2）終端區(qū)DME/DME更新區(qū)評估功能 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶指定的終端區(qū)特定高度層DME/DME更新區(qū)覆蓋評估，為機(jī)場實(shí)施RANV前提供導(dǎo)航能力數(shù)據(jù)支持，也可為飛行程序劃設(shè)提供依據(jù)。

3）航路DME/DME更新區(qū)評估 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對于現(xiàn)有航路和預(yù)設(shè)航路DME/DME覆蓋評估，并可以設(shè)定航路評估間隔、航路高度，系統(tǒng)以航路覆蓋圖和DME對列表的形式提供評估結(jié)果。

4）區(qū)域DME/DME更新區(qū)評估 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶指定的區(qū)域、管制區(qū)特定高度層DME/DME更新區(qū)覆蓋評估，為地區(qū)用戶評估本地區(qū)DME/DME覆蓋，臺站建設(shè)規(guī)劃提供支持。

5）DME/DME更新區(qū)分析功能 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)DME/DME更新區(qū)覆蓋重?cái)?shù)分析、可用的空域范圍計(jì)算、導(dǎo)航臺導(dǎo)航精度評估、關(guān)鍵DME分析、評估報(bào)表功能。

6）飛行程序?qū)爰霸u估模塊 本系統(tǒng)為用戶提供導(dǎo)入預(yù)定義格式飛行程序的接口，以及實(shí)現(xiàn)飛行程序?qū)Ш侥芰Φ脑u估。

2.5 評估應(yīng)用

以系統(tǒng)的區(qū)域DME/DME更新區(qū)評估功能為依托，可以對機(jī)場周邊運(yùn)行地基區(qū)域?qū)Ш竭M(jìn)離場程序的情況進(jìn)行規(guī)劃評估。以沈陽桃仙機(jī)場為例，如圖5所示，機(jī)場2 500 km2內(nèi)3 000 m高度層的DME/DME覆蓋現(xiàn)狀多為不符合要求的深灰色區(qū)域，通過在機(jī)場周圍補(bǔ)充6部DME導(dǎo)航臺補(bǔ)盲后，預(yù)計(jì)有效覆蓋面積將可以達(dá)到80%以上，圖6為擬新增4個(gè)DME臺站后的覆蓋效果。

圖5 沈陽3 000 m覆蓋（現(xiàn)狀）Fig.5 Coverage area of Shenyang at attitude of 3 000 m(current)

圖6 沈陽3 000 m覆蓋（規(guī)劃后）Fig.6 Coverage area of Shenyang at attitude of 3 000 m(modified)

圖7 東北DME/DME覆蓋（現(xiàn)狀）Fig.7 CoverageareaofnortheastChinaatattitudeof7200m(current)

類似的評估也可用于航路階段，如圖7所示為東北地區(qū)7 200 m高度層DME/DME覆蓋現(xiàn)狀，在哈爾濱東北方向仍有較大的盲區(qū)缺口，通過補(bǔ)充2部導(dǎo)航臺站補(bǔ)盲后，伊春北側(cè)航路的理論運(yùn)行效果將有明顯改善（圖8為新增規(guī)劃后DME臺站后的覆蓋效果）。

圖8 東北DME/DME覆蓋（規(guī)劃后）Fig.8 Coverage area of northeast China at attitude of 7 200 m(modified)

3 結(jié)語

地基區(qū)域?qū)Ш皆u估系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式，以C/S與B/S系統(tǒng)優(yōu)勢互補(bǔ)的形式解決地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行精度與性能評估問題，為地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行提供保障。該系統(tǒng)能夠?yàn)閷?dǎo)航臺站布局規(guī)劃提供明確且量化的數(shù)據(jù)指標(biāo)，且已部署于民航局空管局和各地區(qū)空管局，為通信導(dǎo)航監(jiān)視部門制定決策規(guī)劃，各地區(qū)空管局參考制定適合本地區(qū)的工作發(fā)展方案提供支持。

[1] 國際民航組織.Doc9613 AN/937，基于性能的導(dǎo)航手冊[S].蒙特利爾:國際民航組織，2008.

[2]國際民航組織.Doc8168 OPS/611，空中航行服務(wù)程序航空器運(yùn)行（第Ⅱ卷）目視和儀表飛行程序設(shè)計(jì)[S].蒙特利爾:國際民航組織，2006.

[3]美國聯(lián)邦航空局.RNAV-Pro用戶手冊[G].俄克拉荷馬市：美國聯(lián)邦航空局，2007.

[4]中國民用航空局.中國民航基于性能的導(dǎo)航實(shí)施路線圖[G].北京:中國民用航空局，2009.

[5]溫 昱.軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[6] RIEHLE DIRK.Framework Design:A Role Modeling Approach[D]. Swiss:Swiss Federal Institute of Technology，2000.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Ground-based RNAV performance evaluation system design and application

ZHANG Ming-hao，ZHU Guo-hui，GUO Ping-ping
（R&D Dept.，Aviation Data Communication Corp oration，Beijing 100191，China）

Ground-based area navigation is an important part of the implementation of area navigation，and the operation of ground-based area navigation must evaluate the coverage and accuracy of the DME facilities，in this way to ensuring the effectiveness and safety.This article describes the basic calculation principle of the ground-based area navigation system，the network structure，the system design method and the function of system，such as data management，analysis and evaluation of navigation performance，data exchange，and so on.This paper also introduces an application case which combined the specific airport.The purpose of this paper is that giveing a solution to solve the problem of ground-based regional navigation performance assessment.

RNAV；navigation performance evaluation；signal coverage；update area；accuracy assessment

V249.3

A< class="emphasis_bold">文章編號：16

1674－5590（2013）01－0005－04

2012-05-04；

2012-08-10

國家科技支撐計(jì)劃（2011BAH24B08）

張明昊（1981—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榭沼蚬芾?