Navigation and Radios
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Navigation and Radios 所有你想認識的飛行導航裝備和通訊裝備

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本章重點

Navigation and Radios

一趟飛行最簡單的路線,就是由出發地機場到目的地機場兩個點組成。

旅途距離或長或短,導航/通訊配備或高檔,或簡陋,都折損不了一趟飛行的任務目標 – 安全抵達目的地

一趟正常的商用航班,可不像牽一隻小狗到公園散步,可以在抵達目的前隨意逗留。為確保航程順暢、安全、準時,好的導航裝備通訊裝備 (Navigation and Radios),絕對是飛行員重要的左右手 。

這一篇,就讓我們來認識常見的飛機裝備有哪些,以及這些裝備的作用原理。


重要概念

導航等級

掌握正確方向,是每段航程的必然。

飛行的世界,雖然比地面上的交通工具多了一個垂直的維度要考慮,但在地理空間上的經緯度概念是不變的。

人類自古觀察星象、研究海相以完成旅行。隨著科技不斷進步,到了現在人手一機使用 GPS 定位,即使不知道路怎麼走,直到引擎發動後,都可以依靠 GPS 穩妥地到達想去的地點。

飛行的導航歷史也有相似的進化史,以下介紹三個不同階段的導航方式:

初階:Pilotage & Dead Reckoning

100 多年前萊特兄弟發明了飛行器後,人類開始用飛行器,做更長途的旅行。最初使用肉眼、人腦運算方式來辨別方向,透過下面兩種方法:

1️⃣.Pilotage 地標導航法

在我學飛初期,使用的就是這個方法。

手上拿著飛行地圖,飛到安全的高度後,一邊飛行,一邊用地圖來對照外界的顯著地標(平原、河川、建築物、山脈…)這份地圖會讓飛行員可以找得出來自己在地圖中的位置,當然,如果在一個地形地貌相對沒特色的地方(我當初學飛的地點),就非常考驗認路的能力!

VFR 航圖
VFR 航圖

2️⃣.Dead Reckoning 航位推測法

Dead Reckoning
Dead Reckoning

利用飛機位置、速度、方向來推測目的地距離、時間的一種導航方法,因為變數多,所以要精準的使用此方法來導航比較少。

簡單來說,就是推斷「距離=速度 x 時間」的一個方法。

中階:Class I Navigation

地面助導航設備 – 協助飛機定位導航,常見為以下三種:

  1. VOR(Very high frequency Omnidirectional Range):用超高頻 VHF 定向方位的地面助導航設施
  2. VOR/DME(VOR + Distance Measuring Equipment):VOR 結合 DME 地面助導航設施,後者的功能,在於可讓飛機顯示相對於站台的距離
  3. NDB(NonDirectional radio Beacon):中低頻 LF, MF 波長的地面助導航設施

這些導航設施,通常我們稱之為站台(Station),即使有中文翻譯名稱,但在航空界也不常使用,所以僅介紹該設備的全名。

隨著無線電波波長的不同,而有不同的使用限制,NDB 算是較早期使用的設備,在我學飛時期(2016-2017)也很少看到了,只在模擬機裡,有機會練習飛 NDB 的技巧;相對的, VOR 站台現在仍然常見。然而,以美國內陸來說,隨著其他更高級、精確的導航設備陸續建置,有越來越多的 VOR 隨著時代,慢慢淘汰不使用。

高階:Class II Navigation

在 Class I 的訊號範圍之外實的導航方式,用以彌補航路中,無法安裝助導航設施地區的導航模式。常見的有以下兩種:

  1. GPS(Global Positioning System):全球衛星定位系統。 人人手機上都有的設備,依靠是衛星定位的方式,後面會再介紹到確保訊號正常、準確的技術 WAAS。
  2. INS(Inertial Navigation System):慣性定位系統。 使用陀螺儀的慣性旋轉,來測量飛機在三個維度的加速度,推算出飛機現在的位置的機上設備。這是在飛機上的儀器,這篇暫時不作討論。

小結

現代商用飛機,絕大多數倚賴 Class II 兩種導航設備。

以 777 而言,飛機電腦的運算邏輯,會定位出自己的位置,稱為 FMC Position,基本上會和 GPS 的經緯度差不多。

以 Class I 層級的導航方式飛行,在小飛機或是通用航空(GA)可能比較常見。


導航裝備 Navigation

上一段,只簡單介紹不同導航級別的導航裝備。

這一段,我們來深入了解各導航裝備的特性、限制應用,這些設備彼此互為備份。隨著科技的進步,一些相對較舊的設備將會逐漸被汰換,以節省維修成本。

然而,基於安全考量,以下介紹的設備,現階段來說,還是有其存在的必要,已經淘汰或是我學飛沒有看過的設備,像是 LORAN,就不再多做贅述。

Compass 指北針

Compass 指北針
Compass 指北針

根據法規,現在每架飛機依然會安裝這個最傳統的設備。

指北針有其操作上的限制,在學飛階段會特別關注到指北針的這個特性,簡單的口訣就是 ANDS+UNOS,可以參考下面連結,在此不加詳述。

Compass 是導航設備中的最基本要求。

如果有天外星人把地球全炸了、GPS 衛星也全毀了,但幸運地,他們沒有厲害到把地磁也搞砸,那麼,此時仍在空中的飛機,仍然有能力藉著 Compass 導航降落在某處。

VOR

在開始介紹 VOR 之前,先來了解一下簡單的物理,無線電

無線電地發現人物,就是現在無人不知無人不曉的名字 – “特斯拉 Tesla”。

特斯拉公司當然就是像這位科學界的前輩致敬。而 Tesla 本人是在 1893 年展現他發現的這個技術。

無線電波的行進速度和光一樣快。高中物理,學到的一條公式:

c = fλ (光速=頻率x波長)

就可以用來解釋下面這張表格了。

無線電波速=頻率x波長
無線電波速=頻率x波長

從上表來看 VOR 是屬於 VHF 的範圍,VOR 特性和限制如下:

特性

  • 頻率範圍:108.0 ~ 117.95 MHz
  • 分為H、L、T三種類型的 VOR,以 Service Volume 來區分
  • 部分結合 DME (下一段介紹)的 VOR 稱為 VORTAC
  • 1 dot deviation ~= 200ft/ nm
  • VOR 方位是 Magnetic North

來看專業的 Captain Joe 介紹 VOR 是什麼!

限制

  • 使用 VOR 導航,要 Identify VOR 是正確的,方法是聽它的 Morse Code
  • 實務操作上,飛機需要每 30 天做一次 VOR check,確認裝備的精準度
  • VOR 傳輸距離,依照 Service Volume 而有所不同,從 25nm ~ 130nm 不等
VOR Service Volume /VOR 服務範圍
VOR Service Volume /VOR 服務範圍

應用

怎麼飛 VOR,這個影片有介紹!

DME

特性

  • 頻率範圍: 962 ~ 1213 MHz,屬於 UHF 的範疇,可傳輸距離較長
  • 無線電波的 Slant-range (up to 199nm), line-of-sight 的特性要特別注意,因使用距離長,所以該特性在教科書中,會特別明顯被強調
  • 通常會和 VOR 或 ILS 搭配使用,我目前沒有看過單純 DME 的站台

限制

DME Slant-range
DME Slant-range
  • Slant-range 特性,當飛機飛過 DME 站台上空時,實際與站台水平距離是 0,但儀表卻會顯示垂直的高度距離
  • 一次無法服務過多的飛機,會以訊號強的詢問訊號,為優先服務對象

應用

  • 在 ILS 進場,通常會搭配 DME 來看飛機和跑道間距離,美國通常會需要 +2nm, 台灣的不用(安裝 DME 的位置不同)
  • 另一特別的應用是 DME ARC,怎麼飛好是一個大學問,網路上也有很多影片在討論

NDB

特性

  • 頻率範圍:190 ~ 535 kHz,屬於 MF ~ LF 的範疇,
  • 現在的飛行環境已很少看到,就我學飛的時期也未曾碰過,所以較少討論

限制

  • 很多因素會限制 NDB 的訊號正確性,所以才漸漸地被更新、更準確的導航設備淘汰掉

應用

  • 或許這個影片,可以幫助到你了解如何使用 NDB 飛行

GPS

GPS in aviation
GPS in aviation

這一段所介紹的設備,就不屬於地面站台了,而是利用衛星訊號的導航。

一個在地,一個在天,由地升天就是人類科技進步的歷程,可想見 GPS 技術的複雜度、精準度,會比上述介紹的都還要準一些。

但要記得,最終目的都是一樣的,協助飛機導航、定位,噢對了!還會再講到一點點的通訊 。

GPS 詳細資料,可參考  GPS 全球官網

特性

  • 頻率: 1575.42 MHz,屬於 UHF 的範疇
  • 作用原理:由設備端接收衛星的「時間+距離」資訊,轉換為自己精確的「位置、速度、時間」資訊
  • 同一時間至少要接收到 4 個衛星的訊號(地表上 98% 區域可滿足)
  • 目前由 31(主用)+ 2(備用)衛星 = 33 顆衛星 + 多個地面站台搭配運行( GPS 衛星是由洛克希德 LMT製造,還不用力買下去嗎 ?)
  • 精準度高:最高可精確至 30cm
  • 特殊名詞
    • RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring 接收機自主完整性監控):一種透過接收更多衛星訊號,用以淘汰可能錯誤(誤差)的衛星訊號,以確保訊號品質的技術,至少要能同時接收五個衛星以上的訊號
    • WAAS(Wide Area Augmentation System 廣域增強系統): 為一種 GPS 訊號增強系統,由 FAA 負責制定、運行,已廣泛使用於全球航空業
    • RAIM & WAAS 到底差在哪裡? 簡單來說,如果沒有 WAAS 能力的 GPS 接收器,需要精準一點的話,就會需要 RAIM 的功能;一旦有了 WAAS 能力的接收器,就不再需要 RAIM 的功能了。 WAAS > RAIM

限制

  • 手持式 或是 VFR GPS 不能用來當作 Primary 的導航裝備,只能用來當作提升 SA (Situational Awareness) 的工具
  • IFR Certified GPS 的 database 一旦過期了,只能飛 Enroute, Terminal,無法執行 Approach

應用

  • 如果飛機配備 IFR certified 的 GPS,在 Flight Plan 上會有 /G 的字樣,代表可以用 GPS 滿足 Enroute, Terminal 的航路精確度要求
  • 利用於進場程序,稱之為 LPV,DA 可以近似於 ILS,但仍然不歸類於 Precision Approach
WAAS (FAA)/ SBAS (ICAO)
https://i0.wp.com/spacenews.com/wp-content/uploads/2014/11/WASS_FAA.jpg?w=1290&ssl=1

特性

  • 如上段所述,它是一種 GPS 增強系統,用以增強 GPS 訊號的正確性,廣泛使用於航空、航海業。
  • 精準度:95% 時間 < 3m
  • 系統的組成:除了 GPS 衛星以外,還需要有 GEO Satellites 配合(地球同步衛星),再搭配 WRS, WMS 地面站台,互相搭配以提供機上 GPS 接收器最佳的訊號。
  • 可以提供垂直的精確訊號供飛機進場使用

運作流程簡圖

WAAS Data Flow
WAAS Data Flow

限制

  • 受限於太陽風不穩定的狀況(雖然很少發生)
  • 因為近地衛星位置的關係,位於 > 71.4° 北緯的地區,難維持 WAAS 的能力
  • WAAS GPS 費用不斐,最便宜的 Garmin GNS 430W 現價仍要近 USD$ 7,000 (難怪我一開始學飛的學校沒有安裝 )
  • 無法達到 CAT II, II 以上的精確進場

應用

  • 可提供近乎 CAT I (DH 200ft) Approach 的精準度,稱為 APV (APproach with Vertical guidance) → 兩種 minimum:LPV or LNAV/VNAV,儘管和 ILS CAT I min.,APV 仍非歸類於精確進場程序
GBAS (FAA)/ LAAS (ICAO)

特性

  • 結合 GPS 和 地面站台 VHF datalink (2次/sec)提供飛機導航的技術
  • GBAS 是技術,結合進場的系統和程序,稱之為 GLS (GBAS Landing System)
  • 可以提供 CAT III 的精確性
  • 現階段目標並非取代 ILS,而是提供因地障無法安裝 ILS 的機場(無怪乎很少看到)
  • 維護成本相當於單一跑道的 ILS,但是可以提供該機場所有跑道的 GLS 進場

限制

  • 僅供機場方圓 23nm 的導航範圍

應用

  • 在 APP Chart 上會看到 GLS 字樣
  • 機上的儀器要調整到對應的 ”5 碼“ GLS 頻道
GLS Chart

模擬機影片實作 GLS


通訊裝備 Radios

通話的觀念和技巧在這篇聊過了。

這邊主要來介紹通訊(包含語音文字的媒介,也就是協助飛行員和外界連絡的這些重要裝備。

這些厲害的裝備,主要都是建構在無線電這個劃時代的偉大發現上,一般普遍認為是尼古拉·特斯拉的功勞,可以說「沒有無線電,飛行世界將是靜默無趣的」!

通訊和導航所使用到的無線電就是同樣的無線電,但是所佔用到的頻道波段是相異的。他們可能會共用同一個天線,但實際上運作的元組件是分開的。

VHF

特性

  • 頻率範圍:118 ~ 137.975 MHz
  • 通常飛機上有幾套 VHF,就會有幾支天線
  • 傳播距離相對較短
  • 越洋 VHF 建議守聽頻道
    • 太平洋:128.95
    • 北大西洋:123.45

HF

特性

  • 頻率範圍:2 ~ 30 MHz
  • 透過大氣中的地表(ground wave)或電離層(sky wave 約 60~200哩不等)做反射,可以傳播相當長距離的訊號,也因此容易受大氣狀況影響
  • Rule of thumb:
    • 白天高頻段,夜晚低頻段
    • 低頻傳得遠,高頻傳得近
  • 太平洋航線會有常用的頻道:5628/6655/8943/10048…
  • Antenna Tuner:切換 HF 頻道後,先按一下 mic,聽到長長的”嘟“聲,結束後再按下通話鍵通話
  • 使用 HF 時,掌握兩個要點
    • 講得慢一些,也給對方一點時間(因為傳輸距離長 SSB 特性使然)
    • “Go ahead”, “Over” 是無線電結束句子用語,代表我這句話結束了,可以該你講了(線上很少人會這麼說,可能因為不是身在火腿族狂熱的時代吧 )
  • 高緯度地區,衛星訊號可能減弱,HF 是作為衛星通話技術一個很好的備援機制
Satellite Limitation on earth
Satellite Limitation on earth
  • HF 和 SATCOM 通訊,都需要透過中間商(仲介)

Datalinks

Datalink 顧名思義,就是資訊(文字、語音)傳輸的通訊方式,VHF, HF, Satellite 都是可用來傳輸的媒介(無線電波真的太厲害了!)

在這個類別下面有很多縮寫常被搞混、或任意使用,這邊列出來我認為重要的部分,盡量用簡單易懂的方式分別介紹。

首先,先介紹三個最簡單的

  1. SATCOM(SATellite COMmunication):利用衛星傳播資料的通訊方式
  2. HFDL(HF DataLink):利用 HF 傳播資料,成本低,但是會有延遲問題
  3. VDL(VHF DataLink):利用 VHF 傳輸資料,常見有三種 Mode:
    • Mode 2:較快的傳輸速度,只提供資料傳播 → 主流使用
    • Mode 3:可以提供資料和語音傳輸,該技術稱為 “Nextcom”
    • Mode 4:提供給 ADS-B 使用
ATN & FANS

接下來的部分,就相對比較燒腦了 , 這個網站把這燒腦的歷史故事講得很好 !

ATN & FANS Table
ATN & FANS Table
  1. ATN (Aeronautical Telecommunications Network) = CPDLC + ADS (Automatic Dependent Surveillance)
    • ATN 是由 ICAO 做制訂出來的標準,就像網路上的 http, ftp… 等等不同種類的 protocol 一樣,需要有人去把它實踐出來,下一段的 FANS 就是實踐的技術名稱
    • CPDLC(Controller Pilot Data Link Communications):飛機和 ATC 的 datalink 系統
    • ADS:飛機持續使用 Datalink 廣播自身狀態的技術,又分為 ADS-B, ADS-C
      • ADS-B Out:飛機主動廣播位置、高度、航向… 等重要資訊給
        • ATC
        • 其他飛機(接收的飛機需要有 ADS-B In 的能力)
      • ADS-C:ATC 詢問,飛機系統應答位置報告
  2. FANS(Future Air Navigation Systems):由美加航空監管單位共同制定的通訊標準,以滿足 ATN B1 規範,該通訊標準由以下元素組成:
    • CPDLC (required for FANS Oceanic and U.S. domestic en route)
    • ADS-C (required for FANS Oceanic)
    • VDL Mode 2 data link radio and/or appropriate SATCOM
    • ADS-B Out
  3. 延續上一點,那些關於 FANS 的專有名詞
    • FANS-1:1995 年,波音飛機製造出符合規範的名稱
    • FANS-A:隨後,空巴也跟上了,娶了另一個名稱
    • FANS 1/A:兩間決議使用了 FANS 1/A 的統一名稱
    • FANS 1/A+:增強版本的 FANS 1/A,可以偵測訊號的延遲

ACARS

Aircraft Communications Addressing and Reporting System:飛機和公司聯管/派遣以 datalink 形式的通訊系統。

PDC

Pre-Departure Clearance:ATC 以 datalink 形式給的 IFR Clearance,用以取代傳統語音方式。

Transponder(XPDR)

應答機,用以顯示飛機在雷達識別區(二次雷達)的裝置。 以波音 777 而言,一旦 transponder 放在 TA/RA 位置,將同時具備下列三功能:

  1. Transponder Mode A/C/S
  2. ADS-B Out
  3. TCAS II

777 飛機天線

在介紹了那麼多通訊和導航設備之後,最後一段想要以波音 777 為例,用圖像化的方式標示出這些裝備的接收天線,分別安裝於飛機機身的何處。

相信喜歡飛機的朋友們,未來在世界各航站看飛機,說不定會多了一種樂趣喔!

777-300ER antenna
777-300ER antenna

個人心得

總結

導航、通訊設備是飛行員在駕駛艙能使用的內外部資源,如果濃縮成三個字,就是 「C, N, S」,分別為:

  • Communication 通訊
  • Navigation 導航
  • Surveillance 監控

這篇文章前半段聚焦在導航「N」的部分,而後面 Datalink 的部分,不得不將通訊「C」、監控「S」的部分拉進來一併討論。因為同樣的無線電科技,能做的事情遠比導航來得多!

感想

關於人生:出生到死亡,在這條路上,我們跌跌撞撞、免不了失去了方向;
關於旅程:起飛到落地,在這航道上,我們掌握方向,用盡資源避免迷航。

若說飛機是航路上的主角,那麼飛行員就是這個主角背後的靈魂。

身為飛行員,我認為和經營人生一樣,頭腦要清楚,不當笨蛋,盡可能做到專注自己、關懷他人、理解世界

  • 自己:飛機系統、操作限制
  • 他人:ATC、公司單位、其他組員
  • 世界:導航設備(本篇)、天氣、法規、程序、空氣動力學、基本常識黑天鵝事件

了解各導航設備的特性和限制,在飛行中碰到任何可想見的狀況:

  • 飛機通訊/導航裝備任一種壞掉
  • 機場不支援某種進場設備 → 進場方式改變
  • 全球衛星不知名原因掛點(被外星人干擾)→ SATCOM or GPS 失效
  • 太陽風造成的電離層擾動 → 影響 HF

發生機率可能不高,一旦發生了,飛行員就是得想辦法,把飛機落到地面上,確保人員、貨物的平安。

希望這篇文章,能起到一些作用,讓飛行的世界更安全、更美好!


參考資源

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