Navigation and Radios 所有你想認識的飛行導航裝備和通訊裝備
內容目錄
本章重點
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，好的導航裝備和通訊裝備 (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！
2️⃣．Dead Reckoning 航位推測法
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：
- VOR（Very high frequency Omnidirectional Range）：用超高頻 VHF 定向方位的地面助導航設施
- 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
- 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：
- 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。
- 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、限制和應用，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
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。
- If You’re A Pilot, This Is What You Need To Know About Your Magnetic Compass
- 磁羅盤使用口訣
- Magnetic Compass Turns | Timed Turns
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。
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
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
- 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
- 有很多因素會限制 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
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
- WASS 效用和優點
- WASS Performance Monitor
- WAAS 技術需要至少 6 個衛星的訊號
- 精準度：95% 時間 < 3m
- 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)
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
- 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
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（包含語音和文字）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
- 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
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
- SATCOM（SATellite COMmunication）：利用衛星傳播資料的通訊方式
- HFDL（HF DataLink）：利用 HF 傳播資料，成本低，但是會有延遲問題
- 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 （Aeronautical Telecommunications Network） = CPDLC + ADS （Automatic Dependent Surveillance）
- 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
- 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：
- Transponder Mode A/C/S
- ADS-B Out
- 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！
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。
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
- https://www.boldmethod.com/
- https://www.skybrary.aero/index.php/Main_Page
- http://faa.gov
- https://www.uasc.com
- http://members.optusnet.com.au/~cjr/index.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
- CA Joe
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