全球导航卫星系统在民用航空中的应用

范 凯,刘 钝

(1.中国民用航空西北地区空中交通管理局,陕西西安710082;2.中国电子科技集团公司第22研究所,山东 青岛266107)

0 引 言

以GPS为代表的现代卫星导航系统的出现为航空导航应用提供了新的可能手段。卫星导航系统用于航空导航的优点是明显的。由于卫星导航系统可以实现全球覆盖,并具有很高的定位精度,因此有可能取代现有的陆基无线电导航系统,如VOR、DME、ILS、TACAN等,从而节省大量的人力和物力;可以显著改善空中交通密集区的导航性能和边远区及跨洋航路的覆盖,从而提高航行的安全和效率;还可以以卫星导航系统为基础,向CNS/ATM 空域系统过渡,实现区域导航(RNAV/RNP)、自动相关监视(ADS)等能力。

但航空应用的特殊性对卫星导航系统性能具有严格的要求,现有的GPS系统自身并不足以满足航空应用的需求,必须进行多种增强技术的支持才能实现基于GPS的航空导航应用服务。为此,首先根据民用航空的需求分析了GPS系统性能的不足,介绍了国际上为提高GPS系统性能而进行的增强技术研究,并根据GPS现代化及未来多卫星导航系统并存的局面,进一步介绍了现代卫星导航系统为满足航空应用需求而采取的进一步措施,最后,介绍了我国航空应用的情况,并说明了卫星导航系统对我国航空应用的重要意义。

1 民用航空的需求

航空应用与一般的卫星导航应用不同,它要求卫星导航系统必须提供连续的高性能服务,以保障航行安全。对于卫星导航系统而言,航空应用对卫星导航系统的要求主要集中在精度、完好性、连续性和可用性等四个方面。

1)精度

是描述卫星导航系统用户估计的位置、时间信息与真实值之间重合度的度量,一般用95%的置信度水平给出。

2)完好性

是对系统提供正确信息的可信度的度量,卫星导航系统的完好性还要求系统在不能满足特定应用需求时应具有向用户及时报警的能力。

3)连续性

是指整个系统在将要执行的操作的持续期间内完成其功能而不发生意外中断的能力,即卫星导航系统满足精度和完好性要求条件下,在特定飞行操作阶段中能够保持导航精度和完好性的概率。

4)可用性

是指系统服务可以使用的时间百分比,即卫星导航系统的导航和差错检测功能正常运行,且同时满足精度、完好性和连续性要求的概率。

表1给出了国际民航组织ICAO对用于航空导航的GNSS空间信号要求。与美国公布的GPS SPS性能标准相比,上述指标远远高于GPS SPS规定的指标,尤其是GPS SPS中定义的“完好性”指标不同于航空应用中的完好性指标,无法满足航空应用中对GPS系统完好性的要求。此外,GPS系统在精度上也只能满足航路、进离场等飞行阶段要求,而不能满足最后近阶段的要求。为此必须对GPS系统进行增强,实现系统的完好性功能;为了进一步将GPS系统用于其它飞行阶段,还需对系统的精度等进行增强。

表1 民用航空对GNSS空间信号的要求

2 卫星导航系统的增强及其在民用航空中的应用

2.1 GPS系统的增强技术

2.1.1 美国的GPS增强技术

为了促进GPS在交通领域中的应用,美国提出一系列GPS增强技术,包括接收机自主完好性监测(RAIM)、广域增强系统(WAAS)和局域增强系统(LAAS)。

1)RAIM

RAIM利用GPS接收机只需接收4颗卫星的信号便能定位的原理,和接收机视界内的卫星数一般多于4颗的事实,把接收机视界内的卫星每4颗进行组合,分别产生定位信息;通过不同组合间定位信息的一致性,检测是否存在异常的卫星。如果接收机视界内只有5颗卫星,RAIM可以实现故障星的判别;如果接收机视界内的卫星数多于6颗,RAIM可以实现对一颗故障星的判别和排除。

RAIM不需要在接收机之外增加设施,只需在GPS接收机内部用算法和软件实现,覆盖范围可包括全世界。目前,GPS利用 RAIM技术已被作为边远地区和跨洋航路的主要导航系统,大陆航路直至非精密进近作为辅助导航系统。

2)WAAS

WAAS系统的目标是实现本土航路、终端区、非精密进近直至I类精密进近的服务。

WAAS系统由布设在美国领土及周边区域内均匀分布的三十多个基准站(WRS),几个主控站(WMS)、地面上行站(GES)和静止轨道卫星(GEO)组成。WRS位于精确位置已知的点位上,接收视界内的GPS卫星和GEO卫星信号,并传送至WMS处理。WMS对WRS数据进行处理,产生卫星星历和时间修正信息、电离层修正信息,以及相应的误差估计信息;这些信息传送至GES,并上行注入GEO卫星,向WAAS覆盖区域内的用户播发,以提高系统用户的精度、完好性、连续性等性能。

WAAS系统2003年7月宣布达到初始运行能力(IOC),2008年达到LPV性能,2009年-2013年间计划达到LPV-200性能(LPV阶段类似于ICAO的APV阶段)。

3)LAAS

LAAS是美国为将GPS用于飞机的I类、II类、III类精密进近和着陆而提出一项GPS增强技术。LAAS系统由地面设施和机载设备组成。地面设施中,在精确已知的位置上装配有一组GPS基准接收机,它们产生的数据经处理后,产生视界内GPS卫星的误差修正信息和完好性信息,并通过VHF通信链路向空中用户播发,以提高机载GPS设备的精度、完好性、连续性等性能。

2008年,LAAS完成I类精密进近的初始设计。目前,LAAS地面样机系统正在开展系统的测试工作,同时,FAA技术中心正在制定飞行程序,并进行飞行测试。

2.1.2 其它国家或区域的卫星增强技术发展

除美国外,欧洲、日本、澳大利亚等国家或区域也正在建设类似WAAS的区域增强系统或相关系统。

1)欧洲的ENGOS系统

欧洲由ESA负责建设有ENGOS系统。ENGOS的基本结构与WAAS相似,但ENGOS不仅包括了对GPS系统的增强,还包括了对俄罗斯GLONASS系统的增强。由于早些年俄罗斯无力维持GLONASS系统,造成GLONASS系统空间可见星最低只有1～2颗,ENGOS系统对GLONASS的增强有名无实。随着近些年GLONASS系统的恢复,尤其是俄罗斯计划在2010年完全恢复GLONASS系统(2010年俄罗斯采用一箭三星发射GLONASS卫星的失败影响了原定的进程),ENGOS系统表现出较WAAS系统更高的性能,如2009年欧洲做的数据分析表明,增加GLONASS增强后,EGNOS的系统性能较WAAS提高20%。

2005年,ENGOS达到初始运行能力(IOC),2009年4月,ENGOS系统建设完成并交付欧盟(EC)。目前,ENGOS正在进行系统航空应用的认证,该工作由Eurocontrol负责。

2)日本的MSAS系统和QZSS系统

MSAS是日本建设的类似于 WAAS和EGNOS的星基增强系统,该系统可为民用航空应用提供所需的GPS高精度差分定位和完好性服务功能。MSAS系统已于2007年9月开始运行。

由于日本国内多山和城市中高楼林立的特点,GPS信号易受遮挡,即使MSAS系统的增强也有限。因此,日本开始设想利用大椭圆形轨道地球同步轨道卫星增强GPS,提高日本和相关区域GPS系统的可用性和精度,此即QZSS系统。QZSS系统已于2010年9月发射了第一颗卫星。

3)印度的GAGAN系统

印度正在建设自己的GAGAN系统,该系统由美国的雷神(Raytheon)公司负责设计建设。由于印度地处南亚地区,整个国土位于低纬地区,其特殊的电离层环境对GAGAN系统的电离层修正及其相应的完好性实现技术提出严重挑战。

4)澳大利亚的GRAS系统

由于澳大利亚特殊的地理位置,WAAS系统方案不适合本国应用。为此,澳大利亚在上世纪90年代提出地基区域增强系统(GRAS)的概念。GRAS方案融合了WAAS技术和LAAS技术,采用了类似WAAS的地面监测站和运控中心处理技术,提供GPS差分和完好性信息,采用类似LAAS的通信链路和格式向用户播发信息,提高航路中飞机的定位精度和完好性性能。

2.2 卫星导航增强系统的不足及其未来发展

2.2.1 卫星导航增强系统航空应用的不足

尽管GPS开展了上述多项增强技术研究以实现GPS系统在民用航空中的应用,但GPS系统在航空应用中仍面临诸多困难。

首先是系统的保障问题。由于GPS系统是美国军方研制和运行的系统,用于民用航空这样的生命安全(Safety of Life)服务时,系统可用性的保障是个问题。尽管美国承诺停止GPS民用服务前要预先通告、并采取了停止SA政策等措施,但美国实施的导航战、区域服务拒绝技术等都显示出美国军方对GPS系统的实际控制,GPS的可用性仍就没有保障。从这个意义上讲,WAAS系统的意义并不仅仅是一个增强系统,它首先是一个民用的GPS系统性能可用监测系统。

其次,GPS及其增强系统的性能与民用航空要求的性能之间还有差距。就精度而言,WAAS系统目前仅可以达到APV-I的能力,而不是其早期宣称的 I类精密进近能力。并且,2001年和2003年间的几次电离层暴事件造成WAAS系统几个小时的服务中断,让WAAS系统的可用性受到关注。WAAS系统、EGNOS系统都是区域性系统,未来为了实现跨区域的航空导航服务,上述系统的覆盖范围将进行扩展,如WAAS考虑有向南美区域的扩展,ENGOS系统考虑向地中海地区、非洲地区、甚至亚洲地区扩展。这样系统的地面监测网络将进一步扩展,对系统内的通信能力、运控中心的处理能力、报警时间等都提出严重挑战,美国开展的研究表明,目前WAAS系统的地面网络的通信能力已经达到极限。

此外,就GPS单个系统而言,RAIM技术实现在全球范围内存在空洞,在对完好性具有较高要求的航线阶段,即使有RAIM,GPS也只能作为辅助手段。而LAAS系统的建设也还有技术问题没有解决,最重要的是系统的完好性问题,如完好性的设计实现、系统完好性验证等。

上述情况都大大限制了GPS在民用航空中的应用。

2.2.2 卫星导航系统面向航空应用的未来发展

随着GPS的现代化、欧洲GALILEO系统的建设、俄罗斯GLONASS系统的恢复,以及我国北斗系统的建设,以及卫星导航系统设计中考虑采用新的技术或措施,卫星导航系统的航空应用出现了新的或更为完善的技术实现途径。

美国的GPS现代化中,提出军民用信号分离的措施,以促进GPS民用的发展。欧洲在设计GALILEO系统时,提出GALILEO系统是民用的系统,以此来获取卫星导航民用市场的份额。这些措施支持了 ICAO提出的全球导航卫星系统(GNSS)的概念,即GNSS由一个或多个国家提供的民用卫星导航系统或卫星导航民用部分组成,以保证卫星导航服务的安全和性能。GNSS包括美国GPS的民用服务、俄罗斯GLONASS的民用服务、GALILEO系统、北斗民用服务、以及WAAS、EGNOS、LAAS等系统。综合利用国际多种卫星导航系统,对民用航空应用的服务保障和性能提高都是有利的。

最重要的是,GPS现代化以及GALILEO系统实现中,直接考虑了系统的完好性实现技术。美国正在开展GNSS结构演化技术研究,研究未来多系统可实现高精度定位情况下相应的系统完好性实现新结构,提出了诸如ARAIM、RRAIM等新概念。GALILEO系统提出全球完好性实现技术,并提出ERIS区域增强系统技术,从而实现GALILEO系统完好性在全球与区域实现的一致性和兼容性。这些系统级的完好性设计有助于卫星导航系统在民用航空中的应用,利用这些系统级的完好性可以直接实现一些航空应用,或者在其上进行适当的增强,可以满足更高性能的航空应用。

在系统具体实现上,GPS、GALILEO等系统也考虑采用多种技术增强系统的性能,如GPS系统增发L5信号,在L2频段上增加民用CA码,并改进L1上的民码,欧洲的GALILEO系统以及我国的“北斗”系统设计实现中也采用了多频体制。多频体制的目的在于通过双频修正技术提高系统的精度;通过在民用航空频段上增加信号,增强系统应对RF干扰的能力,提高系统的安全性。

此外,多卫星导航系统的出现本身就促进了其在民用航空应用的发展,如多系统实现的RAIM技术可以有效提高其完好性性能。随着WAAS系统、ENGOS系统等的投入运营,系统间的兼容性研究也成为各国关注的重点。目前,美国和欧洲就WAAS和ENGOS系统的兼容互用以及接收机的性能兼容性上已完成测试工作,日本的MSAS与WAAS和ENGOS相应的兼容性工作也正在开展。

总之,卫星导航系统在民用航空表现出来的巨大优势,促使各国开展研究,解决卫星导航系统用于航空应用时所面临的各种技术难题。

3 我国民用航空中的GNSS应用前景

3.1 卫星导航系统在我国民用航空中的应用现状

中国民航自卫星导航技术出现以来,就一直十分积极的跟踪研究卫星导航技术的发展和应用情况。近年来,中国民航已开展了一些涉及卫星导航的工程应用以及试验项目,包括GNSS完好性监测试验工程、广播式自动相关监视(ADS-B)应用试验工程、区域导航(RNAV/RNP)实验及应用项目、缩小垂直间隔(RVSM)项目、接收机自主完好性监测(RAIM)预测系统建设等。

目前,中国民航已经具备了从跨洋航路(RNP10)以及大陆、沿海(RNP4/PNP2)航路直到终端区(RNP1 NPA)运行应用的经验,制定了山区高原机场CNS/ATM技术方案。利用RNAV以及RNP技术解决了拉萨机场跑道单向运行变双向运行的问题,并且在林芝、邦达、九寨、玉树机场得到了应用。在繁忙机场终端区进离场程序也进行了尝试,北京、上海、广州、西安等终端区在进离场程序的设计中,除了传统的仪表进场程序外,还分别设计了RNAV进场程序。

3.2 我国民用航空对卫星导航系统的未来需求

我国是世界上第二大航空应用国,尽管目前我国的机场数量只有一百多个,远少于美国上万个机场的规模,但我国的航空应用发展是快速的,仅在“十二五”期间,我国就规划新建机场上百个。同时,随着我国经济的发展,私人拥有飞机已逐渐成为可能,相应的航空导航应用市场也将逐步发展扩大。

我国西部多属于高原山区,地形条件复杂,很多机场没有安装仪表着陆系统(ILS),航路还没有完全实现雷达覆盖,地面辅助导航设备有限,复杂的地形条件,对于安全飞行十分不利。若全部加装陆基导航设备,则耗资相当巨大,甚至有些地区机场由于地形条件所限,根本无法加装陆基导航设施。在西部地区建设利用GNSS的空管系统,采用新的航空导航,监视手段和协同运行控制系统,不仅能够提高飞行安全性,还会极大的节约投资,缓解西部机场、航路建设需求迫切但耗资巨大、施工困难的难题。

国内在航路飞行阶段以及进离场飞行阶段,卫星导航技术已经得到了一定应用,但是从飞行的最后进近阶段来看,到目前为止,着陆引导设备(精密进近)主要还是仪表着陆系统(ILS)。ILS的建设投资较大,对场地的净空条件要求较高,特别是目前兴起的II类升级改造过程中,要投入大量的人力、物力和财力,进行场地平整、设备升级等工程。另外,ILS设备的定期飞行校验也给一些起降架次较少的小型机场带来了很大的经济负担。

因此,基于GNSS及其区域/局域增强系统的民用航空应用在中国有着广大的市场潜力,它的优越性是ILS系统所无法比拟的。

4 结 论

现代卫星导航系统的出现为民用航空应用实现带来了新的技术手段。卫星导航系统必须对其精度、完好性等性能进行增强,才能满足航空应用对系统的严格要求。未来多卫星导航系统的出现,以及卫星导航系统新技术、新体制的出现为提高系统的完好性等性能提供了新的解决方法。随着这些技术的实现,卫星导航系统将成为航空应用的重要手段。

我国民用航空对卫星导航系统的应用有着巨大需求。航空应用是卫星导航应用的制高点,航空应用实现的完好性等技术不仅可以用于民用航空,其在铁路导航、港口及内河航运导航、陆地导航等具有精度和完好性要求的应用领域都具有重要的意义。

我国正在建设自主的“北斗”系统,高精度的导航功能和严格的完好性功能作为系统的一个重要组成部分,对“北斗”系统在世界范围的应用发展也具有重要意义。

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