卫星导航差分系统和增强系统（六）

+ 刘天雄

3 完好性增强系统及其实现方案

3.1 完好性分析

卫星导航系统提供的服务是单方向的，系统对提供的定位精度和质量没有闭环监测和反馈能力。基本导航系统没有快速告警手段和通道，系统发生异常情况或中断情况时不能及时把告警信息通报用户，可能导致大量用户仍使用错误的导航信息，引发生命安全事故。完好性增强主要是利用地面监测站网络，监测导航信号健康状态，结合伪距观测量的状态域改正数或者观测值域改正数生成相应的完好性信息，在系统出现故障或者异常情况下及时告知用户，卫星导航系统完好性概念示意如图16所示。完好性增强技术的本质是及时有效地识别、剔出导致卫星导航PNT服务不可信的各类因素。

空中交通管理是为了有效地维护和促进空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通，根据通信系统、导航系统和监视系统的信息，实施空中交通管理，包括空中交通服务、空中交通流量管理、空域管理三方面内容。民航起降过程如图17所示。

为空中交通管理提供导航信息的系统有定向机/无方向信标（DF/NDB）、仪表着陆系统（ILS）、甚高频全向信标（VOR）、测距器（DME），以及卫星导航系统及其增强系统。卫星导航系统在民用航空中的应用包括航路（En-route）、终端区（Terminal）、进近（Approach）、着陆（Surface）和起飞（Departure）等环节，其中进近又可以细分为非精密进近（Non-precision approach，NPA）、一类垂直引导进近（approach with vertical guidance-I，APV-I）、二类垂直引导进近（APV-II）、一类精密进近（CAT-I）、错误进近（Missed approach）、二类精密进近（CAT-II）和三类精密进近（CAT-III）。三类精密进近又细分为A、B、C三级，各类别和等级的主要区别是系统对“决断高度（Decide Height，DH）”、“跑道可视距离（Runway Visual Range，RVR）”或者“能见度”的数值定义不同。

图16 完好性概念示意（HPL代表水平保护门限，HAL代表水平告警门限）

图17 SBAS和GBAS系统引导民航起降

表2 CAT-I、CAT-II和CAT-IIIB精密进近对定位精度和完好性要求

其中CAT-I允许飞机下降到决断高度DH为200英尺，并且跑道可视距离RVR不小于1600英尺；CAT-II进允许飞机下降至DH100英尺，并且最小RVR不小于1200英尺；CAT-IIIA和CAT-IIIB的DH取决于跑道可视情况，若RVR小于700英尺，CAT-IIIA的DH为100英尺，否则没有DH限值；同样，若RVR小于150英尺，CAT-IIIB的DH为50英尺，否则没有DH限值；CAT-IIIC没有DH和RVR的限值，被称之为“Zero-Zero”进近，飞机被引导至快要接触跑道地面的位置处，使飞机自动着陆。ICAO定义的CAT-I、CAT-II和CAT-IIIB精密进近对卫星导航系统的定位精度和完好性要求如表2所示，表中NSE为导航系统误差（Navigation System Error）。

目前全球各卫星导航系统都不能在精度、完好性、连续性及可用性四个方面满足民用航空在所有飞行阶段的需求。从精度方面看，在当前无SA影响下，GPS单点定位精度只有10m左右，这种精度能满足到非精密进近阶段的要求（220m），但不能用于精密进近导航服务。从完好性方面看，GPS系统本身能进行一定程度的完好性监测，但告警时间太长，通常需一个小时，不能满足民航完好性6s告警的需求。从连续性和可用性方面看，GPS虽然能保证所有地区能有4颗以上可视卫星，但卫星几何结构仍然存在较差情况，如果加上完好性要求，其可用性会更差。

因此，考虑到民航对导航安全的要求，建立卫星导航的星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）无疑是解决这一问题的有效途径之一，通过给卫星导航系统打“补丁”的方式来提升系统的导航性能。SBAS需要在精度、完好性、连续性和实时性四个方面针对卫星导航系统系统进行增强。根据2006年7月ICAO相关卫星辅助导航要求，民用航空导航对SBAS的导航安全要求如表3所示，飞行的不同阶段对卫星导航的性能指标要求是不同的，性能指标同卫星导航系统一样，也是用定位精度、完好性、连续性和可用性来衡量的，详见ICAO Standards and Recommended Practices，Annex 10，Volume 1 Radio Navigation Aids。

表14.2中，SBAS定义定位精度用飞机实际的位置与机载导航设备解算的位置之间的差别，即用导航系统误差NSE来表述定位精度，SBAS系统通过给用户提供卫星导航系统的卫星星历、星钟以及电离层延迟误差差分改正数，实现民航对导航系统的定位精度要求。表14.2中，对于给定的某一飞行操作期间，假设在该飞行操作期间的初始阶段系统是可用的，且预测在该飞行操作期间系统也是可用的，SBAS定义连续性为系统维持规定的性能的概率。系统连续性不满足要求意味着系统存在风险，必须中断飞行操作。假设在计划的某一飞行操作期间的初始阶段导航服务是可用的，当系统的精度、完好性、连续性指标满足指标要求，对于任意给定用户在任何给定时间，用导航服务可用的概率来度量SBAS的可用性。实际上，我们一般用保护门限低于相应告警门限的概率来计算系统的可用性。ICAO将完好性定义为SBAS系统提供差分改正数可信程度的度量，即，当导航位置误差超出告警门限，SBAS系统没有在规定的时间内发出告警信息时，系统可以接受的最大概率。SBAS系统通过下列措施保证系统完好性——

表3 民用航空导航对SBAS的导航安全要求

· 给用户提供卫星/电离层延迟告警信息，通知用户在解算位置过程中，剔除相应卫星/电离层延迟误差改正数；

· 给用户提供水平和垂直保护门限信息（Horizontal and Vertical Protection Level information ，HPL及VPL），对于给定的某一飞行操作，如表4所示，通过比较保护门限（HPL,VPL）和相应的告警门限（Alarm Limits，AL），用户可以评估系统在此飞行阶段的可用性。利用用户差分测距误差UDRE改正数以及格网电离层垂直误差GIVE，SBAS系统可以计算并广播系统完好性边界，用户可以计算保护门限（HPL, VPL）超出系统完好性边界的程度。

随着卫星导航技术的不断发展，卫星导航及其增强系统与惯性导航系统形成组合系统（LAAS、WAAS、INS），共同为民航提供进近和着陆服务。由于利用卫星导航系统进行进近/着陆系统导航时，设备简单，进近和着陆线路灵活，可以增强机场着陆的能力。

航路导航方面，民航航路导航是指洋区和大陆空域航路，目前民航在繁忙区域和终端区导航主要使用VOR/DME和NDB系统，为了保证飞机在规定的航路宽度内飞行，必需按照一定的密度布置VOR/DME地面导航台，但在山区和沙漠地区，建设地面导航台有一定的困难，大洋航路更不能依靠传统地面导航设备，必须使用卫星导航系统及其增强系统。飞机在航路上飞行时，卫星导航系统㈩机载RAIM技术㈩惯性导航技术能够满足洋区航路对卫星导航精度、完好性和可用性的要求，能够满足大陆空域航路对精度的要求；卫星导航系统的广域增强技术能满足大陆空域航路的精度、完好性和可用性的要求。FAA已经批准卫星导航系统作为大洋航路和边远地区航路的主要导航手段，大陆航路的辅助导航手段。终端区导航对卫星导航系统的精度要求介于航路和进近之间，广域增强系统提供的服务可以满足民航对于精度、完好性、连续性和可用性，利用卫星导航作为传统导航系统的辅助手段，可以克服终端区航道宽度过宽、飞行间隔过大等问题，可以有效地缩短航道宽度和飞行间隔，提高飞行效率，减少航班延迟等问题。

此外，对航路的监视也是民航空管一项非常重要的任务。

目前航路的监视是一种非相关监视，主要利用雷达系统，这种监视系统的地面和机载设备复杂、价格高，监视精度随距离而降低，服务范围有限。利用卫星导航系统和移动通信系统的自动相关监视技术，机载设备通过通信系统报告导航接收机给出的位置、速度信息，可以提高飞行安全，增加空中交通管理的灵活性。利用卫星导航系统实现民航客机的广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B），飞机将机上导航系统导出的定位数据通过数据链自动发送给地面数据处理中心，包括飞机识别、空间位置坐标和所需附加的信息，由此，空管系统可以实时获取民航客机的位置、速度等信息，提高对飞机的监视与识别能力，提高空管系统容量、效率和安全。随着航空器机载设备能力的提高以及卫星导航等先进技术的不断发展，国际民航组织提出了“基于性能的导航（Performance Based Navigation， PBN）”概念，PBN是在整合各国区域导航（RNAV）和所需导航性能（RNP）运行实践和技术标准的基础上，提出的一种新型运行概念。它将航空器的机载设备能力与卫星导航及其他先进技术结合起来，涵盖了从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段，提供了更加精确、安全的飞行方法和更加高效的空中管理模式。广域增强系统WAAS也是当前唯一可以满足民航自动相关监视广播ADS-B技术要求的系统。

表4 ICAO定义的典型飞行操作

卫星导航系统在不同覆盖区提供的PNT服务的性能是不同的，并且随时间变化，而一旦出现系统服务性能下降、系统工作出现异常情况时，仅依靠系统本身地面保障系统无法做到及时发现并给用户告警。完好性增强的服务范围与伪距观测量改正数生成方式相关，完好性体现了误差超出限值的概率，即故障报警能力。为了提高GPS系统的PNT性能和服务的安全性，美国联邦航空局(FAA)率先针对单频民用用户建设了完整的GPS增强系统，包括广域增强系统(WAAS)以及局域增强系统(LAAS)等，这两种系统都是差分原理的进一步拓展，更加关注系统安全性，需要与GPS系统联合使用以确保系统的完好性。SA技术关闭前后以及采用WAAS增强技术，GPS系统单准定位服务（频标）用户测距误差比较如图18所示。

以基本导航系统提供的服务为基础，增加覆盖一定区域的地面监测网络，借助卫星通信链路播发增强信息，就可以形成完整的星基增强系统，实现飞行器的自主导航，使跨洋或洲际性国际航线设计彻底摆脱对地面导航台分布的依赖和限制，缩短飞行里程，节省燃油；对于机场来说，则可以有效控制飞机间的起降间隔，提高跑道的起降使用效率，在同一个空域内减小各飞行通道间的间距，增加飞行并行通道的数量，在节约物资、人力、时间资源等方面创造的直接和间接效益不可估量。GPS系统不同导航模式所达到的定位精度如表5所示。

图18 SA技术及WAAS增强技术对测距误差的影响

表5 GPS系统不同模式所达到的定位精度

卫星导航系统自身具有一定程度的完好性监测能力，但告警时间太长，例如，GPS系统由地面运控系统检测到异常，形成定论和指示信息，把这一指示信息添加到导航电文中，形成新的导航电文，由地面注入到导航卫星，再由导航卫星发送给最终用户，这一过程一般需要1小时，对于那些与生命安全的应用领域来说，这个时间太长。将卫星导航系统应用于民用航空导航，其完好性保证能力是用户最为关注的性能，因为飞行安全对于用户来说是最为关键的。完好性增强技术可以分为内部增强方法和外部增强方法，其中SBAS属于外部增强方法。外部增强方法主要采用的是完好性通道（IC）检测方法，即通过大量地面监测站采集观测数据并集中处理并产生完好性信息，再通过同步卫星实时地播发给用户。这里的完好性信息主要包括卫星导航系统卫星的可用状态以及与导航信号有关的误差限制，用户可以由此确定观测卫星是否可用并计算得到定位误差限值，从而实现对故障的快速反应。以GPS/WAAS为导航手段，可以完整地保障航空飞行机场到机场间的自动飞行全过程，进一步结合LAAS系统可以实现飞行器在机场的安全起降导航服务。

结合广域差分和完好性通道检测技术，地面参考站可以同时得到卫星导航系统的完好性和各类误差改正数。解决卫星导航系统的完好性问题，涉及多个信号处理环节、大范围基站覆盖、长时间的数据积累和统计分析。同时，验证卫星导航系统完好性监视模型的正确性和有效性也是一个复杂的过程。此外，接收机自主完好性监视(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)系统利用接受冗余的GNSS信号，监测导航信号故障、确保位置解算结果的完好性。针对不同应用场合，人们开发了各种RAIM算法。例如只利用当前测量值进行一致性检测的“快照法”，利用当前测量值和过去测量值的“平均法”或“滤波法”。几乎所有的RAIM算法都是基于测量值的一致性检测技术，即利用冗余测量值检测多个测量值中可能存在的不良信息。由于卫星导航系统的完好性保障能力不足以满足特定用户的需求，建设专门的完好性增强系统的代价又较大，接收机自主完好性监视系统得以迅速发展。

卫星导航增强系统按照各种维度可以分为不同种类，例如，按照播发链路的不同，可以分为天基增强系统和地基增强系统，按照服务范围可以分为广域增强系统和局域增强系统。现有的卫星导航增强服务包括公益服务、商业服务、全球服务、区域服务、天基服务、地基服务等，以满足不同用户的多种应用需求。