GNSS在空中交通管制應(yīng)用的關(guān)鍵性問題

胡 瑩

（中國民航航空溫州空管站 浙江 溫州 325000）

1 GNSS的組成

具有全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Φ男l(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，英文全稱為Global Navigation Satellite System，簡稱為GNSS。它包含了美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的Compass(北斗)、歐盟的Galileo系統(tǒng)，可用的衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到100顆以上。

ICAO于1983年底成立FANS專門委員會，F(xiàn)ANS由通信 (C)、導(dǎo)航(N)、監(jiān)視（S）和空中交通管理（ATM）4部分組成。通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)是基礎(chǔ)設(shè)施?？罩薪煌ü芾硎枪芾眢w制、配套設(shè)施及其應(yīng)用軟件的組合。衛(wèi)星技術(shù)，從陸基通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)逐步向星基通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)過渡，早期階段先用星基系統(tǒng)作為陸基系統(tǒng)的補(bǔ)充，后期除少數(shù)陸基設(shè)備作星基系統(tǒng)的備用外，大部分陸基設(shè)備將被淘汰撤離，逐步以星基系統(tǒng)為主。數(shù)據(jù)鏈的開發(fā)利用以實(shí)現(xiàn)空—地、地—地可靠的數(shù)據(jù)交換，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空—空數(shù)據(jù)交換,系統(tǒng)的數(shù)字化、計算機(jī)化及網(wǎng)絡(luò)化。

2 導(dǎo)航系統(tǒng)的四個指標(biāo)

2.1 精度

系統(tǒng)誤差指總系統(tǒng)誤差(TSE)。它是導(dǎo)航系統(tǒng)誤差和飛行技術(shù)誤差的綜合，前者包含機(jī)載設(shè)備誤差及地面設(shè)備誤差：FTE包含人工駕駛時的飛行員判讀和操縱誤差或自動飛行控制系統(tǒng)的全回路誤差。

2.2 完善性

它與總系統(tǒng)所提供信息正確性或置信度有關(guān)。完善性指系統(tǒng)在工作過程中不能工作時向用戶提供及時警告的能力。

2.3 連續(xù)性

在需要的工作期間系統(tǒng)完成仟務(wù)而不間斷的能力。全系統(tǒng)的連續(xù)性包括地面設(shè)備(外部設(shè)備)、空中信號和機(jī)載設(shè)備總體上的不中斷連續(xù)合格服務(wù)，任何的短時間斷將使飛機(jī)暴露在事故中。

2.4 可用性

總系統(tǒng)在希望的工作過程初始點(diǎn)上所具有完成任務(wù)的能力。

3 RNP的概念及指標(biāo)要求

3.1 RNP 概念

利用不同導(dǎo)航性能要求去定義不同等級的RNP類型，制定空域規(guī)劃時劃分空域和航路的類型。導(dǎo)航性能包括各性能參數(shù)，即精度、可靠性、完善性、可用性、覆蓋范圍、定位速率、定位維數(shù)、容量、模糊度、恢復(fù)導(dǎo)航時間等。對應(yīng)于某個等級的空域和航路類型的各性能參數(shù)都有要求，擇其主要的具有代表性的參數(shù)“精度”去劃分類型，它由導(dǎo)航傳感器誤差、機(jī)載接收機(jī)誤差、顯示誤差和飛行技術(shù)誤差(FTE)組合，這種組合也稱為“導(dǎo)航性能精度”在某一個空域或一條航路上，要求其每架飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)使用精度在總飛行小時的至少95%時間內(nèi)出現(xiàn)飛機(jī)偏離希望航跡的距離不得超過某一數(shù)值。這個統(tǒng)計特性上的精度值被定義為“包容距離”。導(dǎo)航性能精度——基于導(dǎo)航傳感器誤差、機(jī)載接收機(jī)誤差、顯示誤差和飛行技術(shù)誤差組合的總導(dǎo)航精度，也稱為系統(tǒng)使用精度。RNP—在一個定義空域中運(yùn)行所需導(dǎo)航性能的一種表述。RNP-X：在占總飛行時間的至少95%的飛行時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)偏離預(yù)期位置的最大距離。機(jī)載告警系統(tǒng)——在要求的時間內(nèi)給出報警。

3.2 RNP的四個指標(biāo)：精度、完好性、連續(xù)性、有效性

3.2.1 RNP 精度

期望的航線：飛行機(jī)組人員和空中交通管制（ATC）期望飛機(jī)飛行的航線，給定一個特殊的航段或航線。

實(shí)際位置：位置定位功能輸出的位置。

航線操作誤差（PSE）：定位的位置到定義的航線的距離。PSE包括飛行技術(shù)誤差（FTE）和顯示誤差。

飛行技術(shù)誤差（FTE）：飛機(jī)當(dāng)前位置與期望的預(yù)期位置之間的距離。

航線定義誤差（PDE）：定義的航線與期望的航線之間的垂直距離。

導(dǎo)航系統(tǒng)誤差（NSE）：真實(shí)位置與定位位置之間的距離。

總系統(tǒng)誤差（TSE）：真實(shí)位置與期望位置之間的距離。這個誤差等于飛行技術(shù)誤差（FTE），航線定義誤差（PDE）和導(dǎo)航系統(tǒng)誤差（NSE）三者的矢量和。

3.2.2 RNP 精度誤差來源

導(dǎo)航臺或GPS衛(wèi)星星座引起的位置誤差

機(jī)載導(dǎo)航傳感器引起的位置誤差

導(dǎo)航系統(tǒng)（FMC）引起的位置誤差

航路定義誤差（導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中編碼的航路與發(fā)布的航路之間的偏差）

飛行技術(shù)誤差

3.2.3 RNP 完好性

完好性指的是在飛機(jī)性能的總系統(tǒng)誤差大于側(cè)向容限 （兩倍的RNP值，可以提供足夠的航路間隔和越障）且沒有給出警報的情況的最大允許概率，要求其不超過10-5。即P（E2）=P（TSE＞容限且沒有警報）（垂直99.7%）。完好性用兩個參數(shù)來定義：容限半徑，容限等級。

RNP完好性考慮下列誤差因素：

導(dǎo)航臺或GPS衛(wèi)星星座引起的位置誤差

機(jī)載導(dǎo)航傳感器引起的位置誤差

導(dǎo)航系統(tǒng)（FMC）引起的位置誤差

航路定義誤差

飛行技術(shù)誤差

3.2.4 RNP 連續(xù)性

飛機(jī)在運(yùn)行期間，在沒有非例行中斷的情況下，其飛機(jī)總系統(tǒng)性能要滿足完好性的要求。連續(xù)性指的是允許中斷的最大概率，這個概率不能超過10-4。非例行中斷指的是：

（1）導(dǎo)航性能全部中斷。

（2）在失去RNP RNAV性能時，系統(tǒng)沒有對其做出應(yīng)有的警報（漏警）。

表1

（3）在系統(tǒng)正常工作時，對失去RNP RNAV性能的錯誤警報（誤警）。

即P（E3）=P（系統(tǒng)失去RNP RNAV性能的情況下發(fā)生警報）+P（系統(tǒng)正常工作擁有RNP RNAV性能的情況下發(fā)生的錯誤警報）。

3.2.5 RNP 有效性

導(dǎo)航信號有效性包括GPS和無線電導(dǎo)航

導(dǎo)航設(shè)備有效性包括導(dǎo)航傳感器和冗余

表1為ICAO對不同導(dǎo)航路徑不同RNP類型的四個指標(biāo)要求。

4 改進(jìn)導(dǎo)航指標(biāo)的幾種方法

4.1 幾種GNSS改進(jìn)方法

SBAS(SPACE-BASED AUGMENTATION SYSTEM星基改進(jìn)系統(tǒng))：歐洲 EGNOS，美國 WAAS，日本 MSAS，印度 IGNOS，中國 SNIA，加拿大C-WAAS;

GBAS(GROUND-BASED AUGMENTATION SYSTEM地基改進(jìn)系統(tǒng))：差分系統(tǒng)（差分GPS基站，差分GPS接收機(jī)），網(wǎng)絡(luò)RTK(REALTIME KINEMATIC實(shí)時動態(tài)定位)，LAAS,偽衛(wèi)星系統(tǒng);

機(jī)載改進(jìn)系統(tǒng)：RAIM(RECEIVER AUTONOMOUS INTEGRITY MONITORING接收機(jī)自主完備性監(jiān)測),AAIM。

4.2 GABS

測量GNSS衛(wèi)星信號(接受所有可見性信號);確定每顆衛(wèi)星的偽距修正值(濾波，修正值計算);監(jiān)視GNSS的完好性(確保測量及修正的完好性,不滿足完好性條件時發(fā)出警告);VHF進(jìn)行信息廣播。

4.3 GBAS在民航的應(yīng)用

1）FAA：Honeywell CAT I LAAS于2009年 9月認(rèn)證；2010年完成CAT III LAAS地面和機(jī)載系統(tǒng)原型。

2）EUROCONTROL：在數(shù)個機(jī)場部署GABS測試系統(tǒng)，開展GBAS平行進(jìn)近研究；支持GBAS CAT II/III研究和標(biāo)準(zhǔn)化。

3）ASA：2006年在悉尼安裝Honeywell SLS-3000（已升級為SLS-4000）；計劃在 Melbourne安裝 CAT III GBAS。

4）中國民航：系統(tǒng)驗(yàn)證

4.4 RAIM

1）RAIM的主要方法

偽距比較完整性方法：假設(shè)可見6顆衛(wèi)星?6等式 4未知數(shù)；解前4個方程，結(jié)果用來估計后2個測量；估計值與實(shí)測值比較，差值作為偽距比較矢量的組成部分。最小二乘法,奇偶校驗(yàn)法。

2）RAIM 系統(tǒng)組成

地基完好性監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)測站：7個

主控站：1個，北京

完好性發(fā)布系統(tǒng)

通過民航專用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到管制中心和航空公司

通過ACARS電文向飛行員進(jìn)行告警

通過甚高頻數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給機(jī)載多模式接收機(jī)

5 結(jié)束語

通過GPS衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)以及格洛那斯系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)在民航的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展中還需要提高精度，完好性，連續(xù)性，有效性等指標(biāo)的提升，雖然衛(wèi)星系統(tǒng)本身能提供一定的指標(biāo)，但為了保障飛行安全還需要進(jìn)一步提高定位精度和完好性等性能，民航通過完好性監(jiān)測網(wǎng)以及機(jī)載差分GPS接收機(jī)的使用和部分GBAS基站的建設(shè)，正在逐步向星基導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展，為了更好為民航服務(wù)，研究和發(fā)展GNSS也是我國的當(dāng)務(wù)之急，北斗系統(tǒng)隨著第八顆衛(wèi)星的上天，正逐步顯現(xiàn)出在國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用的重要性。