淺析GPS信號干擾對飛機(jī)運(yùn)行的影響

葉文濤 米冀生 王荊穗 裴瓊閣

摘要：現(xiàn)代飛機(jī)GPS系統(tǒng)的作用越來越重要，同時GPS信號干擾的相關(guān)報告也越來越多，GPS信號干擾嚴(yán)重影響飛機(jī)運(yùn)行和航空安全。本文通過實例剖析了GPS信號干擾產(chǎn)生的原因、對其他功能的影響及相關(guān)的駕駛艙效應(yīng)，并提出建議處置措施，以幫助相關(guān)人員及時識別和排除干擾信息，提高排故效率、縮短排故時間，保障飛行安全。

關(guān)鍵詞：GPS信號干擾；駕駛艙效應(yīng)；工程措施

Keywords：GPS signal interference；cockpit effect；engineering action

0 引言

GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）1978年發(fā)射第一顆GPS（全球定位系統(tǒng)）衛(wèi)星，1995年提供全球定位服務(wù)，自2000年開始授權(quán)民用系統(tǒng)使用其定位服務(wù)后，應(yīng)用范圍和用戶數(shù)量快速增長。隨著GNSS技術(shù)的推廣以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的交通工具和移動設(shè)備開始依賴GNSS定位來輔助實現(xiàn)其自身功能，如飛機(jī)、船舶、汽車、無人機(jī)和戶外定位裝置等，其中以飛機(jī)最為普遍。伴隨著GNSS技術(shù)的普及，飛機(jī)運(yùn)行受GNSS信號干擾的相關(guān)報告案例也逐年增多，且信號干擾出現(xiàn)的區(qū)域往往較集中，僅2020年一年國內(nèi)某航空公司就收到相關(guān)報告141起，其中涉及地形假警告問題18起。

1 實例剖析

2020年9月8日，某航一架A350飛機(jī)執(zhí)行恩德培至成都航班，在烏干達(dá)卡培拉機(jī)場短停，出現(xiàn)“GNSS1+2”信息，執(zhí)行MMR（多模式接收機(jī)）測試正常，懷疑機(jī)位衛(wèi)星信號弱或信號受干擾，綜合判斷認(rèn)為非系統(tǒng)故障原因，飛機(jī)放行，起飛后機(jī)組空中反映GNSS位置數(shù)據(jù)正常，飛機(jī)后續(xù)正常落地成都。

1.1 原理簡介

A350飛機(jī)裝有兩套彼此獨(dú)立的GNSS系統(tǒng)，通過GNSS天線接收衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并將導(dǎo)航數(shù)據(jù)通過同軸電纜發(fā)送給MMR進(jìn)行接收和處理，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給ADIRS（大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)）進(jìn)行合成，最終通過AFDX（航空電子全雙工以太網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到CDS（控制和顯示系統(tǒng)）和其他飛機(jī)系統(tǒng)供用戶使用（見圖1）。當(dāng)系統(tǒng)故障或GNSS信號不佳時，可能產(chǎn)生類似于本次事件中的GNSS故障信息。

1.2 故障原因

A350的GNSS系統(tǒng)組成并不復(fù)雜，排故措施指向性也比較明確，在MMR和IR（慣性導(dǎo)航）測試均通過后，故障原因大致指向當(dāng)?shù)氐腉NSS信號受干擾或失效，且故障現(xiàn)象為雙套GNSS系統(tǒng)同時失效又同步短時恢復(fù)正常，更加驗證了GNSS信號問題是導(dǎo)致故障的最可能原因。下載CMS（中央維護(hù)系統(tǒng)）DUMP和SAR99報文數(shù)據(jù)發(fā)給空客分析，空客確認(rèn)故障確為GNSS信號干擾導(dǎo)致。

2 航空公司的普遍困擾

GNSS信號功率較低，相當(dāng)于一個60W的燈泡在位于地球表面20000km遠(yuǎn)的位置發(fā)射出的能量，因此任何附近的頻帶范圍為（1575.42±10）MHz左右的地表信號源都極易對GNSS信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致GNSS數(shù)據(jù)丟失或降級。近年來該問題已經(jīng)成為航空公司的普遍困擾，越來越被各地民航局方所關(guān)注。

已知的信號干擾源包括為防止位置追蹤的個人隱私設(shè)備、特定防護(hù)地點、GPS信號放大器、軍事干擾設(shè)備等（見圖2）。

3 對飛機(jī)功能的影響

飛機(jī)的位置性能（精確性、完整性、可用性和連續(xù)性）很大程度上取決于其外部的GNSS信號，但GNSS信號干擾可能導(dǎo)致GNSS位置和時間信息的丟失或降級，因此，雖然GNSS在飛機(jī)定位系統(tǒng)中作用重大，但是空客飛機(jī)在設(shè)計時還是充分考慮了針對GNSS信號受干擾的魯棒性，以增強(qiáng)和彌補(bǔ)飛機(jī)的位置性能。本文以空客飛機(jī)為例進(jìn)行分析，波音飛機(jī)系統(tǒng)原理與空客飛機(jī)基本相同，僅駕駛艙效應(yīng)略有區(qū)別。由于空客飛機(jī)的GNSS系統(tǒng)只使用美國GPS系統(tǒng)作為信號源，下文對于空客飛機(jī)的介紹中用GPS代替GNSS。

空客飛機(jī)一般裝有2部MMR、3部ADIRU（大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)組件）、 2套（A320/A330/A340/A380）或3套（A350）FMS（飛行管理系統(tǒng)）來計算飛機(jī)的位置，F(xiàn)MS使用飛機(jī)位置信息進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)GPS信號丟失時，MCDU（多功能控制顯示組件，A320和A330飛機(jī)）或者M(jìn)FD（多功能顯示，A350和A380飛機(jī)）的GPS數(shù)據(jù)顯示為短橫線（即無數(shù)據(jù)），此時FMS可按照優(yōu)先順序?qū)⑽恢糜嬎惴绞接蒅PS/IRS模式轉(zhuǎn)為IRS-DME/ DME模式或IRS-VOR/DME模式或純IRS模式，從而確保飛機(jī)不會發(fā)生位置偏離或FMS計算出錯誤位置的情況。

當(dāng)GPS信號丟失時，對GPS數(shù)據(jù)性能有要求的部分導(dǎo)航和監(jiān)視功能或運(yùn)行能力可能失效，從而觸發(fā)相應(yīng)的駕駛艙效應(yīng)，觸發(fā)順序取決于不同系統(tǒng)的響應(yīng)時間和GPS信號的受干擾時間。在報告的大部分事件中，GPS信號丟失和相應(yīng)駕駛艙效應(yīng)的出現(xiàn)都是暫時的，在飛機(jī)離開干擾區(qū)域后，相應(yīng)功能或運(yùn)行能力會很快恢復(fù)。受GPS信號丟失影響的功能分為以下兩大類。

3.1 對導(dǎo)航功能的影響

當(dāng)GPS信號丟失時，飛機(jī)的PBN（基于性能的導(dǎo)航）運(yùn)行受影響較大。PBN運(yùn)行包括RNP運(yùn)行和RNAV運(yùn)行，對定位的精確性和完整性都有相應(yīng)要求。以RNP2運(yùn)行為例，要求在海洋/偏遠(yuǎn)陸地航路或中低交通密度的陸地航路運(yùn)行時，在95%的飛行時間內(nèi)導(dǎo)航誤差不能超過2海里，因此GPS信號丟失時無法完成RNP2運(yùn)行。類似受影響的PBN運(yùn)行還包括RNP4、RNP1、RNP APPCH以及RNP AR運(yùn)行等。GPS信號丟失并影響到PBN運(yùn)行時的駕駛艙效應(yīng)如表1所示。

表1中，“GPS PRIMARY LOST”信息表示GPS系統(tǒng)故障時GPS已無法作為飛機(jī)首選位置源。在新型飛機(jī)A350上還會根據(jù)GNSS故障情況顯示RNP AR受影響情況：當(dāng)“NAVGNSS 1（2）FAULT”時，ECAM上顯示“NAV RNP AR CAPABILITY DOWNGRADED”；當(dāng)“NAV GNSS 1+2 FAULT”時，ECAM上則顯示“NAV RNP AR CAPABILITY LOST”，同時在ECAM不工作系統(tǒng)區(qū)顯示“RNP AR”。

此外，由于GLS功能（GBAS著陸系統(tǒng)）和SLS功能（SBAS著陸系統(tǒng)，僅A350飛機(jī)）都是基于對GPS位置的差分修正而實現(xiàn)的，GLS和SLS功能會因GPS信號丟失而失效。GLS功能失效時駕駛艙效應(yīng)如表2所示。

SLS功能失效時，駕駛艙效應(yīng)類似，而FLS功能（FMS著陸系統(tǒng)）在GPS失效時可以選用其他數(shù)據(jù)源（如NDB或VOR）作為位置源，因此該功能會發(fā)生降級，即在FMA（飛行模式指示器）由“F-APP”模式降級為“F-APP+RAW”模式，同時給出ECAM指示“FLS LIMITED TO F-APP+RAW”，其中RAW模式取決于所選位置源。

最后，依靠GPS位置實現(xiàn)的OANS功能（機(jī)載機(jī)場導(dǎo)航系統(tǒng)，A330和A380飛機(jī)）或ANF（機(jī)場導(dǎo)航功能，僅A350飛機(jī)）功能也會因GPS信號丟失而發(fā)生失效，在ND上給出指示“ARPT NAV POS LOST”信息。

3.2 對于監(jiān)視功能的影響

GPS信號失效對GPWS（近地警告系統(tǒng)）的影響主要集中在影響增強(qiáng)的TERR（地形）功能，包括TAD（地形意識和顯示）和TCF（越障基底）功能。TERR功能以世界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過比較當(dāng)前飛機(jī)位置（GPS位置）和數(shù)據(jù)庫內(nèi)的地形信息，給飛行員以提醒和警戒信息。TERR功能失效時駕駛艙效應(yīng)如表3所示。

需要說明的是，GPS位置是GPWS的首選位置源，當(dāng)GPS位置失效時，GPWS可以短時間使用ADIRU位置作為其位置源，但時間不能超過15min，15min后若仍不能獲得有效的GPS信號，TERR功能將失效。而且，GPWS對于GPS位置的判斷主要基于GPS是否在短時間內(nèi)發(fā)生跳變，若GPS位置未發(fā)生跳變，那么GPWS對于GPS有效性的判斷則基于GPS自身的有效性參數(shù)（HFOM和VFOM），當(dāng)GPS的有效性參數(shù)未報異常時，GPWS只能認(rèn)為GPS位置是有效的而繼續(xù)使用GPS數(shù)據(jù)。此時即有可能發(fā)生如下情況：GPS位置受干擾導(dǎo)致位置信息錯誤但GPS有效性參數(shù)未報告異常，從而觸發(fā)假地形警告信息（國內(nèi)波音787飛機(jī)和737NG飛機(jī)均觸發(fā)過假警告）。

此外，由于應(yīng)答機(jī)ADS-B功能的位置源為GPS位置，GPS信號丟失將直接導(dǎo)致ADS-B OUT功能失效。ADS-B OUT功能失效時駕駛艙效應(yīng)如表4所示。

ADS-B OUT失效時，ADS-B IN功能也會失效，原因是飛機(jī)無法比較自身位置與所接收的其他飛機(jī)位置的關(guān)系，導(dǎo)致ECAM給出指示“NAV ADS-B FAULT”（A320和A330飛機(jī)）或“SURV ADS-B TRAFFIC x FAULT”（僅A350飛機(jī)），同時ECAM不工作系統(tǒng)區(qū)將顯示“ADS-B”（A320和A330飛機(jī)）或“ADS-B TRAFFIC x”（僅A350飛機(jī)）。

最后，ROPS（跑道超限預(yù)防系統(tǒng)）功能通過GPS位置計算飛機(jī)相對于跑道位置以及跑道剩余距離，若跑道剩余距離不足而存在沖出跑道風(fēng)險時則產(chǎn)生相應(yīng)警告，因此，當(dāng)GPS信號失效時ROPS功能自動抑制，同時產(chǎn)生ECAM指示“SURV ROW/ROP LOST”，且ECAM不工作系統(tǒng)區(qū)顯示“ROW/ROP”和“BTV”（A350和A380飛機(jī)）。

4 處置措施

4.1 建議措施

GPS信號干擾或丟失時將對飛機(jī)諸多系統(tǒng)造成影響，建議采取如下應(yīng)對措施。

1）對機(jī)組人員的建議

起飛前，機(jī)組應(yīng)及時關(guān)注航行通告，若發(fā)現(xiàn)所飛航路存在受干擾地區(qū)，需要提前確認(rèn)其他導(dǎo)航設(shè)備（DME/VOR/ ILS）的工作狀況。飛行中若出現(xiàn)上述駕駛艙效應(yīng)，機(jī)組應(yīng)按照FCOM手冊進(jìn)行操作。考慮到GPS信號干擾一般影響時間較短，暫無必要立即轉(zhuǎn)換位置源。但若所飛區(qū)域有“ADS-B OUT”要求，則需要及時通知空管ADS-B OUT功能失效的原因為GPS信號丟失。落地后，機(jī)組需要及時告知機(jī)務(wù)人員，并記錄事件情況和駕駛艙效應(yīng)，以便機(jī)務(wù)人員及時排除故障。

2）對機(jī)務(wù)人員的建議

飛機(jī)落地后，機(jī)務(wù)人員需要及時確認(rèn)GNSS系統(tǒng)故障的原因是否為GPS信號受干擾或丟失而非系統(tǒng)或設(shè)備原因。

若確認(rèn)飛行航路中有GPS信號受干擾區(qū)域，首先應(yīng)重置系統(tǒng)并進(jìn)行MMR測試，若機(jī)組報告飛機(jī)其他系統(tǒng)有故障現(xiàn)象，需同時進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)測試，測試不通過時需根據(jù)相應(yīng)的排故措施完成排故。若GPS干擾始終存在，需考慮按照MEL項目完成飛機(jī)放行。若無法確認(rèn)飛行航路中是否有GPS信號受干擾區(qū)域，在完成相關(guān)系統(tǒng)測試未發(fā)現(xiàn)異常時，可按照空客要求將相關(guān)系統(tǒng)的故障記錄發(fā)給空客進(jìn)行深度分析，空客會根據(jù)飛機(jī)故障記錄和各運(yùn)營人的報告情況給出綜合分析結(jié)果。具體需提供的數(shù)據(jù)可參照空客ISI 34.36.00049。

4.2 國內(nèi)航司的相關(guān)措施

針對GPS受干擾事件發(fā)生時往往具有規(guī)模性即該時段該區(qū)域所有運(yùn)行飛機(jī)都可能遇到干擾情況這一特點，為了避免部件大量拆換造成不必要的成本浪費(fèi)，國內(nèi)部分航司機(jī)務(wù)人員探索建立了較為有效的故障管控措施。

1）在收到有關(guān)單套或雙套GPS系統(tǒng)故障的報告時，按AMM手冊進(jìn)行系統(tǒng)測試。若測試不通過，及時更換故障件并送修；若測試通過，在最近的合適維修時機(jī)執(zhí)行串件。執(zhí)行串件的具體做法是：如另一飛機(jī)故障重現(xiàn)，則更換此故障件并送修，如另一飛機(jī)沒有故障重現(xiàn)，則將相關(guān)事件記錄并上報，匯總成信息庫進(jìn)行共享，以便在遇到相關(guān)情況時幫助快速判斷GPS信號受干擾情況。

2）增加對GPS信號質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控（HFOM/VFOM等），以輔助判斷GPS信號受干擾情況。GPS系統(tǒng)一般通過某些參數(shù)判斷所接收信號的質(zhì)量，如通過參數(shù)HFOM（Horizontal Figure of Merit）和VFOM（Vertical Figure of Merit）判斷定位精度，或通過參數(shù)HPL（Horizontal Protection Limit）判斷定位完整性。機(jī)務(wù)人員通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，在部分機(jī)隊上這類參數(shù)在QAR（快速接近記錄器）數(shù)據(jù)中可以抓取到。機(jī)務(wù)人員通過匯總歸納某一機(jī)型歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)中發(fā)生GPS信號干擾時的相關(guān)參數(shù)情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)方法建立“GPS信號質(zhì)量監(jiān)控”模型，可在后續(xù)類似事件再次發(fā)生時根據(jù)該模型迅速判斷GPS信號情況，從而鎖定故障源，減少排故時間，降低維修成本。

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作者簡介

葉文濤，工程師，研究方向為電子系統(tǒng)工程管理。

米冀生，工程師，研究方向為電子系統(tǒng)工程管理。

王荊穗，工程師，研究方向為電子系統(tǒng)工程管理。

裴瓊閣，工程師，研究方向為電子系統(tǒng)工程管理。

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