ICD咨询邮箱 友情链接

当前位置: 科普园地 >> 卫星导航知识 >> 正文

卫星导航增强系统民航应用

来源:航空电信产业论坛 发布时间:2015-08-18

1 、前言

全球导航卫星系统(GNSS)作为未来民用航空运行的主要导航源,已经进入了快速发展和应用阶段。GNSS包含了四大核心星座,有美国的GPS、中国的北斗卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS和欧洲的GALILEO,以及相关增强系统。其中,增强系统是为提升民航运行的完好性,满足民航应用安全需求而产生的卫星导航增强技术的具体实现。三种典型的增强技术包括空基增强系统(ABAS)技术、地基增强系统(GBAS)技术和星基增强系统(SBAS)技术,本文将重点介绍上述三者在民用航空中的应用,以及对于北斗卫星导航系统的增强技术研究。

2、 空基增强系统(ABAS)技术

2.1 接收机自主完好性监测(RAIM)技术原理及应用

典型的ABAS技术包括接收机自主完好性监测(RAIM)和机载自主完好性监测技术(AAIM)。前者使用接收机的冗余观测信息进行完好性监测,后者与惯性导航、气压高度表/无线电高度表等组合进行完好性监测和性能改善。RAIM是保证完好性的重要手段之一,它是由飞机上的接收机自主执行的故障检测。RAIM比较每颗GNSS卫星测量值与其他可用卫星测量值的一致性,以此方式在当前可用卫星集中检测故障卫星。RAIM被用于航路和终端区飞行阶段的辅助导航,并支持进近阶段的水平导航,目前RAIM无法支持垂直导航。

2.2  ARAIM技术发展

为打破这种限制,美国联邦航空局(FAA)利用多频多系统的有利条件,在RAIM的基础上提出了先进接收机自主完好性监测(ARAIM)的概念,即基于多频多星座的导航源,结合地面监测站提供的完好性支持电文(ISM),能够为用户实现垂直导航性能*LPV-200(*见备注,后同)的传统RAIM的升级。

在GPS-Galileo合作协议框架下,美国和欧洲于2010年成立了ARAIM技术工作组(ARAIM SG),其主要目标是设计ARAIM结构,使其在全球范围内支持LPV-200。目前SBAS能满足LPV-200的性能需求,全球LVP-200的覆盖范围仅为7.54%,主要为欧美地区,我国全境目前并未实现LPV-200性能。与SBAS相比,ARAIM运行成本更低而覆盖范围更广,未来有望在全球范围实现LPV-200性能。

FAA全球卫星导航系统项目办公室组织并建立的GNSS进化结构研究(GEAS)小组,以及欧盟-美国合作协议框架下的工作组C(WG-C),致力于ARAIM的研究,并先后发表了四个阶段性研究报告,确定了ARAIM的基本概念、用户算法、性能评估算法、体系结构等。2015年2月,WG-C ARAIM 技术小组发布了“欧盟-美国合作卫星导航第二阶段报告”,该报告提出了ARAIM三种结构:水平ARAIM、线下ARAIM、线上ARAIM。其中水平ARAIM能提供类似于RAIM的水平导航功能,但其在精度、完好性、可用性方面均显著提高;线下和线上ARAIM结构能够在全球范围内提供垂直导航性能。ARAIM基本结构如图1所示。

图1 ARAIM基本结构

 

建议我国根据实际国情,基于自主建设的地基区域完好性监测系统(GRIMS)作为ARAIM系统的地面监测站网络,开发基于BDS/GPS的区域ARAIM系统,以实现我国境内LPV-200的覆盖。

2.3ABAS应用所存在问题

由于我国航空工业比较落后,大部分民航飞机和机载设备均为进口。随着BDS区域系统的民航应用和全球系统的建设,如何将ABAS技术应用于机载,实现“北斗上飞机”,急需国际民航组织和国际工业届权威标准的支持。因此,对于ABAS在我国应用与推广,标准研究和编制是亟需解决的核心问题。

3、地基增强系统(GBAS)技术.

3.1GBAS技术原理

GBAS对全球卫星导航系统(GNSS)进行差分校正和完好性监测,以提供安装机场周边大约23海里半径范围内的导航和精密进近服务。GBAS具有极高的精度、可用性和完好性,能够满足I类,未来甚至是II/III类精密进近的需求,其精度在水平和垂直方向均小于1米。使用GBAS的目的在于替代仪表着陆系统(ILS)以支持全范围的进近和着陆运行。目前,现存标准的GBAS能够提供C类GBAS进近服务(GAST-C,对应于I类精密进近)。满足II/III类精密进近的GAST-D的技术正在研究验证过程中,技术标准最早有望在2018年完成。

以GPS卫星导航系统为例,GBAS地面设备通常由位于机场的3根以上的GPS天线、中央处理系统和甚高频数据广播(VDB)装置组成。GBAS机载设备包括GPS天线、VDB天线和相关的处理设备。GBAS地面设备通过VDB数据链向机载用户提供GPS校正、完好性和进近路径信息。GBAS系统结构如图2所示。

现阶段民航飞行所依赖的GPS仅具备单频提供服务能力, SBAS和GBAS性能提升都面临单频模式下电离层异常情况处理的瓶颈问题,双频多系统将是较为稳妥解决方案。随着北斗卫星导航系统区域系统的民航应用推广和全球系统的建设,我国需加快包含北斗系统在内的多星座GBAS地面系统审定和验证工作,加速ABAS机载设备研制和适航工作,尽快开始北斗SBAS建设工作。

 

 

GBAS地面数据处理设备首先利用每个参考接收机的测量值计算可见卫星的差分校正值,并实时监测空间信号和地面站的故障。然后生成卫星导航系统和GBAS自身的校正值和完好性信息电文。最后通过VDB将上述电文发送给机载用户。其具体流程如图3所示。

 

图3 GBAS处理流程

3.2GBAS技术优势

传统仪表着陆系统面临着诸如下滑道、降雪、因维护的关闭、VHF干扰以及多径等诸多限制。而GBAS作为对卫星导航系统有关生命安全的增强,提供了更高等级的服务,能够支持I类和II/III类精密进近,并实现在其工作范围内从进近、着陆、离场到场面运行的全覆盖。其具体的效益包括: GBAS可以为避开障碍物、噪音敏感区域或拥挤空域而优化设计进近路线;一套GBAS可以服务整个机场区域,从而减少设备的建设和维护费用等。因此,在从传统导航向基于性能的导航(PBN)演变的过程中,GBAS以其高精度、高可用性和低成本的特点,必将发挥重要的作用。

3.3 GBAS技术国内外应用现状

截至2014年4月29日,美国已有14个机场安装了Honeywell的SLS-4000型GBAS设备。其中,纽瓦克国际机场和休斯顿乔治布什洲际机场的GBAS设备先后获得FAA的运行许可。美国联合航空的波音737和787飞机正在使用上述机场的GBAS系统。此外,德国不莱梅的GBAS站也获得了I类精密进近的运行许可,位于澳大利亚悉尼和西班牙马拉加的GBAS站正在获取运行许可的过程中。德国法兰克福、瑞士苏黎世、印度金奈和南大西洋的圣赫勒拿岛的GBAS也在建设当中。

我国也在积极应用和发展GBAS系统。美国霍尼韦尔(Honeywell)公司的SLS-4000型GBAS设备已安装在上海浦东机场,于2015年3月20日利用空客A321在浦东机场进行了地基增强着陆系统(GLS)的演示验证。

2015年4月26日到29日,中国电子科技集团第二十研究所和北京航空航天大学共同研制的GBAS卫星导航着陆系统,在天津滨海国际机场开展了演示验证实验,不仅验证了支持现有基于GPS 的GBAS着陆引导能力,还实际验证了基于北斗(BDS)的GBAS着陆引导能力,得到了科技部和民航局领导专家的一致认可。

 3.4 GBAS应用所存在问题

GBAS在我国的应用推广尚存在以下三方面的问题。

一是电离层异常监测。美国于2000年首次发现了电离层异常情况,经过多年观测和研究,提出了部分电离层异常模型。但这些模型是基于处于中纬地区的北美电离层异常数据建立的,对于其他纬度区域或者同纬度不同经度区域,未必适用。因此,在我国应用GBAS,对电离层异常的监测和研究必不可少。

 二是频率资源申请。GBAS通过VDB向覆盖范围内的用户广播差分校正信息和完好性信息。由于我国航空无线电频率资源分配紧张,在不减少传统导航设施建设部署的情况下,很难为GBAS协调合适的频率资源,从而给GBAS的推广应用带来困难。

三是射频干扰抑制。射频干扰是GBAS面临的另一个重要问题。2009年11月23日在美国纽瓦克国际机场安装测试的GBAS设备被干扰源干扰,造成参考接收机卫星跟踪中断,类似的射频干扰事件时有发生。因此在民航应用当中,GBAS需具备高性能的抗干扰能力,以保障运行安全。

 4、 星基增强系统(SBAS)技术

 4.1SBAS技术原理

SBAS的工作原理如图4所示,首先由大量分布广泛的差分站(位置已知)对导航卫星进行监测,获得原始定位数据(伪距、卫星播发的相位等)并送至中央处理设施(主控站),主控站通过计算得到各卫星的各种定位修正信息,通过上行注入站发给GEO卫星,最后将修正信息播发给广大用户,从而达到提高定位精度的目的。简言之,通过地球静止轨道(GEO)卫星搭载卫星导航增强信号转发器,该系统向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。

图4 SBAS工作原理

 4.2SBAS技术优势

SBAS系统能为民用航空提供花费更低、可用性更高的导航功能,为航空领域带来巨大的经济和社会效益。首先,通过减少通信和雷达导引,降低了空管人员的工作负担,并且能为带有卫星导航接收机的民用飞机提供精密进场与着陆服务;其次,减小飞行时间和距离,可以节省燃料,降低飞行阶段的运行成本;最后,可以进一步降低机场噪声的影响。通过高精度定位,飞机可以按预定的航线重复飞行,这些预定航线可尝试规避城市和社区的上空,这样就降低了飞机飞行噪声对周边社区居民的影响。鉴于上述种种效益,各航天大国竞相发展SBAS系统。目前,全球已经建立起了多个SBAS系统,如美国的WAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS、俄罗斯的SDCM、加拿大的CWAAS以及印度的GAGAN,各SBAS系统全球分布见图5。下面以WAAS和EGNOS为例简要阐述SBAS系统所带来的巨大效益。

 

 4.3SBAS技术国内外应用现状

WAAS于2003年投入试运行,后在阿拉斯加、加拿大以及墨西哥增设的参考站,极大提高了WASS系统的健壮性,大范围地提高了GPS的精度、完好性、连续性和可用性,主要为美国民用航空服务。

截止2015年1月,目前美国及加拿大具备WAAS能力的飞机场已经达1700多个。其中1055个机场公布了*LPV(*见备注,后同)的飞行程序,480个机场颁布了LPV-200的飞行程序。该系统的发展摆脱了飞机对地面系统的依赖,从而有效减少了飞行运营成本,据悉美国联邦航空局已经在考虑逐步取代VOR及ILS等地基导航辅助系统。此外,在农业、渔业及测绘领域,WASS系统也得到了广泛应用。

 EGNOS于2003年开始进入试运行状态,并在全球进行了测试。2009年9月,欧洲EGNOS系统正式启用。EGNOS公开服务的定位精度在欧洲中心地区其水平和垂直方向分别可达1m,个别地区水平为3m和垂直为4m。EGNOS系统极大促进了欧洲航空业的发展。

截止2015年3月,目前欧洲具备EGNOS能力的飞机场已经超过了130个,以法国(62个)和德国(11个)为主。其中102个机场颁布了LPV的飞行程序,33个机场达颁布了*APV II(*见备注,后同)的飞行程序。ESSP(欧洲卫星服务提供者)已在考虑结合EGNOS系统和PBN技术,为区域导航以及缺乏地基增强系统的边远地区导航提供助力。另外,以EGNOS系统为核心设立了多个项目:支撑APVII进近程序的SHERPA计划;为“公开服务”和“商业服务”阶段提供运营和维护的GSC OPS&HSP计划;处理“全球导航卫星系统服务中心基础设施”设置的GSC INF计划等等。

目前我国也正在论证和筹备北斗SBAS的建设。根据我国代表团在2015年4月1日至3日欧空局(ESA)组织召开的第28届兼容互操作工作组(IWG)会议发言,北斗SBAS将向中国及其周边地区提供单频星基增强服务和双频多星座星基增强服务,预期的服务等级为*CAT-I(*见备注,后同)。我国现正开展双频多星座(DFMC)SBAS的设计;2018年将发射具备SBAS能力的GEO卫星;2020年将在亚太地区提供初始的DFMCSBAS服务;2025年左右将提供正式的SBAS服务。

 4.4SBAS应用所存在问题

如前文所述,各航空大国和地区都在升级和建设SBAS,对于系统运营方,如何实现多个SBAS之间的兼容与互操作;对于机载用户,如何选择GEO卫星播发的SBAS信息,利用多个SBAS的信息融合,实现无缝的高精度导航,是未来SBAS应用中可能存在的问题。

5、三种增强技术在航行各阶段的应用支持

卫星导航增强系统的发展支撑了航行各阶段的应用,如下表所示。表中黄色区域的GPS隐含了ABAS,因为航空型接收机的标配具有RAIM功能,紫色区域指有SBAS时可支持的导航和监视性能,蓝色区域指有GBAS时系统可支持的导航和监视性能。

 

 *飞行技术误差是影响整个系统精度的主要因素,系统精度由运行需求进行说明。定位精度可以忽略;

 ** RNP AR限值由整个系统的需求决定;典型值已得到验证。

表中的缩略语:非独立平行进近(DPA),独立平行进近(IPA),监视完好性水平(SIL),导航完好性等级(NIC),用于定位的导航精度等级(NACp)。

6、结语

本文从原理、技术优势、应用存在问题等方面详细分析了ABAS、GBAS和SBAS技术。从主要应用方式角度看,ABAS贯穿航行始终,SBAS重点保障到NPA阶段,GBAS则主要用于进近阶段。在实际应用中,三种增强系统相结合,能提供更大安全保障。例如,SBAS大范围的格网电离层监测可为GBAS提供预警;进近阶段,GBAS不满足CAT I性能时,机载设备需切换到ABAS运行。

现阶段民航飞行所依赖的GPS仅具备单频提供服务能力, SBAS和GBAS性能提升都面临单频模式下电离层异常情况处理的瓶颈问题,双频多系统将是较为稳妥解决方案。随着北斗卫星导航系统区域系统的民航应用推广和全球系统的建设,我国需加快包含北斗系统在内的多星座GBAS地面系统审定和验证工作,加速ABAS机载设备研制和适航工作,尽快开始北斗SBAS建设工作。

*备注:

文中提到的NPA等术语为航行各阶段的运行指标,按照其性能等级由低到高排序为:NPA —> APV I—> LPV—> LPV-200—> APV II—> CAT I—> CAT II—> CAT IIIa—> CAT IIIb。

其中,APV I、LPV、LPV-200、APV II都是由于星基增强系统出现才提出运行指标定义。

LPV为低至350英尺高度的具备水平和垂直引导精密进近程序(定位精度,水平:16m,垂直:20m;告警限,水平:40m,垂直:50m;完好性风险:1-2 × 10-7/ 每次进近;告警时间:10s);

LPV-200为低至200英尺高度的具备水平和垂直引导精密进近程序,垂向精度等同于仪表着陆系统(ILS)提供CAT I精密进近服务的能力(定位精度,水平:16m,垂直:4m;告警限,水平:40m,垂直:35m;完好性风险:1-2 × 10-7/ 每次进近;告警时间:6.2s);

APVII为利用侧向和垂直引导的仪表进近程序,允许用户利用垂直引导进行稳定的下降操作,而不需要传统的精密进近程序的精度要求(定位精度,水平:16m,垂直:8m;告警限,水平:40m,垂直:20m;完好性风险:1-2 ×10-7 / 每次进近;告警时间:6s)。

(来源:航空电信产业论坛 作者:民航局空管办 郭静 编辑:陈飚)

 

北斗卫星导航系统政府网站独家稿件说明:本作品(文字、图片、图标、PPT、PDF及音视频)仅供北斗卫星导航系统政府网站使用,未经授权任何媒体和个人不得全部或部分转载。