淺析ＬＡＡＳ系統(tǒng)及其在民用飛機(jī)精密進(jìn)場著陸中的應(yīng)用

摘要： 本文首先給出了GPS的基本構(gòu)成及工作原理，接著重點討論了LAAS（局域增強(qiáng)系統(tǒng)）的組成，最后基于LAAS系統(tǒng)，分析了其在民用飛機(jī)精密進(jìn)場著陸中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： GPS LAAS 飛機(jī) 精密著陸

1.前言

隨著GPS的投入使用，航空導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)生了重大變化。特別是近幾年來，隨著LAAS即GPS局域增強(qiáng)系統(tǒng)的投入使用，飛機(jī)在航路導(dǎo)航、終端導(dǎo)航、進(jìn)近、零能見度自動著陸、跑道滑行等五個階段的導(dǎo)航全面實現(xiàn)GPS化。LAAS系統(tǒng)主要是提供精密進(jìn)近服務(wù)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，是美國聯(lián)邦航空管理局建立的，用來實現(xiàn)飛機(jī)Ⅱ級和Ⅲ級的精密進(jìn)近著陸。本文根據(jù)GPS工作原理探討LAAS系統(tǒng)及其在民用飛機(jī)精密進(jìn)場著陸中的應(yīng)用。

2.GPS基本構(gòu)成及工作原理

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機(jī)。

（1）空間部分——GPS衛(wèi)星星座

GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆工作衛(wèi)星、3顆備用衛(wèi)星，均勻分布在6個地心軌道平面內(nèi)，每個軌道4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道平面相對地球赤道面的傾角為55度，各個軌道平面的升交點赤經(jīng)相差60度，軌道平均高度20200千米，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分（恒星時），同一軌道上各衛(wèi)星的升交角距為90度。GPS衛(wèi)星的上述時空配置，保證了地球上的任何地點，在任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，以滿足精密導(dǎo)航和定位的需要。

（2）地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)

GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)目前主要由分布在全球的一個主控站、三個信息注入站和五個監(jiān)測站組成。對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷，即描述衛(wèi)星運(yùn)動及其軌道的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)——GPS時間系統(tǒng)。

（3）用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機(jī)

GPS系統(tǒng)的用戶設(shè)備部分由GPS接收機(jī)硬件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成。GPS接收機(jī)硬件包括接收機(jī)主機(jī)、天線和電源，它的主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，并經(jīng)簡單數(shù)據(jù)處理而實現(xiàn)實時導(dǎo)航和定位。GPS軟件是指各種機(jī)內(nèi)軟件、后處理軟件、具有差分定位功能或PTK定位功能的實時處理軟件，它們通常由廠家提供，其主要作用是對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，以便獲得比較精密的定位結(jié)果。由于GPS用戶的要求不同，GPS接收機(jī)也有許多不同的類型，一般可分為導(dǎo)航型、測量型和授時型三類。

GPS衛(wèi)星的三個基本功能是：

① 執(zhí)行地面監(jiān)控站的指令，接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息。

② 向GPS用戶播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)航和定位信息。

③ 通過高精度衛(wèi)星鐘（銫鐘和銣鐘）向用戶提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。

3.LAAS系統(tǒng)的組成

服務(wù)于民用航空應(yīng)用的LAAS即GPS局域增強(qiáng)系統(tǒng)，基本組成包括GPS衛(wèi)星、機(jī)場偽衛(wèi)星（APL）、地面參考站、中心處理站、VHF數(shù)據(jù)鏈和飛機(jī)用戶。

LAAS系統(tǒng)的作用距離一般為56千米左右，其地面基準(zhǔn)站也較少，一般用四個地面基準(zhǔn)站。LAAS系統(tǒng)采用GPS載波相位測量、偽距測量或載波相位測量平滑法以及偽衛(wèi)星提高站星距離測量精度。

（1）機(jī)場偽衛(wèi)星

服務(wù)于機(jī)場精密進(jìn)近的偽衛(wèi)星稱為機(jī)場偽衛(wèi)星（APL），它的引入是局域差分GPS的最主要改進(jìn)。機(jī)場偽衛(wèi)星是基于地面的信號發(fā)射器，能發(fā)射與GPS相同的信號。設(shè)置機(jī)場偽衛(wèi)星的目的是要提供附加的偽距信號以增強(qiáng)定位解的幾何結(jié)構(gòu)，提供導(dǎo)航可用性，同時也增加了用戶可觀察衛(wèi)星的數(shù)量，提高系統(tǒng)完善性，滿足進(jìn)近過程中飛機(jī)獲取垂直精度的要求。

（2）地面參考站

地面參考站負(fù)責(zé)獲得偽距或載波相位觀測量，并且對來自GPS衛(wèi)星和APL的導(dǎo)航電文進(jìn)行解碼。地面參考站的GPS接收機(jī)應(yīng)有分米級以上的偽距精度，以減少用戶最后進(jìn)行差分定位的誤差。接收和解碼應(yīng)重復(fù)執(zhí)行2—4次，這取決于精密進(jìn)近類別及可用性需求。地面參考站的數(shù)量決定于精密進(jìn)近類型及可用性需要，至少應(yīng)有兩個參考地面站，以使它們產(chǎn)生的改正數(shù)能被比較和平均，為支持Ⅱ、Ⅲ類精密進(jìn)近的連續(xù)性需求，則至少需要三個以上的地面參考站，以排除誤差較大的地面參考站，減少系統(tǒng)的誤差，增加可用性。

（3）中心處理站

中心處理站接收各參考站傳輸來的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)一處理后，送到數(shù)據(jù)鏈路。中心處理站負(fù)責(zé)確保偽距和載波差分改正數(shù)不會包含危險的導(dǎo)航誤差信息。

首先進(jìn)行信號質(zhì)量檢測，即檢測由于參考站和用戶不同的接收機(jī)處理技術(shù)引起的不能通過差分改正數(shù)消除的GPS衛(wèi)星和偽衛(wèi)星信號異常；其次進(jìn)行電文數(shù)據(jù)檢查，即檢查是否所有參考站接受了相同的數(shù)據(jù)，并比較當(dāng)前星歷數(shù)據(jù)與以前的一致性；最后觀測質(zhì)量檢測，即檢測偽距和載波相位觀測數(shù)據(jù)是否有較大誤差，如偽距突變等。處理工作包括計算并組合來自每個接受機(jī)的差分改正數(shù)及衛(wèi)星空間信號的完善性，執(zhí)行關(guān)鍵參數(shù)的質(zhì)量統(tǒng)計，檢驗廣播給用戶的數(shù)據(jù)正確性。改正數(shù)觀測誤差值通過多參考站一致性檢查得到，并與限值進(jìn)行比較以檢測和排除有較大誤差影響的觀測站。

（4）VHF數(shù)據(jù)鏈

數(shù)據(jù)廣播通過甚高頻（VHF）波段，按一定格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和廣播。廣播的信息內(nèi)容包括偽距觀測量改正數(shù)，系統(tǒng)完善性參數(shù)，地面站、衛(wèi)星星座和APL的可用狀態(tài)信息。其應(yīng)有完善性保證功能，能自主監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)射前后的正確性。

（5）航空用戶

航空用戶的主要設(shè)備包括信號接受器、用戶處理器和導(dǎo)航控制器。信號接收器不僅接收來自GPS的信號，還要接收來自偽衛(wèi)星的信號和地面站廣播的差分改正及完善性信息。用戶處理器先對完善性信息進(jìn)行判斷，然后對GPS觀測數(shù)據(jù)和差分改正數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位計算，確定進(jìn)近航跡，判斷垂直及水平導(dǎo)航定位誤差是否超限。導(dǎo)航控制器主要用來控制及顯示導(dǎo)航參數(shù)，并與自動駕駛儀連結(jié)后實現(xiàn)Ⅲ類精密進(jìn)近所需的自動進(jìn)近、著陸和滑行。

4.LAAS在飛機(jī)精密進(jìn)場著陸中的應(yīng)用

飛機(jī)的進(jìn)場著陸階段是飛機(jī)航行的最后階段，也是整個飛行過程中事關(guān)安全的最關(guān)鍵階段，因此，對著陸系統(tǒng)不僅有精度上的要求，而且在完善性、連續(xù)性和可用性方面也有嚴(yán)格的要求。為了確保飛機(jī)安全準(zhǔn)確地著陸，在飛機(jī)精密進(jìn)場著陸過程中，要求輔助著陸設(shè)備和機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，在水平和垂直方面同時對飛機(jī)進(jìn)行精密引導(dǎo)。圖1表示飛機(jī)進(jìn)場著陸的軌跡剖面圖。

簡要說來，進(jìn)場著陸可分三個階段：①過渡階段，即飛機(jī)由巡航高度到達(dá)固定高度（高度保持不變）階段。②下滑階段，由固定高度開始，沿傾斜角約為30度的下滑道降速飛行，一直穩(wěn)定飛行到?jīng)Q斷高度（又稱復(fù)飛點，此處決定拉平著陸或是復(fù)飛）。根據(jù)進(jìn)場的類別，決斷高度又分3種（見表1）。③拉平階段，由決斷高度開始直到飛機(jī)著地點的下滑平飛階段。

在對飛機(jī)精密引導(dǎo)進(jìn)場著陸過程中，對著陸系統(tǒng)不僅有精度上的要求，而且在完善性、連續(xù)性和可用性上也有嚴(yán)格的要求。國際民航組織（ICAO）根據(jù)引導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的不同將進(jìn)場著陸標(biāo)準(zhǔn)劃分為三級：Ⅰ級（CATⅠ）、Ⅱ級（CATⅡ）和 Ⅲ級（CATⅢ）。在表1中列出了精密進(jìn)場著陸的各級水平、垂直精度要求和完善性、可用性、連續(xù)性指標(biāo)。LAAS系統(tǒng)在機(jī)場附近半徑為50千米的范圍內(nèi)廣播DGPS修正數(shù)據(jù)和其它導(dǎo)航相關(guān)信息。LAAS利用載波平滑技術(shù)提供精確的定位服務(wù)。在飛機(jī)最后進(jìn)近和控制階段，水平精度優(yōu)于1米，垂直精度高達(dá)0.46米，達(dá)到Ⅲ類B的標(biāo)準(zhǔn)，完全能實現(xiàn)CATⅠ、Ⅱ、Ⅲ精密進(jìn)近和著陸服務(wù)。

5.結(jié)語

LAAS系統(tǒng)能夠滿足飛機(jī)進(jìn)場著陸的要求，精確度高。它克服了儀表著陸系統(tǒng)和微波著陸系統(tǒng)的缺點，可以在任意方向進(jìn)場，向任意多的跑道提供任何形式的下滑道，其發(fā)展前景是十分可觀的。目前許多國家都在積極開展LAAS系統(tǒng)引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場著陸的研究。

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