GNSS在空中交通管制應用的關鍵性問題

胡 瑩

（中國民航航空溫州空管站 浙江 溫州 325000）

1 GNSS的組成

具有全球導航定位能力的衛星定位導航系統稱為全球衛星導航系統，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，可用的衛星數目達到100顆以上。

ICAO于1983年底成立FANS專門委員會，FANS由通信 (C)、導航(N)、監視（S）和空中交通管理（ATM）4部分組成。通信、導航和監視系統是基礎設施。空中交通管理是管理體制、配套設施及其應用軟件的組合。衛星技術，從陸基通信、導航、監視系統逐步向星基通信、導航、監視系統過渡，早期階段先用星基系統作為陸基系統的補充，后期除少數陸基設備作星基系統的備用外，大部分陸基設備將被淘汰撤離，逐步以星基系統為主。數據鏈的開發利用以實現空—地、地—地可靠的數據交換，并進一步實現空—空數據交換,系統的數字化、計算機化及網絡化。

2 導航系統的四個指標

2.1 精度

系統誤差指總系統誤差(TSE)。它是導航系統誤差和飛行技術誤差的綜合，前者包含機載設備誤差及地面設備誤差：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的全回路誤差。

2.2 完善性

它與總系統所提供信息正確性或置信度有關。完善性指系統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 連續性

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

2.4 可用性

總系統在希望的工作過程初始點上所具有完成任務的能力。

3 RNP的概念及指標要求

3.1 RNP 概念

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

3.2 RNP的四個指標：精度、完好性、連續性、有效性

3.2.1 RNP 精度

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

實際位置：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包括飛行技術誤差（FTE）和顯示誤差。

飛行技術誤差（FTE）：飛機當前位置與期望的預期位置之間的距離。

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。

導航系統誤差（NSE）：真實位置與定位位置之間的距離。

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

3.2.2 RNP 精度誤差來源

導航臺或GPS衛星星座引起的位置誤差

機載導航傳感器引起的位置誤差

導航系統（FMC）引起的位置誤差

航路定義誤差（導航數據庫中編碼的航路與發布的航路之間的偏差）

飛行技術誤差

3.2.3 RNP 完好性

完好性指的是在飛機性能的總系統誤差大于側向容限 （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%）。完好性用兩個參數來定義：容限半徑，容限等級。

RNP完好性考慮下列誤差因素：

導航臺或GPS衛星星座引起的位置誤差

機載導航傳感器引起的位置誤差

導航系統（FMC）引起的位置誤差

航路定義誤差

飛行技術誤差

3.2.4 RNP 連續性

飛機在運行期間，在沒有非例行中斷的情況下，其飛機總系統性能要滿足完好性的要求。連續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）導航性能全部中斷。

（2）在失去RNP RNAV性能時，系統沒有對其做出應有的警報（漏警）。

表1

（3）在系統正常工作時，對失去RNP RNAV性能的錯誤警報（誤警）。

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

3.2.5 RNP 有效性

導航信號有效性包括GPS和無線電導航

導航設備有效性包括導航傳感器和冗余

表1為ICAO對不同導航路徑不同RNP類型的四個指標要求。

4 改進導航指標的幾種方法

4.1 幾種GNSS改進方法

SBAS(SPACE-BASED AUGMENTATION SYSTEM星基改進系統)：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地基改進系統)：差分系統（差分GPS基站，差分GPS接收機），網絡RTK(REALTIME KINEMATIC實時動態定位)，LAAS,偽衛星系統;

機載改進系統：RAIM(RECEIVER AUTONOMOUS INTEGRITY MONITORING接收機自主完備性監測),AAIM。

4.2 GABS

測量GNSS衛星信號(接受所有可見性信號);確定每顆衛星的偽距修正值(濾波，修正值計算);監視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出警告);VHF進行信息廣播。

4.3 GBAS在民航的應用

1）FAA：Honeywell CAT I LAAS于2009年 9月認證；2010年完成CAT III LAAS地面和機載系統原型。

2）EUROCONTROL：在數個機場部署GABS測試系統，開展GBAS平行進近研究；支持GBAS CAT II/III研究和標準化。

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：系統驗證

4.4 RAIM

1）RAIM的主要方法

偽距比較完整性方法：假設可見6顆衛星?6等式 4未知數；解前4個方程，結果用來估計后2個測量；估計值與實測值比較，差值作為偽距比較矢量的組成部分。最小二乘法,奇偶校驗法。

2）RAIM 系統組成

地基完好性監視網絡

監測站：7個

主控站：1個，北京

完好性發布系統

通過民航專用網絡發布到管制中心和航空公司

通過ACARS電文向飛行員進行告警

通過甚高頻數據鏈發送給機載多模式接收機

5 結束語

通過GPS衛星、北斗導航系統以及格洛那斯系統的研究，發現在民航的衛星導航系統的發展中還需要提高精度，完好性，連續性，有效性等指標的提升，雖然衛星系統本身能提供一定的指標，但為了保障飛行安全還需要進一步提高定位精度和完好性等性能，民航通過完好性監測網以及機載差分GPS接收機的使用和部分GBAS基站的建設，正在逐步向星基導航系統發展，為了更好為民航服務，研究和發展GNSS也是我國的當務之急，北斗系統隨著第八顆衛星的上天，正逐步顯現出在國內衛星導航系統的應用的重要性。