衛(wèi)星接收機(jī)在民航中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)研究

蘇幸君

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安710089）

目前，空客A380、波音B787 及我國(guó)自主研發(fā)的C919 和ARJ 等飛機(jī)均安裝了柯林斯公司生產(chǎn)的GPS 接收機(jī)。然而，2019 年7 月，中國(guó)民航局對(duì)柯林斯GPS 接收機(jī)失效事件進(jìn)行了通報(bào)，有兩型GPS 接收機(jī)存在設(shè)計(jì)缺陷，在GPS 系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)時(shí)間校準(zhǔn)后無法鎖定GPS 衛(wèi)星，從而導(dǎo)致飛機(jī)上與GPS 系統(tǒng)存在交聯(lián)關(guān)系的多個(gè)相關(guān)系統(tǒng)故障，引發(fā)飛行隱患。基于此，本文將研究GPS 系統(tǒng)在民機(jī)中的應(yīng)用，結(jié)合我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和民機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，提出衛(wèi)星接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 衛(wèi)星接收機(jī)的功能

衛(wèi)星接收機(jī)作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)載用戶設(shè)備，其功能主要是：（1）接收衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)，恢復(fù)衛(wèi)星載波信號(hào)及衛(wèi)星鐘，解調(diào)出衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星鐘校正數(shù)據(jù)；（2）利用本地時(shí)鐘和衛(wèi)星鐘差測(cè)量接收天線到衛(wèi)星偽距；（3）利用恢復(fù)的載波頻率計(jì)算偽距變化率；（4）利用偽距、偽距變化率衛(wèi)星鐘相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度、速度等導(dǎo)航信息及時(shí)間信息。

此外，機(jī)載衛(wèi)星接收機(jī)一般還具備自主衛(wèi)星完整性監(jiān)控能力。雖然不同類型的衛(wèi)星接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)和觀測(cè)量不同，提供的導(dǎo)航信息存在差異，但其主要功能均為接收衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行解算，以提供時(shí)間信息和導(dǎo)航信息。

2 GPS 系統(tǒng)在民機(jī)中的應(yīng)用

一般民機(jī)上安裝兩套獨(dú)立的GPS 系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包含一臺(tái)GPS 接收機(jī)和一個(gè)相應(yīng)的接收天線。GPS 系統(tǒng)作為機(jī)上重要的導(dǎo)航源，與飛機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)及飛行管理系統(tǒng)等多個(gè)重要系統(tǒng)均存在交聯(lián)關(guān)系，下面將具體分析GPS 系統(tǒng)在民機(jī)中的應(yīng)用。

2.1 飛機(jī)時(shí)鐘

飛機(jī)時(shí)鐘為飛行員提供當(dāng)前的當(dāng)?shù)貢r(shí)間及日期，協(xié)調(diào)世界時(shí)間（UTC），飛行時(shí)間，并提供計(jì)時(shí)功能。GPS 衛(wèi)星接收機(jī)為系統(tǒng)時(shí)鐘提供時(shí)間和日期信息，并發(fā)送給航電系統(tǒng)供機(jī)上其他系統(tǒng)使用。

2.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不需要借助外部信號(hào)，僅利用自身傳感器數(shù)據(jù)就可以完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算，具有完全的自主性，在民機(jī)中有廣泛的應(yīng)用。但是慣導(dǎo)系統(tǒng)解算原理是積分體制，造成了短時(shí)精度高而長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航誤差累積的問題。衛(wèi)星導(dǎo)航具有長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此飛機(jī)上經(jīng)常利用GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航結(jié)果對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航可為飛機(jī)提供更精確的導(dǎo)航信息。

2.3 廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）

自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS）是指被監(jiān)視目標(biāo)測(cè)定自身位置并主動(dòng)發(fā)報(bào)給監(jiān)視者，使監(jiān)控者掌握被監(jiān)視目標(biāo)當(dāng)前位置及運(yùn)行意圖。自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)根據(jù)工作模式可分為尋址式（ADS-A），廣播式（ADS-B）及合約式（ADS-C）[1]。

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）利用視距廣播數(shù)據(jù)鏈將載機(jī)精確位置周期性的報(bào)告給地面航管中心及飛機(jī)之間，使得飛機(jī)之間能夠掌握對(duì)方的位置，保持飛行間隔及時(shí)實(shí)施避讓。ADS-B 采用全向廣播方式可進(jìn)行空對(duì)空、空對(duì)地及地對(duì)地的自我監(jiān)視。ADS-B 的機(jī)載部分主要由GPS 衛(wèi)星接收機(jī)，ADS-B 位置報(bào)告的收發(fā)機(jī)及駕駛艙交通信息顯示器組成。GPS 是ADS-B獲取自身位置數(shù)據(jù)的信息源。

2.4 地形防撞告警系統(tǒng)

地形防撞告警系統(tǒng)主要用于防止飛機(jī)可控撞地，系統(tǒng)內(nèi)部有全球機(jī)場(chǎng)位置數(shù)據(jù)庫(kù)和全球地形數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。地形防撞告警系統(tǒng)利用GPS 或IRS 發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)送的氣壓高度，無線電高度表提供的無線電高度，下滑道偏離及飛機(jī)配置狀態(tài)等信息預(yù)測(cè)飛機(jī)的三維飛行軌跡，并與內(nèi)部地形數(shù)據(jù)庫(kù)中航線前方地形資料進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出接近速度或高度數(shù)據(jù)與告警門限進(jìn)行比較，利用燈光及語(yǔ)音告警提醒飛行員及時(shí)規(guī)避潛在危險(xiǎn)。

2.5 進(jìn)近著陸系統(tǒng)

地基增強(qiáng)著陸系統(tǒng)（GLS）基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）可為飛機(jī)提供精密進(jìn)近和著陸服務(wù)，是目前飛機(jī)上廣泛使用的一種新型著陸技術(shù)[3]。GLS 利用地面設(shè)備對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行差分處理，產(chǎn)生差分校正，完好性校驗(yàn)及進(jìn)近路基基準(zhǔn)信息，這些信息經(jīng)過編碼后通過甚高頻廣播至進(jìn)近飛機(jī)的機(jī)載端。GPS 接收機(jī)利用衛(wèi)星信號(hào)和地面系統(tǒng)發(fā)送的校正信息，解算出高精度的定位信息、進(jìn)近航路信息及系統(tǒng)完好性信息，用于引導(dǎo)飛行完成進(jìn)近著陸。

由于GLS 具有對(duì)機(jī)場(chǎng)環(huán)境要求寬松、地面設(shè)備安裝靈活、一套地面可為多條跑道提供服務(wù)并且可提供曲線及折線進(jìn)近等多種進(jìn)近程序的優(yōu)勢(shì)，在民機(jī)中的應(yīng)用趨于廣泛，GLS 提供的進(jìn)近著陸能力與衛(wèi)星導(dǎo)航的狀態(tài)密切相關(guān)。

2.6 飛行管理系統(tǒng)（FMS）

飛行管理系統(tǒng)（FMS）是現(xiàn)代民機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)中重要的電子設(shè)備，F(xiàn)MS 可綜合導(dǎo)航系統(tǒng)及性能管理系統(tǒng)，對(duì)通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、顯示、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行管理。飛行管理系統(tǒng)利用各種傳感器和數(shù)據(jù)源獲取輸入信息，通過飛管計(jì)算機(jī)的處理實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航及性能計(jì)算功能，以最佳性能為機(jī)組提供飛行管理能力，可以減少飛行員的工作負(fù)擔(dān)提高工作效率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行。其主要功能有：

導(dǎo)航管理功能：FMS 使用GPS、VOR/DME、DMEDME、慣導(dǎo)系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波處理獲得最佳位置估計(jì)，并評(píng)估導(dǎo)航精度實(shí)現(xiàn)綜合導(dǎo)航功能，完成飛機(jī)橫向剖面管理，按照預(yù)定航線將飛機(jī)準(zhǔn)時(shí)引導(dǎo)至目的地[4]；性能管理功能：利用飛行員輸入的特定參數(shù)或飛行成本計(jì)算飛機(jī)的巡航高度、速度、爬升及下降率縱向剖面參數(shù)，控制飛機(jī)按預(yù)定的縱向剖面飛行實(shí)現(xiàn)性能管理；制導(dǎo)功能：利用飛機(jī)當(dāng)前位置信息，計(jì)算當(dāng)前位置與預(yù)定航跡的偏差，產(chǎn)生操縱指令控制飛機(jī)沿所選剖面飛行，幫助飛行員實(shí)施飛行計(jì)劃，按照最優(yōu)計(jì)劃航線控制飛機(jī)的航跡；顯示功能：顯示導(dǎo)航信息及飛行計(jì)劃等信息，便于飛行員監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)。

3 衛(wèi)星接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 具備GPS/北斗雙模接收功能

2019 年12 月16 日，中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了兩顆北斗三號(hào)衛(wèi)星，所有中圓地球軌道衛(wèi)星全部發(fā)射完畢，核心星座搭建完成，北斗已具備全球服務(wù)能力[5]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建成提高了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主性，克服了以往衛(wèi)星導(dǎo)航受制于人的問題。因此，也對(duì)民機(jī)的衛(wèi)星接收機(jī)提出了新的要求。應(yīng)當(dāng)具備GPS/北斗雙模接收功能，既能夠接收GPS 衛(wèi)星信號(hào)，也可利用北斗信號(hào)為飛機(jī)提供高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并將導(dǎo)航信息用于其他交聯(lián)系統(tǒng)，為飛機(jī)提供更加穩(wěn)定可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

3.2 國(guó)產(chǎn)化需求

科林斯的接收機(jī)事件，反映出使用非國(guó)產(chǎn)機(jī)載設(shè)備存在技術(shù)壁壘，接收機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)問題難以排查。衛(wèi)星接收機(jī)負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星信號(hào)并解算衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，供機(jī)上其他系統(tǒng)使用，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致飛機(jī)報(bào)告的位置錯(cuò)誤，使飛行員失去情景意識(shí)，造成飛機(jī)突破指令高度或飛行沖突，也可能造成延遲真實(shí)告警而是機(jī)組應(yīng)急處置措施延誤，從而引發(fā)一些飛行隱患。因此民機(jī)及機(jī)載設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化是目前我國(guó)民機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)，衛(wèi)星接收機(jī)作為飛機(jī)上重要的導(dǎo)航源，為了保證衛(wèi)星導(dǎo)航的安全性和自主性，接收機(jī)適航取證是必然需求。

基于我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，民機(jī)衛(wèi)星接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是具備GPS/北斗雙模接收功能，為飛機(jī)提供高精度穩(wěn)定可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，保證相關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定工作?？屏炙沟慕邮諜C(jī)事件表明衛(wèi)星接收機(jī)國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行，未來應(yīng)加快我國(guó)接收機(jī)自主研發(fā)及適航取證進(jìn)程，盡快實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航的全面自主性。