衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（六）

+ 劉天雄

3 完好性增強系統(tǒng)及其實現(xiàn)方案

3.1 完好性分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的服務(wù)是單方向的，系統(tǒng)對提供的定位精度和質(zhì)量沒有閉環(huán)監(jiān)測和反饋能力?；緦?dǎo)航系統(tǒng)沒有快速告警手段和通道，系統(tǒng)發(fā)生異常情況或中斷情況時不能及時把告警信息通報用戶，可能導(dǎo)致大量用戶仍使用錯誤的導(dǎo)航信息，引發(fā)生命安全事故。完好性增強主要是利用地面監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測導(dǎo)航信號健康狀態(tài)，結(jié)合偽距觀測量的狀態(tài)域改正數(shù)或者觀測值域改正數(shù)生成相應(yīng)的完好性信息，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者異常情況下及時告知用戶，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性概念示意如圖16所示。完好性增強技術(shù)的本質(zhì)是及時有效地識別、剔出導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航PNT服務(wù)不可信的各類因素。

空中交通管理是為了有效地維護和促進空中交通安全，維護空中交通秩序，保障空中交通暢通，根據(jù)通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)的信息，實施空中交通管理，包括空中交通服務(wù)、空中交通流量管理、空域管理三方面內(nèi)容。民航起降過程如圖17所示。

為空中交通管理提供導(dǎo)航信息的系統(tǒng)有定向機/無方向信標(biāo)（DF/NDB）、儀表著陸系統(tǒng)（ILS）、甚高頻全向信標(biāo)（VOR）、測距器（DME），以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民用航空中的應(yīng)用包括航路（En-route）、終端區(qū)（Terminal）、進近（Approach）、著陸（Surface）和起飛（Departure）等環(huán)節(jié)，其中進近又可以細分為非精密進近（Non-precision approach，NPA）、一類垂直引導(dǎo)進近（approach with vertical guidance-I，APV-I）、二類垂直引導(dǎo)進近（APV-II）、一類精密進近（CAT-I）、錯誤進近（Missed approach）、二類精密進近（CAT-II）和三類精密進近（CAT-III）。三類精密進近又細分為A、B、C三級，各類別和等級的主要區(qū)別是系統(tǒng)對“決斷高度（Decide Height，DH）”、“跑道可視距離（Runway Visual Range，RVR）”或者“能見度”的數(shù)值定義不同。

圖16 完好性概念示意（HPL代表水平保護門限，HAL代表水平告警門限）

圖17 SBAS和GBAS系統(tǒng)引導(dǎo)民航起降

表2 CAT-I、CAT-II和CAT-IIIB精密進近對定位精度和完好性要求

其中CAT-I允許飛機下降到?jīng)Q斷高度DH為200英尺，并且跑道可視距離RVR不小于1600英尺；CAT-II進允許飛機下降至DH100英尺，并且最小RVR不小于1200英尺；CAT-IIIA和CAT-IIIB的DH取決于跑道可視情況，若RVR小于700英尺，CAT-IIIA的DH為100英尺，否則沒有DH限值；同樣，若RVR小于150英尺，CAT-IIIB的DH為50英尺，否則沒有DH限值；CAT-IIIC沒有DH和RVR的限值，被稱之為“Zero-Zero”進近，飛機被引導(dǎo)至快要接觸跑道地面的位置處，使飛機自動著陸。ICAO定義的CAT-I、CAT-II和CAT-IIIB精密進近對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和完好性要求如表2所示，表中NSE為導(dǎo)航系統(tǒng)誤差（Navigation System Error）。

目前全球各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都不能在精度、完好性、連續(xù)性及可用性四個方面滿足民用航空在所有飛行階段的需求。從精度方面看，在當(dāng)前無SA影響下，GPS單點定位精度只有10m左右，這種精度能滿足到非精密進近階段的要求（220m），但不能用于精密進近導(dǎo)航服務(wù)。從完好性方面看，GPS系統(tǒng)本身能進行一定程度的完好性監(jiān)測，但告警時間太長，通常需一個小時，不能滿足民航完好性6s告警的需求。從連續(xù)性和可用性方面看，GPS雖然能保證所有地區(qū)能有4顆以上可視衛(wèi)星，但衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)仍然存在較差情況，如果加上完好性要求，其可用性會更差。

因此，考慮到民航對導(dǎo)航安全的要求，建立衛(wèi)星導(dǎo)航的星基增強系統(tǒng)（SBAS）和地基增強系統(tǒng)（GBAS）無疑是解決這一問題的有效途徑之一，通過給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)打“補丁”的方式來提升系統(tǒng)的導(dǎo)航性能。SBAS需要在精度、完好性、連續(xù)性和實時性四個方面針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)進行增強。根據(jù)2006年7月ICAO相關(guān)衛(wèi)星輔助導(dǎo)航要求，民用航空導(dǎo)航對SBAS的導(dǎo)航安全要求如表3所示，飛行的不同階段對衛(wèi)星導(dǎo)航的性能指標(biāo)要求是不同的，性能指標(biāo)同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，也是用定位精度、完好性、連續(xù)性和可用性來衡量的，詳見ICAO Standards and Recommended Practices，Annex 10，Volume 1 Radio Navigation Aids。

表14.2中，SBAS定義定位精度用飛機實際的位置與機載導(dǎo)航設(shè)備解算的位置之間的差別，即用導(dǎo)航系統(tǒng)誤差NSE來表述定位精度，SBAS系統(tǒng)通過給用戶提供衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星星歷、星鐘以及電離層延遲誤差差分改正數(shù)，實現(xiàn)民航對導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度要求。表14.2中，對于給定的某一飛行操作期間，假設(shè)在該飛行操作期間的初始階段系統(tǒng)是可用的，且預(yù)測在該飛行操作期間系統(tǒng)也是可用的，SBAS定義連續(xù)性為系統(tǒng)維持規(guī)定的性能的概率。系統(tǒng)連續(xù)性不滿足要求意味著系統(tǒng)存在風(fēng)險，必須中斷飛行操作。假設(shè)在計劃的某一飛行操作期間的初始階段導(dǎo)航服務(wù)是可用的，當(dāng)系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性指標(biāo)滿足指標(biāo)要求，對于任意給定用戶在任何給定時間，用導(dǎo)航服務(wù)可用的概率來度量SBAS的可用性。實際上，我們一般用保護門限低于相應(yīng)告警門限的概率來計算系統(tǒng)的可用性。ICAO將完好性定義為SBAS系統(tǒng)提供差分改正數(shù)可信程度的度量，即，當(dāng)導(dǎo)航位置誤差超出告警門限，SBAS系統(tǒng)沒有在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)出告警信息時，系統(tǒng)可以接受的最大概率。SBAS系統(tǒng)通過下列措施保證系統(tǒng)完好性——

表3 民用航空導(dǎo)航對SBAS的導(dǎo)航安全要求

· 給用戶提供衛(wèi)星/電離層延遲告警信息，通知用戶在解算位置過程中，剔除相應(yīng)衛(wèi)星/電離層延遲誤差改正數(shù)；

· 給用戶提供水平和垂直保護門限信息（Horizontal and Vertical Protection Level information ，HPL及VPL），對于給定的某一飛行操作，如表4所示，通過比較保護門限（HPL,VPL）和相應(yīng)的告警門限（Alarm Limits，AL），用戶可以評估系統(tǒng)在此飛行階段的可用性。利用用戶差分測距誤差UDRE改正數(shù)以及格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE，SBAS系統(tǒng)可以計算并廣播系統(tǒng)完好性邊界，用戶可以計算保護門限（HPL, VPL）超出系統(tǒng)完好性邊界的程度。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航及其增強系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)形成組合系統(tǒng)（LAAS、WAAS、INS），共同為民航提供進近和著陸服務(wù)。由于利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行進近/著陸系統(tǒng)導(dǎo)航時，設(shè)備簡單，進近和著陸線路靈活，可以增強機場著陸的能力。

航路導(dǎo)航方面，民航航路導(dǎo)航是指洋區(qū)和大陸空域航路，目前民航在繁忙區(qū)域和終端區(qū)導(dǎo)航主要使用VOR/DME和NDB系統(tǒng)，為了保證飛機在規(guī)定的航路寬度內(nèi)飛行，必需按照一定的密度布置VOR/DME地面導(dǎo)航臺，但在山區(qū)和沙漠地區(qū)，建設(shè)地面導(dǎo)航臺有一定的困難，大洋航路更不能依靠傳統(tǒng)地面導(dǎo)航設(shè)備，必須使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)。飛機在航路上飛行時，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)㈩機載RAIM技術(shù)㈩慣性導(dǎo)航技術(shù)能夠滿足洋區(qū)航路對衛(wèi)星導(dǎo)航精度、完好性和可用性的要求，能夠滿足大陸空域航路對精度的要求；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣域增強技術(shù)能滿足大陸空域航路的精度、完好性和可用性的要求。FAA已經(jīng)批準(zhǔn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為大洋航路和邊遠地區(qū)航路的主要導(dǎo)航手段，大陸航路的輔助導(dǎo)航手段。終端區(qū)導(dǎo)航對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求介于航路和進近之間，廣域增強系統(tǒng)提供的服務(wù)可以滿足民航對于精度、完好性、連續(xù)性和可用性，利用衛(wèi)星導(dǎo)航作為傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助手段，可以克服終端區(qū)航道寬度過寬、飛行間隔過大等問題，可以有效地縮短航道寬度和飛行間隔，提高飛行效率，減少航班延遲等問題。

此外，對航路的監(jiān)視也是民航空管一項非常重要的任務(wù)。

目前航路的監(jiān)視是一種非相關(guān)監(jiān)視，主要利用雷達系統(tǒng)，這種監(jiān)視系統(tǒng)的地面和機載設(shè)備復(fù)雜、價格高，監(jiān)視精度隨距離而降低，服務(wù)范圍有限。利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)的自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，機載設(shè)備通過通信系統(tǒng)報告導(dǎo)航接收機給出的位置、速度信息，可以提高飛行安全，增加空中交通管理的靈活性。利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)民航客機的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B），飛機將機上導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)出的定位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈自動發(fā)送給地面數(shù)據(jù)處理中心，包括飛機識別、空間位置坐標(biāo)和所需附加的信息，由此，空管系統(tǒng)可以實時獲取民航客機的位置、速度等信息，提高對飛機的監(jiān)視與識別能力，提高空管系統(tǒng)容量、效率和安全。隨著航空器機載設(shè)備能力的提高以及衛(wèi)星導(dǎo)航等先進技術(shù)的不斷發(fā)展，國際民航組織提出了“基于性能的導(dǎo)航（Performance Based Navigation， PBN）”概念，PBN是在整合各國區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）和所需導(dǎo)航性能（RNP）運行實踐和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出的一種新型運行概念。它將航空器的機載設(shè)備能力與衛(wèi)星導(dǎo)航及其他先進技術(shù)結(jié)合起來，涵蓋了從航路、終端區(qū)到進近著陸的所有飛行階段，提供了更加精確、安全的飛行方法和更加高效的空中管理模式。廣域增強系統(tǒng)WAAS也是當(dāng)前唯一可以滿足民航自動相關(guān)監(jiān)視廣播ADS-B技術(shù)要求的系統(tǒng)。

表4 ICAO定義的典型飛行操作

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在不同覆蓋區(qū)提供的PNT服務(wù)的性能是不同的，并且隨時間變化，而一旦出現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)性能下降、系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常情況時，僅依靠系統(tǒng)本身地面保障系統(tǒng)無法做到及時發(fā)現(xiàn)并給用戶告警。完好性增強的服務(wù)范圍與偽距觀測量改正數(shù)生成方式相關(guān)，完好性體現(xiàn)了誤差超出限值的概率，即故障報警能力。為了提高GPS系統(tǒng)的PNT性能和服務(wù)的安全性，美國聯(lián)邦航空局(FAA)率先針對單頻民用用戶建設(shè)了完整的GPS增強系統(tǒng)，包括廣域增強系統(tǒng)(WAAS)以及局域增強系統(tǒng)(LAAS)等，這兩種系統(tǒng)都是差分原理的進一步拓展，更加關(guān)注系統(tǒng)安全性，需要與GPS系統(tǒng)聯(lián)合使用以確保系統(tǒng)的完好性。SA技術(shù)關(guān)閉前后以及采用WAAS增強技術(shù)，GPS系統(tǒng)單準(zhǔn)定位服務(wù)（頻標(biāo)）用戶測距誤差比較如圖18所示。

以基本導(dǎo)航系統(tǒng)提供的服務(wù)為基礎(chǔ)，增加覆蓋一定區(qū)域的地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，借助衛(wèi)星通信鏈路播發(fā)增強信息，就可以形成完整的星基增強系統(tǒng)，實現(xiàn)飛行器的自主導(dǎo)航，使跨洋或洲際性國際航線設(shè)計徹底擺脫對地面導(dǎo)航臺分布的依賴和限制，縮短飛行里程，節(jié)省燃油；對于機場來說，則可以有效控制飛機間的起降間隔，提高跑道的起降使用效率，在同一個空域內(nèi)減小各飛行通道間的間距，增加飛行并行通道的數(shù)量，在節(jié)約物資、人力、時間資源等方面創(chuàng)造的直接和間接效益不可估量。GPS系統(tǒng)不同導(dǎo)航模式所達到的定位精度如表5所示。

圖18 SA技術(shù)及WAAS增強技術(shù)對測距誤差的影響

表5 GPS系統(tǒng)不同模式所達到的定位精度

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身具有一定程度的完好性監(jiān)測能力，但告警時間太長，例如，GPS系統(tǒng)由地面運控系統(tǒng)檢測到異常，形成定論和指示信息，把這一指示信息添加到導(dǎo)航電文中，形成新的導(dǎo)航電文，由地面注入到導(dǎo)航衛(wèi)星，再由導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送給最終用戶，這一過程一般需要1小時，對于那些與生命安全的應(yīng)用領(lǐng)域來說，這個時間太長。將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于民用航空導(dǎo)航，其完好性保證能力是用戶最為關(guān)注的性能，因為飛行安全對于用戶來說是最為關(guān)鍵的。完好性增強技術(shù)可以分為內(nèi)部增強方法和外部增強方法，其中SBAS屬于外部增強方法。外部增強方法主要采用的是完好性通道（IC）檢測方法，即通過大量地面監(jiān)測站采集觀測數(shù)據(jù)并集中處理并產(chǎn)生完好性信息，再通過同步衛(wèi)星實時地播發(fā)給用戶。這里的完好性信息主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星的可用狀態(tài)以及與導(dǎo)航信號有關(guān)的誤差限制，用戶可以由此確定觀測衛(wèi)星是否可用并計算得到定位誤差限值，從而實現(xiàn)對故障的快速反應(yīng)。以GPS/WAAS為導(dǎo)航手段，可以完整地保障航空飛行機場到機場間的自動飛行全過程，進一步結(jié)合LAAS系統(tǒng)可以實現(xiàn)飛行器在機場的安全起降導(dǎo)航服務(wù)。

結(jié)合廣域差分和完好性通道檢測技術(shù)，地面參考站可以同時得到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性和各類誤差改正數(shù)。解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性問題，涉及多個信號處理環(huán)節(jié)、大范圍基站覆蓋、長時間的數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計分析。同時，驗證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性監(jiān)視模型的正確性和有效性也是一個復(fù)雜的過程。此外，接收機自主完好性監(jiān)視(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)系統(tǒng)利用接受冗余的GNSS信號，監(jiān)測導(dǎo)航信號故障、確保位置解算結(jié)果的完好性。針對不同應(yīng)用場合，人們開發(fā)了各種RAIM算法。例如只利用當(dāng)前測量值進行一致性檢測的“快照法”，利用當(dāng)前測量值和過去測量值的“平均法”或“濾波法”。幾乎所有的RAIM算法都是基于測量值的一致性檢測技術(shù)，即利用冗余測量值檢測多個測量值中可能存在的不良信息。由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性保障能力不足以滿足特定用戶的需求，建設(shè)專門的完好性增強系統(tǒng)的代價又較大，接收機自主完好性監(jiān)視系統(tǒng)得以迅速發(fā)展。

衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)按照各種維度可以分為不同種類，例如，按照播發(fā)鏈路的不同，可以分為天基增強系統(tǒng)和地基增強系統(tǒng)，按照服務(wù)范圍可以分為廣域增強系統(tǒng)和局域增強系統(tǒng)?，F(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航增強服務(wù)包括公益服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、全球服務(wù)、區(qū)域服務(wù)、天基服務(wù)、地基服務(wù)等，以滿足不同用戶的多種應(yīng)用需求。