差分技术

4.2卫星导航中的差分技术•在飞机进近阶段尤其下滑着陆时，对定位精度的要求大幅度提高，除非目前的卫星导航系统采用严格意义上的差分定位技术或载波相位测量技术，否则无法满足国际民航组织规定的精密进场要求。4.2.1差分技术的基本概念及工作原理4.2.1.1差分技术的基本概念差分是指在一个测量站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差，目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数，以便提高观测精度。卫星导航差分系统由基准站、计算中心、通信链路和用户设备组成基准站计算中心用户设备导航卫星通信链路4.2.1.2差分校正的工作原理卫星导航系统的定位误差从来源上可分为三个部分：即卫星系统误差，如星钟误差和星历误差；传播误差，包括对流层误差、电离层误差；接收误差，如接收机内部噪声、通道延迟和多径效应等。4.2.1.3差分GPS技术GPS定位是利用一组卫星的星历、卫星信号发射时间、伪距等观测量来实现的，由于卫星和用户的时钟不完全同步，还必须知道用户时钟差。因此，要获得地面或空中目标的三维坐标，必须对4颗以上卫星的距离或相位进行测量。在这一定位过程中，如何消除或减小误差，提高定位精度，满足飞机在各个飞行阶段的要求，是GPS应用的重要课题。4.2.2差分技术用于飞机进近和着陆机场运行的最低标准分为着陆最低标准和起飞最低标准，而进场着陆是飞行中最为重要的阶段下滑高度保持进场下滑阶段拉平阶段拉平下滑捕捉进入固定下降速度方式2－3度飞机的降落过程示意图差分GPS着陆系统GPS接收机差分数据接收机GPS接收机数据处理计算机数据处理计算机差分数据发射机航向下滑距离送往仪表机载设备地面设备4.3卫星导航中的完好性监测•用于航空的导航系统必须满足精确性、完好性、连续性和可用性的要求。建设完好性监测系统的主要根据是：•（1）当前的GPS和GLONASS系统完好性不足，即使建立了包括欧洲“伽利略”卫星系统在内的GNSS－2系统，“失效”卫星造成大的定位偏差的情况还是不可避免的，因此完好性监测是一个长期的任务。完好性监测•（2）在某一时刻的某一区域，用户接收机自身还无法实时地计算出用户的实际位置及卫星的完好性信息。•（3）GPS和GLONASS都是为军事目的建立起来的，在使用它们进行导航时，对其运行状况必须时刻密切关注，才能保证对它们的正确利用。•通过建立地面增强完好性监测（GAIM）系统，实时监测卫星系统的完好性，提高卫星信号精度，才能使每一个卫星导航应用部门获得可靠的安全保障。4.3.1完好性监测的措施及实现4.3.1.1问题的提出•无论GPS作为辅助导航系统还是作为主用导航系统，都必须满足一定的精度和完好性要求。4.3.1.2完好性监测的措施与手段•目前，已有多种增强GPS系统完好性的方法和途径。从完好性增强的手段上来分，可分为内部监测方法和外部监测方法两大类。•内部监视方法是指不需要外部设备提供信息，仅通过飞行器内部设备的监测和分析，就可以提取出卫星系统的完好性信息，进行卫星故障的检测和排除。•外部监视方法是在地面或太空的地球同步卫星上设置完好性监测站或站组，通过在站中建立高精度的时间和空间基准，对空间相关的误差（大气中的传播延时误差）和空间不相关的误差（卫星的星历误差、星钟误差）进行分离解算，复制完善性信息（如卫星数据中的健康字符等），最后向其覆盖的用户播发。4.3.1.3完好性监测的具体实现•为保证GPS系统满足民用航空导航系统的要求，各国研究了多种增强GPS系统完好性的方法和技术途径。从航路至非精密进近阶段，增强GPS系统完好性的方法通常包括RAIM、GAIM、GPS/惯导组合以及WAAS系统，其中WAAS可达到Ⅰ类精密进近的要求。4.3.2欧洲的静地重叠卫星完好性监测方案•欧洲根据其自身的需要，提出建立自己的静地重叠卫星完好性监测系统，以实现对GPS和GLONASS系统的合理应用。欧洲的静地重叠卫星系统的方案基本上由空间段、地面段和用户段三部分组成，而用户段只需在现有GPS/GLONASS用户段的基础上稍作修改即可。地面段由许多分布在整个广播区域内的基准完好性监测站（RIMS）组成，每个RIMS站具有下面一种或几种功能：•（1）“监测功能”：用于监视可见范围内卫星（GPS、GLONASS、重叠卫星星座的一部分）的数据广播；•（2）“电离层延时评估功能”：通过接收GPS卫星信号的两个工作频率（L1和L2），评估不同卫星发送的信号因电离层干扰而造成的传播延时；•（3）“完好性检测功能”：用于监测整个广播区域的各个点上，由静地重叠卫星系统计算并播发的差分改正数据的完好性。4.3.3中国民航GNSS完好性监测方案•根据国际已发展的各种增强GPS系统完好性的技术，有两种措施比较适合中国国情。一种是接收机自主完好性监视，也称为RAIM；另一种是GPS系统完好性通道。两种措施结合能较好地满足中国民航用GPS系统作为辅助航空导航系统的要求。4.3.3.1GPS卫星完好性地面监测系统•采用GAIM技术的卫星完好性监测系统包括地面监测网、主控站、机场差分台、导航地空数据通信链、机载航路导航台以及机载多模式接收机（MMR）和处理单元等，如图4.3－6所示。系统的基本功能包括利用地面监测站获得卫星的完好性信息和差分校正信息；实现监测数据的实时发送；飞机能够及时利用差分校正信息提高定位精度，利用卫星完好性信息剔除不可用卫星。系统的目标是在GPS接收机RAIM和GAIM系统的共同增强下，使GPS系统在边远地区达到主要导航/监视系统的性能要求，在航路、终端区达到辅助导航/监视系统的性能要求。4.3.3.2导航地空数据链路•导航地空数据链负责接收主控站传送来的卫星完好性信息和机场差分站送来的差分信息，将它们处理后按一定的格式打包发送到飞机上的机载多模式接收机。可采用广播式甚高频数据链，选用ILS和VOR使用的导航频段（108～117.975MHz），频率间隔为25KHz；调制方式为TDMAD8PSK（差分8进制相移键控），传输速率为31.5Kbit/s；修正信息每1秒钟广播1次。4.3.3.3机载GPS卫星完好性信息接收单元•目前，常用的机载GPS完好性信息接收单元是MMR。MMR是一种高集成度、多功能的航空电子导航设备，它可以集ILS、MLS、GNSS接收/处理和GLS（卫星着陆系统）等功能模块于一体，主要实现飞机在各种机场条件下的着陆功能，但也可用于航路导航。4.3.3.4中国民航GNSS完好性监测试验工程•GRIM法是在本地域设置若干个监测站，保证在关心的区域监视卫星健康状况，各监测站通过平面通信网络联接起来将监视信息送到主控站处理形成GPS卫星完好性信息，再通过地空通信网络送到机载GPS接收机。4.4卫星导航增强系统•GPS系统自运行以来，在世界大范围内得到了广泛应用，然而长期以来，其完好性、可靠性、导航精度等一直难以满足航空用户将其作为主用导航系统的性能要求，卫星导航增强系统的建立和使用，正是针对这一问题对GPS系统进行的改进措施。卫星增强系统除了提供对伪距和电离层广域差分的校正之外，同时提供了GPS系统的完好性信息，比普通的广域差分系统具有更好的实用价值。增强系统网络的建设，不仅可为航空等领域提供高质量的导航服务，实现全球范围的无缝导航服务，同时各参考站数据还可作为数据资源用于科学研究、大地测量、工程建设等诸多方面，提高了它的附加价值。4.4.1地基增强系统•在GBAS中，用户接收到的增强信息来自地基发射机。GBAS由GNSS卫星子系统、地面子系统和机载子系统组成4.4.2星基增强系统•在SBAS中，用户接收的增强信息来自星基发射机。SBAS由地面监测站、主控站、地面地球站（GES）及同步轨道通讯卫星组成。系统以辅助的同步轨道通信卫星，向GNSS用户广播导航卫星的完好性和差分修正信息。4.4.3空基增强系统•ABAS综合了GNSS信息和机载设备信息，从而确保导航信号完好性的要求。它的应用包括接收机自主完好性监测（RAIM）、飞机自主完好性监测（AAIM）、全球定位系统/惯性导航系统（GPS/INS）等。宗旨是保证定位精度，实现对卫星工作状态的监控，确保使用健康的卫星进行定位。4.4.4陆基区域增强系统•澳大利亚根据其独特的地理位置和地域辽阔的特点，提出了一种星基和地基混合的地区增强系统－－GRAS的概念。澳大利亚建设GRAS的基本要求为：首先，它必须与ICAO的标准兼容；其次，它提供的服务必须等效于或优于现有的地基导航系统，第三，在澳大利亚空域要支持航路和非精密进近导航，成本与地基导航系统的相当或更低。4.5GNSS在空管导航中的应用与发展•按航路类型或飞行阶段划分，GPS在航空导航中的应用涉及到洋区空域航路、内陆空域航路、终端区导引、进场/着陆、场面监视和管理、特殊区域导航（如农业、林业）等。不同的航路段和不同的应用场合对导航系统的精度、完好性、可用性、服务连续性的要求不尽相同，但都要保证飞机飞行安全和有效利用空域。4.5.1GNSS在空管导航中的应用4.5.1.1航路导航•航路主要指洋区和大陆空域航路。目前，GPS的接收机RAIM技术能满足洋区航路对GPS的导航精度、完善性和可用性的要求，精度能满足大陆空域航路的要求；GPS的广域增强系统能满足大陆空域航路的精度、完善性和可用性的要求。4.5.1.2进场与着陆•包括非精密进场/着陆和CAT－I、II、III类精密进场/着陆。GPS及其广域增强系统完全满足非精密进场/着陆对精度、完好性和可用性的要求；采用局域伪距差分/增强技术，能满足CAT－I、II类精密进场的要求。目前实验表明，采用载波相位差分技术，精度可达到CAT－IIIB类的要求。可以肯定，各种增强和组合系统（如LAAS、WAAS、GPS/INS等）将最终取代仪表着陆，而成为进场/着陆的主要手段。•由于GPS着陆系统设备简单、无需复杂的地面支持系统，它将适合于任何机场，包括私人机场和山区机场。理论上，GPS着陆系统可以引导飞机沿任意一条飞行剖面和进场路径着陆，这就增强了各种机场着陆的灵活性和盲降能力。4.5.1.3航路监视、场面监视和管理•目前的航路监视是一种非相关监视系统，主要是利用各种雷达系统，可以和机载导航系统互成备份。但这种监视系统的地面和机载设备复杂、价格高，监视精度随距离而变化，作用距离有限，不可能实现全球覆盖和全球无间隙监视。GPS和航空移动卫星系统的出现，将改变这种传统的监视方法，ADS，即机载GPS导航系统通过通信自动报告自己的位置已经提出，目前的演示和实验已经证明，ADS为飞行各阶段的监视都会带来益处，特别是为洋区和内陆边远地区的空域实现自动监视业务提供了可能，将有效地减轻飞行员/管制人员的工作负担，同时也增加了ATM的灵活性。4.5.1.4区域导航•RNAV允许飞机在台基导航设备的基准台覆盖范围内或在自主导航设备能力限度内，或两者配合下按任何希望的飞行路径飞行。•区域导航可应用于永久性的固定航路、短期性的偶用航路、随机航路和终端区航路，它的特点是可以完全脱离地面导航台的束缚，航线结构由一系列自定义的航路点连线组成，通过定出飞机在地球上的绝对位置，而编排出短捷的和希望的飞行路径。4.5.1.5所需导航性能•所需导航性能是在新航行系统的条件下产生的新概念，由FANS在1992年向ICAO提出，1994年经ICAO批准并颁布了RNP手册，它是RXP中的重要部分，并是目前唯一确切定义的概念，其中X为C（通信）、N（导航）、S（监视）、ATM（空中交通管理）的一种。4.5.1.6其它应用•在新机型、新机载设备、机载武器系统或地面服务系统的设计、定型、测试和飞行试验中，基于DGPS的飞行状态参数测量系统，可作为基准或可比较的辅助设备，将使飞行试验、数据处理和飞行测试变得简单，并且节省开支。4.5.2GNSS在空管导航中的发展•卫星导航系统以其实时、高精度等特性使飞机在飞行过程中能够连续、准确地定位，从而使飞机容易实现任意两点间的直线飞行，而且可以灵活地选择一条短捷航路。飞行航路不再受地面建