1 、前言
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）作為未來民用航空運(yùn)行的主要導(dǎo)航源，已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展和應(yīng)用階段。GNSS包含了四大核心星座，有美國的GPS、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS和歐洲的GALILEO，以及相關(guān)增強(qiáng)系統(tǒng)。其中，增強(qiáng)系統(tǒng)是為提升民航運(yùn)行的完好性，滿足民航應(yīng)用安全需求而產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。三種典型的增強(qiáng)技術(shù)包括空基增強(qiáng)系統(tǒng)（ABAS）技術(shù)、地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）技術(shù)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）技術(shù)，本文將重點(diǎn)介紹上述三者在民用航空中的應(yīng)用，以及對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)技術(shù)研究。
2、 空基增強(qiáng)系統(tǒng)（ABAS）技術(shù)
2.1 接收機(jī)自主完好性監(jiān)測（RAIM）技術(shù)原理及應(yīng)用
典型的ABAS技術(shù)包括接收機(jī)自主完好性監(jiān)測（RAIM）和機(jī)載自主完好性監(jiān)測技術(shù)（AAIM）。前者使用接收機(jī)的冗余觀測信息進(jìn)行完好性監(jiān)測，后者與慣性導(dǎo)航、氣壓高度表/無線電高度表等組合進(jìn)行完好性監(jiān)測和性能改善。RAIM是保證完好性的重要手段之一，它是由飛機(jī)上的接收機(jī)自主執(zhí)行的故障檢測。RAIM比較每顆GNSS衛(wèi)星測量值與其他可用衛(wèi)星測量值的一致性，以此方式在當(dāng)前可用衛(wèi)星集中檢測故障衛(wèi)星。RAIM被用于航路和終端區(qū)飛行階段的輔助導(dǎo)航，并支持進(jìn)近階段的水平導(dǎo)航，目前RAIM無法支持垂直導(dǎo)航。
2.2 ARAIM技術(shù)發(fā)展
為打破這種限制，美國聯(lián)邦航空局（FAA）利用多頻多系統(tǒng)的有利條件，在RAIM的基礎(chǔ)上提出了先進(jìn)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測（ARAIM）的概念，即基于多頻多星座的導(dǎo)航源，結(jié)合地面監(jiān)測站提供的完好性支持電文（ISM），能夠?yàn)橛脩魧?shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)航性能*LPV-200（*見備注，后同）的傳統(tǒng)RAIM的升級。
在GPS-Galileo合作協(xié)議框架下，美國和歐洲于2010年成立了ARAIM技術(shù)工作組（ARAIM SG），其主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)ARAIM結(jié)構(gòu)，使其在全球范圍內(nèi)支持LPV-200。目前SBAS能滿足LPV-200的性能需求，全球LVP-200的覆蓋范圍僅為7.54%，主要為歐美地區(qū)，我國全境目前并未實(shí)現(xiàn)LPV-200性能。與SBAS相比，ARAIM運(yùn)行成本更低而覆蓋范圍更廣，未來有望在全球范圍實(shí)現(xiàn)LPV-200性能。
FAA全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目辦公室組織并建立的GNSS進(jìn)化結(jié)構(gòu)研究（GEAS）小組，以及歐盟-美國合作協(xié)議框架下的工作組C（WG-C），致力于ARAIM的研究，并先后發(fā)表了四個(gè)階段性研究報(bào)告，確定了ARAIM的基本概念、用戶算法、性能評估算法、體系結(jié)構(gòu)等。2015年2月，WG-C ARAIM 技術(shù)小組發(fā)布了“歐盟-美國合作衛(wèi)星導(dǎo)航第二階段報(bào)告”，該報(bào)告提出了ARAIM三種結(jié)構(gòu)：水平ARAIM、線下ARAIM、線上ARAIM。其中水平ARAIM能提供類似于RAIM的水平導(dǎo)航功能，但其在精度、完好性、可用性方面均顯著提高；線下和線上ARAIM結(jié)構(gòu)能夠在全球范圍內(nèi)提供垂直導(dǎo)航性能。ARAIM基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 ARAIM基本結(jié)構(gòu)
建議我國根據(jù)實(shí)際國情，基于自主建設(shè)的地基區(qū)域完好性監(jiān)測系統(tǒng)（GRIMS）作為ARAIM系統(tǒng)的地面監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)基于BDS/GPS的區(qū)域ARAIM系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)我國境內(nèi)LPV-200的覆蓋。
2.3ABAS應(yīng)用所存在問題
由于我國航空工業(yè)比較落后，大部分民航飛機(jī)和機(jī)載設(shè)備均為進(jìn)口。隨著BDS區(qū)域系統(tǒng)的民航應(yīng)用和全球系統(tǒng)的建設(shè)，如何將ABAS技術(shù)應(yīng)用于機(jī)載，實(shí)現(xiàn)“北斗上飛機(jī)”，急需國際民航組織和國際工業(yè)屆權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)的支持。因此，對于ABAS在我國應(yīng)用與推廣，標(biāo)準(zhǔn)研究和編制是亟需解決的核心問題。
3、地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）技術(shù).
3.1GBAS技術(shù)原理
GBAS對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行差分校正和完好性監(jiān)測，以提供安裝機(jī)場周邊大約23海里半徑范圍內(nèi)的導(dǎo)航和精密進(jìn)近服務(wù)。GBAS具有極高的精度、可用性和完好性，能夠滿足I類，未來甚至是II/III類精密進(jìn)近的需求，其精度在水平和垂直方向均小于1米。使用GBAS的目的在于替代儀表著陸系統(tǒng)（ILS）以支持全范圍的進(jìn)近和著陸運(yùn)行。目前，現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的GBAS能夠提供C類GBAS進(jìn)近服務(wù)（GAST-C，對應(yīng)于I類精密進(jìn)近）。滿足II/III類精密進(jìn)近的GAST-D的技術(shù)正在研究驗(yàn)證過程中，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最早有望在2018年完成。
以GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，GBAS地面設(shè)備通常由位于機(jī)場的3根以上的GPS天線、中央處理系統(tǒng)和甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VDB）裝置組成。GBAS機(jī)載設(shè)備包括GPS天線、VDB天線和相關(guān)的處理設(shè)備。GBAS地面設(shè)備通過VDB數(shù)據(jù)鏈向機(jī)載用戶提供GPS校正、完好性和進(jìn)近路徑信息。GBAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
現(xiàn)階段民航飛行所依賴的GPS僅具備單頻提供服務(wù)能力， SBAS和GBAS性能提升都面臨單頻模式下電離層異常情況處理的瓶頸問題，雙頻多系統(tǒng)將是較為穩(wěn)妥解決方案。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)域系統(tǒng)的民航應(yīng)用推廣和全球系統(tǒng)的建設(shè)，我國需加快包含北斗系統(tǒng)在內(nèi)的多星座GBAS地面系統(tǒng)審定和驗(yàn)證工作，加速ABAS機(jī)載設(shè)備研制和適航工作，盡快開始北斗SBAS建設(shè)工作。
GBAS地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備首先利用每個(gè)參考接收機(jī)的測量值計(jì)算可見衛(wèi)星的差分校正值，并實(shí)時(shí)監(jiān)測空間信號和地面站的故障。然后生成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GBAS自身的校正值和完好性信息電文。最后通過VDB將上述電文發(fā)送給機(jī)載用戶。其具體流程如圖3所示。
圖3 GBAS處理流程
3.2GBAS技術(shù)優(yōu)勢
傳統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng)面臨著諸如下滑道、降雪、因維護(hù)的關(guān)閉、VHF干擾以及多徑等諸多限制。而GBAS作為對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān)生命安全的增強(qiáng)，提供了更高等級的服務(wù)，能夠支持I類和II/III類精密進(jìn)近，并實(shí)現(xiàn)在其工作范圍內(nèi)從進(jìn)近、著陸、離場到場面運(yùn)行的全覆蓋。其具體的效益包括： GBAS可以為避開障礙物、噪音敏感區(qū)域或擁擠空域而優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)近路線；一套GBAS可以服務(wù)整個(gè)機(jī)場區(qū)域，從而減少設(shè)備的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用等。因此，在從傳統(tǒng)導(dǎo)航向基于性能的導(dǎo)航（PBN）演變的過程中，GBAS以其高精度、高可用性和低成本的特點(diǎn)，必將發(fā)揮重要的作用。
3.3 GBAS技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀
截至2014年4月29日，美國已有14個(gè)機(jī)場安裝了Honeywell的SLS-4000型GBAS設(shè)備。其中，紐瓦克國際機(jī)場和休斯頓喬治布什洲際機(jī)場的GBAS設(shè)備先后獲得FAA的運(yùn)行許可。美國聯(lián)合航空的波音737和787飛機(jī)正在使用上述機(jī)場的GBAS系統(tǒng)。此外，德國不萊梅的GBAS站也獲得了I類精密進(jìn)近的運(yùn)行許可，位于澳大利亞悉尼和西班牙馬拉加的GBAS站正在獲取運(yùn)行許可的過程中。德國法蘭克福、瑞士蘇黎世、印度金奈和南大西洋的圣赫勒拿島的GBAS也在建設(shè)當(dāng)中。
我國也在積極應(yīng)用和發(fā)展GBAS系統(tǒng)。美國霍尼韋爾（Honeywell）公司的SLS-4000型GBAS設(shè)備已安裝在上海浦東機(jī)場，于2015年3月20日利用空客A321在浦東機(jī)場進(jìn)行了地基增強(qiáng)著陸系統(tǒng)（GLS）的演示驗(yàn)證。
2015年4月26日到29日，中國電子科技集團(tuán)第二十研究所和北京航空航天大學(xué)共同研制的GBAS衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)，在天津?yàn)I海國際機(jī)場開展了演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不僅驗(yàn)證了支持現(xiàn)有基于GPS 的GBAS著陸引導(dǎo)能力，還實(shí)際驗(yàn)證了基于北斗（BDS）的GBAS著陸引導(dǎo)能力，得到了科技部和民航局領(lǐng)導(dǎo)專家的一致認(rèn)可。
3.4 GBAS應(yīng)用所存在問題
GBAS在我國的應(yīng)用推廣尚存在以下三方面的問題。
一是電離層異常監(jiān)測。美國于2000年首次發(fā)現(xiàn)了電離層異常情況，經(jīng)過多年觀測和研究，提出了部分電離層異常模型。但這些模型是基于處于中緯地區(qū)的北美電離層異常數(shù)據(jù)建立的，對于其他緯度區(qū)域或者同緯度不同經(jīng)度區(qū)域，未必適用。因此，在我國應(yīng)用GBAS，對電離層異常的監(jiān)測和研究必不可少。
二是頻率資源申請。GBAS通過VDB向覆蓋范圍內(nèi)的用戶廣播差分校正信息和完好性信息。由于我國航空無線電頻率資源分配緊張，在不減少傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)施建設(shè)部署的情況下，很難為GBAS協(xié)調(diào)合適的頻率資源，從而給GBAS的推廣應(yīng)用帶來困難。
三是射頻干擾抑制。射頻干擾是GBAS面臨的另一個(gè)重要問題。2009年11月23日在美國紐瓦克國際機(jī)場安裝測試的GBAS設(shè)備被干擾源干擾，造成參考接收機(jī)衛(wèi)星跟蹤中斷，類似的射頻干擾事件時(shí)有發(fā)生。因此在民航應(yīng)用當(dāng)中，GBAS需具備高性能的抗干擾能力，以保障運(yùn)行安全。
4、 星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）技術(shù)
4.1SBAS技術(shù)原理
SBAS的工作原理如圖4所示，首先由大量分布廣泛的差分站（位置已知）對導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測，獲得原始定位數(shù)據(jù)（偽距、衛(wèi)星播發(fā)的相位等）并送至中央處理設(shè)施（主控站），主控站通過計(jì)算得到各衛(wèi)星的各種定位修正信息，通過上行注入站發(fā)給GEO衛(wèi)星，最后將修正信息播發(fā)給廣大用戶,從而達(dá)到提高定位精度的目的。簡言之，通過地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號轉(zhuǎn)發(fā)器，該系統(tǒng)向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實(shí)現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)。
圖4 SBAS工作原理
4.2SBAS技術(shù)優(yōu)勢
SBAS系統(tǒng)能為民用航空提供花費(fèi)更低、可用性更高的導(dǎo)航功能，為航空領(lǐng)域帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。首先，通過減少通信和雷達(dá)導(dǎo)引，降低了空管人員的工作負(fù)擔(dān)，并且能為帶有衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的民用飛機(jī)提供精密進(jìn)場與著陸服務(wù)；其次，減小飛行時(shí)間和距離，可以節(jié)省燃料，降低飛行階段的運(yùn)行成本；最后，可以進(jìn)一步降低機(jī)場噪聲的影響。通過高精度定位，飛機(jī)可以按預(yù)定的航線重復(fù)飛行，這些預(yù)定航線可嘗試規(guī)避城市和社區(qū)的上空，這樣就降低了飛機(jī)飛行噪聲對周邊社區(qū)居民的影響。鑒于上述種種效益，各航天大國競相發(fā)展SBAS系統(tǒng)。目前，全球已經(jīng)建立起了多個(gè)SBAS系統(tǒng)，如美國的WAAS、歐洲的EGNOS、日本的MSAS、俄羅斯的SDCM、加拿大的CWAAS以及印度的GAGAN，各SBAS系統(tǒng)全球分布見圖5。下面以WAAS和EGNOS為例簡要闡述SBAS系統(tǒng)所帶來的巨大效益。
4.3SBAS技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀
WAAS于2003年投入試運(yùn)行，后在阿拉斯加、加拿大以及墨西哥增設(shè)的參考站，極大提高了WASS系統(tǒng)的健壯性，大范圍地提高了GPS的精度、完好性、連續(xù)性和可用性，主要為美國民用航空服務(wù)。
截止2015年1月，目前美國及加拿大具備WAAS能力的飛機(jī)場已經(jīng)達(dá)1700多個(gè)。其中1055個(gè)機(jī)場公布了*LPV（*見備注，后同）的飛行程序，480個(gè)機(jī)場頒布了LPV-200的飛行程序。該系統(tǒng)的發(fā)展擺脫了飛機(jī)對地面系統(tǒng)的依賴，從而有效減少了飛行運(yùn)營成本，據(jù)悉美國聯(lián)邦航空局已經(jīng)在考慮逐步取代VOR及ILS等地基導(dǎo)航輔助系統(tǒng)。此外，在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)及測繪領(lǐng)域，WASS系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用。
EGNOS于2003年開始進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)，并在全球進(jìn)行了測試。2009年9月，歐洲EGNOS系統(tǒng)正式啟用。EGNOS公開服務(wù)的定位精度在歐洲中心地區(qū)其水平和垂直方向分別可達(dá)1m，個(gè)別地區(qū)水平為3m和垂直為4m。EGNOS系統(tǒng)極大促進(jìn)了歐洲航空業(yè)的發(fā)展。
截止2015年3月，目前歐洲具備EGNOS能力的飛機(jī)場已經(jīng)超過了130個(gè)，以法國（62個(gè)）和德國（11個(gè)）為主。其中102個(gè)機(jī)場頒布了LPV的飛行程序，33個(gè)機(jī)場達(dá)頒布了*APV II（*見備注，后同）的飛行程序。ESSP（歐洲衛(wèi)星服務(wù)提供者）已在考慮結(jié)合EGNOS系統(tǒng)和PBN技術(shù)，為區(qū)域?qū)Ш揭约叭狈Φ鼗鰪?qiáng)系統(tǒng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)導(dǎo)航提供助力。另外，以EGNOS系統(tǒng)為核心設(shè)立了多個(gè)項(xiàng)目：支撐APVII進(jìn)近程序的SHERPA計(jì)劃；為“公開服務(wù)”和“商業(yè)服務(wù)”階段提供運(yùn)營和維護(hù)的GSC OPS&HSP計(jì)劃；處理“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)中心基礎(chǔ)設(shè)施”設(shè)置的GSC INF計(jì)劃等等。
目前我國也正在論證和籌備北斗SBAS的建設(shè)。根據(jù)我國代表團(tuán)在2015年4月1日至3日歐空局（ESA）組織召開的第28屆兼容互操作工作組（IWG）會(huì)議發(fā)言，北斗SBAS將向中國及其周邊地區(qū)提供單頻星基增強(qiáng)服務(wù)和雙頻多星座星基增強(qiáng)服務(wù)，預(yù)期的服務(wù)等級為*CAT-I（*見備注，后同）。我國現(xiàn)正開展雙頻多星座（DFMC）SBAS的設(shè)計(jì)；2018年將發(fā)射具備SBAS能力的GEO衛(wèi)星；2020年將在亞太地區(qū)提供初始的DFMCSBAS服務(wù)；2025年左右將提供正式的SBAS服務(wù)。
4.4SBAS應(yīng)用所存在問題
如前文所述，各航空大國和地區(qū)都在升級和建設(shè)SBAS，對于系統(tǒng)運(yùn)營方，如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)SBAS之間的兼容與互操作；對于機(jī)載用戶，如何選擇GEO衛(wèi)星播發(fā)的SBAS信息，利用多個(gè)SBAS的信息融合，實(shí)現(xiàn)無縫的高精度導(dǎo)航，是未來SBAS應(yīng)用中可能存在的問題。
5、三種增強(qiáng)技術(shù)在航行各階段的應(yīng)用支持
衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展支撐了航行各階段的應(yīng)用，如下表所示。表中黃色區(qū)域的GPS隱含了ABAS，因?yàn)楹娇招徒邮諜C(jī)的標(biāo)配具有RAIM功能，紫色區(qū)域指有SBAS時(shí)可支持的導(dǎo)航和監(jiān)視性能，藍(lán)色區(qū)域指有GBAS時(shí)系統(tǒng)可支持的導(dǎo)航和監(jiān)視性能。
飛行技術(shù)誤差是影響整個(gè)系統(tǒng)精度的主要因素，系統(tǒng)精度由運(yùn)行需求進(jìn)行說明。定位精度可以忽略；
RNP AR限值由整個(gè)系統(tǒng)的需求決定；典型值已得到驗(yàn)證。
表中的縮略語：非獨(dú)立平行進(jìn)近(DPA)，獨(dú)立平行進(jìn)近(IPA)，監(jiān)視完好性水平(SIL)，導(dǎo)航完好性等級(NIC)，用于定位的導(dǎo)航精度等級(NACp)。
6、結(jié)語
本文從原理、技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用存在問題等方面詳細(xì)分析了ABAS、GBAS和SBAS技術(shù)。從主要應(yīng)用方式角度看，ABAS貫穿航行始終，SBAS重點(diǎn)保障到NPA階段，GBAS則主要用于進(jìn)近階段。在實(shí)際應(yīng)用中，三種增強(qiáng)系統(tǒng)相結(jié)合，能提供更大安全保障。例如，SBAS大范圍的格網(wǎng)電離層監(jiān)測可為GBAS提供預(yù)警；進(jìn)近階段，GBAS不滿足CAT I性能時(shí)，機(jī)載設(shè)備需切換到ABAS運(yùn)行。
現(xiàn)階段民航飛行所依賴的GPS僅具備單頻提供服務(wù)能力， SBAS和GBAS性能提升都面臨單頻模式下電離層異常情況處理的瓶頸問題，雙頻多系統(tǒng)將是較為穩(wěn)妥解決方案。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)域系統(tǒng)的民航應(yīng)用推廣和全球系統(tǒng)的建設(shè)，我國需加快包含北斗系統(tǒng)在內(nèi)的多星座GBAS地面系統(tǒng)審定和驗(yàn)證工作，加速ABAS機(jī)載設(shè)備研制和適航工作，盡快開始北斗SBAS建設(shè)工作。
備注：
文中提到的NPA等術(shù)語為航行各階段的運(yùn)行指標(biāo)，按照其性能等級由低到高排序?yàn)椋篘PA —> APV I—> LPV—> LPV-200—> APV II—> CAT I—> CAT II—> CAT IIIa—> CAT IIIb。
其中，APV I、LPV、LPV-200、APV II都是由于星基增強(qiáng)系統(tǒng)出現(xiàn)才提出運(yùn)行指標(biāo)定義。
LPV為低至350英尺高度的具備水平和垂直引導(dǎo)精密進(jìn)近程序（定位精度，水平：16m，垂直：20m；告警限，水平：40m，垂直：50m；完好性風(fēng)險(xiǎn)：1-2 × 10-7/ 每次進(jìn)近；告警時(shí)間：10s）；
LPV-200為低至200英尺高度的具備水平和垂直引導(dǎo)精密進(jìn)近程序，垂向精度等同于儀表著陸系統(tǒng)（ILS）提供CAT I精密進(jìn)近服務(wù)的能力（定位精度，水平：16m，垂直：4m；告警限，水平：40m，垂直：35m；完好性風(fēng)險(xiǎn)：1-2 × 10-7/ 每次進(jìn)近；告警時(shí)間：6.2s）；
APVII為利用側(cè)向和垂直引導(dǎo)的儀表進(jìn)近程序，允許用戶利用垂直引導(dǎo)進(jìn)行穩(wěn)定的下降操作，而不需要傳統(tǒng)的精密進(jìn)近程序的精度要求（定位精度，水平：16m，垂直：8m；告警限，水平：40m，垂直：20m；完好性風(fēng)險(xiǎn)：1-2 ×10-7 / 每次進(jìn)近；告警時(shí)間：6s）。
文章來源：航空電信產(chǎn)業(yè)論壇
