卫星导航与空管201006

1、中国民航局空中交通管理局卫星导航与空管卫星导航与空管民航局空管局广州 2010.6.10中国民航局空中交通管理局卫星导航系统概述卫星导航的应用内容PBN路线图中国民航局空中交通管理局卫星导航系统概述Q一个世界范围的定位和定时系统，包含： 一个或多个卫星星座 机载接收机 系统完好性监视 必要的时候需要增强以支持所需的导航性能。ICAO 国际民航公约 附件十 GNSS SARPs中国民航局空中交通管理局卫星导航系统概述QGNSS元素：GalileoABAS GNSS星座星座 增强系统增强系统 机载接收机机载接收机 GLONASSGPSSBASGBASRAIM、AAIMWAAS、EGNOSGRASL

2、AASCompass中国民航局空中交通管理局QGPSGlobal Positioning System军方建设， DOT、DOD、DOA和NASA共管全球、全天候覆盖，应用广泛。GPS介绍中国民航局空中交通管理局GPS介绍Q从1973年到1995年，GPS系统的建立经历了近22年，耗资超过100亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划 。Q共发射39颗卫星（Block I 15颗，Block II 24颗）保证在世界任何地方至少同时看到4颗卫星。QGPS系统能提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务。中国民航局空中交通管理局空间部分：空间部分：提供星历和时间信息提供星

3、历和时间信息发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号提供其它辅助信息提供其它辅助信息用户部分：用户部分：接收并测定卫星信号接收并测定卫星信号记录原始数据记录原始数据得到导航定位信息得到导航定位信息地面控制部分：地面控制部分：解算中心控制参数解算中心控制参数实现时间同步实现时间同步跟踪卫星并进行定轨跟踪卫星并进行定轨GPS系统组成中国民航局空中交通管理局Q24颗卫星（21+3）Q6个轨道平面Q20200km轨道高度（地面高度）Q12小时（恒星时）轨道周期Q1575.42MHz （19.05cm）Q1227.60MHz （24.45cm）GPS空间部分中国民航局空中交通管理局GPS卫星作用： 接收、存

4、储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置中国民航局空中交通管理局类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力 Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯 Bl

5、ock F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS卫星中国民航局空中交通管理局GPS的地面监控部分Q 主控站：1个（美国科罗拉多州法尔孔空军基地）Q 监测站：5个（夏威夷、主控站及三个注入站）Q 注入站：3个（阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平洋）11HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs中国民航局空中交通管理局 卫星信号结构 每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率） 两种载波（L1和L2） 两种码信号（C/A码和P码） 一组导航电文（信息码，D码）基准频率基准频率10.23M

6、HZ L11575 . 42 MHZ C/A码码 1.023MHZ P码码 10 . 23MHZL21227.60MHZ15412050比特比特/S卫星信息电文（卫星信息电文（D码）码）GPS卫星信号中国民航局空中交通管理局载波Q作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移Q类型目前 L1 频率： 154f0 = 1575.42MHz；波长：19.03cm L2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后 增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c m中国民航局空中交通管理局测距码Q类型目前C/A码（

7、Coarse/Acquisition Code） 粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；仅被调制在L1上P（Y）码（Precise Code） 精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；被调制在L1和L2上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码中国民航局空中交通管理局GPS定位原理单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度 , 经度 , 高程 h , 钟

8、差 t中国民航局空中交通管理局美国政府的GPS政策QSA技术（1990.3.252000.5.1）Selective Availability 选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法: 技术：降低星历精度（加入随机变化） 技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）QAS技术（1994.1.31至今）Anti-Spoofing 反电子欺骗P码加密16中国民航局空中交通管理局GPS现代化Q1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。QGPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。中国民航局空中交通管理局GPS现代化GP

9、S现代化第一阶段发射12颗改进型的BLOCK R型卫星。GPS现代化第二阶段发射6颗GPS BLOCK F （“FLite”）。GPS现代化计划的第三阶段发射GPS BLOCK 型卫星，在2003年前完成代号为GPS 的 GPS完全现代化计划设计工作。中国民航局空中交通管理局(1) 2000年5月1日零点开始将SA信号强度降为零，停止SA的播放。将使民用实时定位和导航的精度提高35倍。(2)在L2频道上增加第二民用码,即CA码。这样用户就可以有更好的多余观测,以提高定位精度,并有利于电离层的修正。(3)增加L5民用频率。这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。GPS现代化中国民航局空中交

10、通管理局Q 11 Block IIAQ 12 Block IIRQ 7 Block IIR-M Transmitting new second civil signal 1 GPS IIR-M in on-orbit testing Q 3 additional satellites in residual status Next launch: IIF scheduled 21 May 2010Q Global GPS civil service performance commitment met continuously since December 199330 Operational

11、 Satellites(Baseline Constellation: 24)20GPS现代化中国民航局空中交通管理局Block IIA/IIRBlock IIIBlock IIR-M, IIF Backward compatibility 4th civil signal (L1C) Increased accuracy Increased anti-jam power Assured availability Navigation surety Controlled integrity Increased security System survivabilityIIR-M: IIA/II

12、R capabilities plus 2nd civil signal (L2C)M-Code (L1M & L2M)IIF: IIR-M capability plus 3rd civil signal (L5) Anti-jam flex powerBasic GPS Standard Service Single frequency (L1) Coarse acquisition (C/A) code navigation Precise Service P-Code (L1Y & L2Y) P-Code navigationIncreasing System Capa

13、bilities w Increasing Defense / Civil BenefitGPS现代化中国民航局空中交通管理局Q 第二民用信号 “L2C” 为商业应用而设计 通过改正电离层延迟来达到高精度 全运行能力: 24 颗卫星 2016第三民用信号“L5”为满足生命安全需求而设计在被保护的航空电信频段内第一颗: 2010; 24颗卫星 2018 GPS现代化中国民航局空中交通管理局 GPS现代化中国民航局空中交通管理局卫星导航系统概述QGLONASS：GLObal NAvigation Satellite System前苏联建设，现属于俄罗斯；性能与GPS相当；系统包含24颗卫星；全球覆

14、盖。中国民航局空中交通管理局卫星导航系统概述QGalileo：欧盟共建，“民用”系统；设计性能优于GPS；30颗卫星（27颗运行，3颗备用）；全球覆盖；与GPS相容；2013年提供全系统运行能力。中国民航局空中交通管理局北斗（Compass）二代2012年前，建成覆盖我国及周边地区、印度洋、西太平洋地区的区域卫星导航系统12颗星、30个地面站。实现定位精度10米；测速精度0.2m/s；单向授时精度50ns；2020年前，建设全球卫星导航系统全球系统30+5颗卫星组成，功能与区域系统相同，主要区别在于系统的服务区扩大、定位精度提高以及系统抗干扰与自主生存能力提高卫星导航系统概述中国民航局空中交通

15、管理局 卫星到用户位置点的距卫星到用户位置点的距离表示：离表示：R=R + C t 其中，其中， R 是伪距是伪距。 GPS误差中国民航局空中交通管理局与信号传播有关的：电离层与信号传播有关的：电离层 对流层对流层 多路径多路径与卫星有关的：时钟漂移与卫星有关的：时钟漂移 卫星几何分布卫星几何分布 星历误差星历误差 人为误人为误差差与接收机有关的：时钟误差与接收机有关的：时钟误差 电路延迟电路延迟 计算误差计算误差 信号处理信号处理方法方法 GPS误差源中国民航局空中交通管理局电离层延迟误差分析与对策Q 电离层及其作用 电离层是指地球上空距地面高度在50公里到1000公里之间的大气层，电离层中

16、的气体分子由于受到太阳射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。 电离作用产生的自由电子作为GPS信号的传输媒介，GPS信号在其中的传输速度是频率的函数。电离层的特性呈昼夜变化，通常是在正午时具有最大延迟，而到午夜时达到最小。另外太阳活动也会影响到这些变化。 中国民航局空中交通管理局电离层延迟误差校正Q 解决对策 对单频接收器可以通过使用一个卫星电离层传输模型来减少这种电离层伪距测量值的误差，。 带有差分运算的电离层误差可以通过许多应用程序消除，当基站和移动站之间的距离足够近时，电离层误差之间就具有很高的相关性。当基站和移动站之间的距离是25千米时，无建模的差分电离层误差一般为10到

17、20厘米，而当距离增大到100千米时，误差会高达1米以上，使用电离层传输模型还可将误差减少百分之二十五到百分之五十。 中国民航局空中交通管理局对流层传输误差分析与对策Q 对流层： 对流层是高度为40千米以下的大气底层，它是由干燥气体和水蒸气组成的，其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂，信号在对流层中传输时由于折射会导致传输路径的增长，信号延迟量主要取决于传输路径上的空气的折射指数，一般在天顶方向处为2.5米，在较低的卫星仰角时可以达到10米到15米。Q 与电离层不同的是对流层的路径延迟对于代码和载波信号分量是相同的。另外我们不能用和伪距测量值来估计这种延迟，但是通过建模降低这种误差。中国民

18、航局空中交通管理局卫星导航系统概述QGNSS性能等级运行阶段精度（95%）告警限完好性风险告警时间连续性风险可用性水平垂直水平垂直航路3.7 kmN/A3.7 kmN/A10-7/小时5分10-410-8/小时0.99 0.99999终端区0.74 kmN/A1.85 kmN/A10-7/小时15秒10-410-8/小时0.99 0.99999非精密进近220 mN/A556 mN/A10-7/小时10秒10-410-8/小时0.99 0.99999APV I16 m20m556 m50 m2 10-7 每次进近10秒810-6/ 15秒0.99 0.99999APV II16 m8m40 m

19、20 m2 10-7 每次进近6秒810-6/ 15秒0.99 0.99999CAT I16 m64m40 m15-10 m2 10-7 每次进近6秒810-6/ 15秒0.99 0.99999中国民航局空中交通管理局GBAS系统QGBAS地基增强系统优势：CAT I, II & III精密进近能力；曲线进近；多跑道覆盖；飞机场面导航。中国民航局空中交通管理局GBAS系统中国民航局空中交通管理局38 Reference Stations3 Master Stations4 Ground Earth StationsGeostationary Satellite Links2 Opera

20、tional Control Centers4F3 98 W35WAAS系统（SBAS）中国民航局空中交通管理局WAAS系统（SBAS）中国民航局空中交通管理局WAAS系统（SBAS）中国民航局空中交通管理局WAAS系统（SBAS）中国民航局空中交通管理局WAAS系统（SBAS）中国民航局空中交通管理局EGNOS系统（SBAS）QEGNOS：Galileo系统的先期；提供增强的GPS和GLONASS校正；提供5 m精度，当信号错误或中断时向用户提供告警（6 s）；中国民航局空中交通管理局QEGNOS组成：主控中心， MCC导航地面站， NLES测距和完好性监测站，RIMSEGNOS系统（SBA

21、S）中国民航局空中交通管理局GRAS系统QGRASGround-based Regional Augmentation System:澳大利亚GPS增强系统；建设目标：完成飞机的非精密进近提高GPS的完好性，使之上升为主用系统。2006年，ICAO批准GRAS SARPs生效中国民航局空中交通管理局GRAS系统QGRAS系统组成框图系统组成框图中国民航局空中交通管理局卫星导航系统概述卫星导航的应用内容PBN路线图中国民航局空中交通管理局卫星导航应用 地基增强系统地基增强系统 参考站参考站 处理中心处理中心 数据电台数据电台 卫星导航系统卫星导航系统 差分校正差分校正 完好性完好性 完好性完好性

22、 地基区域完好性监视系统地基区域完好性监视系统 地基监视网地基监视网 主控中心主控中心 发布站发布站 RAIM预测预测RNP/RNAV中国民航局空中交通管理局地基区域完好性监测系统（GRIMS）Q解决GPS卫星监测自主性的问题，播发卫星完好性信息Q空管局组织数据公司、中电集团20所开发Q2006年1月建成完好性监测网络，利用ACARS数据链上传至航空器Q2008年1月建成北京-太原-西安VDB站点，解决完好性信息播发通道并进行跑车试验中国民航局空中交通管理局结构与工作原理地基区域完好性监测系统（GRIMS）中国民航局空中交通管理局Q 星基导航系统不同于陆基导航系统卫星故障影响的区域不能实时直观

23、获得性能降级的位置不固定Q 飞行员/ATC需要知道GPS不可用的具体时间和地点Q RAIM预测：对机载接收机在特定时间和地点能够否监测GPS完好性进行预测Q 空管局组织数据公司、中电集团20所开发了RAIM预测系统，将提供免费服务Q 将应用于成都拉萨通信监视项目、成都/九寨自动相关监视项目RAIM预测系统RAIM预测系统产生的背景中国民航局空中交通管理局o提供全国范围的RAIM预测o提供特定航路的RAIM预测o提供特定机场的终端区RAIM预测RAIM预测系统目前空管局开发的RAIM预测系统功能组成中国民航局空中交通管理局Q系统框图RAIM预测系统中国民航局空中交通管理局RAIM预测客户端软件中

24、国民航局空中交通管理局网站形式发布的RAIM预测结果RAIM预测网页中国民航局空中交通管理局QRAIM预测可以由ANSP（导航设备服务提供者）、航空电子制造商、其他实体或是机载接收机来提供。QFAA RAIM预测系统(),主要为中小航空公司和公众服务，大型的航空公司开发专用的RAIM预测系统。QRAIM预测系统不为服务提供保证，只是评估预期的能力是否达到所需导航性能。RAIM预测的角色和责任中国民航局空中交通管理局2009-4-2854林芝GBAS试验系统Q 空管局组织数据公司、中电20所开发Q 基于GPS的精密进近引导系统Q 满足一类精密进近需求于2009年5月-8月进行飞行测试试验搭载了多

25、模式接收机的车载试验平台使用民航甚高频导航数据链于2008年1月完成了首次跑车试验于2007年11月完成了地面系统安装中国民航局空中交通管理局系统设备组成VDBRR2RR1RR3RR4天线数据处理单元林芝GBAS试验系统中国民航局空中交通管理局RR1RR2RR3RR4林芝GBAS试验系统参考接收机布局中国民航局空中交通管理局RTK的输出结果作为飞行的真实航迹，经测试，系统精度和完好性满足设计要求，VDB覆盖情况及信号还需加强林芝GBAS试验-20246810-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.20LAAS Approaches Trajectory Pl

26、ot(Horizotal) B3666 2009-02-19AM 1st Appr 2nd Appr 3rd ApprNorth(NM)East(NM)-2024681080010001200140016001800200022002400260028003000LAAS Approaches Trajectory Plot(Vertical) B3666 2009-02-19AM 1st Appr 2nd Appr 3rd ApprAltitude(ft)East(NM)差分改正结果中国民航局空中交通管理局卫星导航系统概述卫星导航的应用内容PBN路线图中国民航局空中交通管理局 近期（2009

27、2012）航路航路Q根据空中运输需求、监视和通信能力、管制员工作负荷以及机队设备配备情况，在部分海洋和西部地区航路，有选择地应用RNAV-10和RNP-4导航规范。Q对于部分繁忙航路，根据通信和监视覆盖情况，有选择地应用RNAV-2、RNAV-5导航规范，以实现较小的航路间隔，提高空域利用率。Q依照PBN导航规范重新调整已有的RNAV/RNP 航路。中国民航局空中交通管理局近期（20092012）终端区终端区Q在有雷达覆盖的终端区，利用GNSS和陆基导航设施，应用RNAV-1导航规范。首先从国际机场和繁忙机场开始实施，允许PBN和传统运行并存。到2012年，全国30%的机场终端区实施RNAV运行，全部国际机场实施RNAV。Q在部分无雷达覆盖或无适当地面导航设施的机场终端区，有选择地使用GNSS导航实施基本RNP-1标准仪表进离场程序。中国民航局空中交通管理局近期（20092012）进近进近Q所有新建机场以及部分已有机场将使用基于GNSS的RNP APCH程序。配套实施基于Baro-VNAV的APV，作为主用程序或ILS精密进近的备份程