卫星导航技术在民用航空领域应用

卫星导航技术

在民用航空领域的应用

2006.11.102/2/20231微波着陆系统是按照传统导航方法产生的，很早被写入附件10。延续飞信号导航方法新航行系统概念的出现，改变了传统模式发展的前程。新概念新技术新应用其中最具有影响力的是：卫星导航系统和所需导航性能。飞数据2/2/20232新航行系统中的两个重要标志卫星导航技术改变了导航方法，飞信号飞数据所需导航性能概念良性发展，“所需性能的”“基于性能的”

2/2/20233一、关于卫星导航系统

的完整概念2/2/20234卫星导航系统的完整概念0.序——智能手机实现定位

1.GPS系统概况2.四星定位原理3.卫星导航系统误差源4.星基导航系统的性能指标5.差分GPS(DGPS)6.本地增强系统（LAAS）2/2/20235卫星导航系统的完整概念(续)7.广域增强系统（WAAS）8.基于航空器的增强系统（ABAS）9.基于卫星的增强系统(SBAS)10.陆基增强系统(GBAS)11.全球定位系统比较12.卫星导航应用举例2/2/20236智能手机实现定位

手机定位服务又叫做移动位置服务。通过电信移动运营商的网络(如GSM网、CDMA网)获取移动用户的位置信息(经纬度坐标)。2/2/20237手机定位条件

智能手机+支持蓝牙连接和扩展存储卡+蓝牙GPS+GPS导航软件和地图。扩展存储卡是用来安装GPS导航软件和地图数据。卫星信号是直线传播的，应该尽量让蓝牙GPS接收设备处于露天和开放的环境，以保障定位。

2/2/20238智能手机上的电子地图2/2/20239智能手机定位所需设备2/2/202310智能手机应用环境2/2/202311智能手机定位的支持系统2/2/202312智能手机上的定位显示2/2/202313显示中的门道

智能手机上显示数据是否都可用？如何定位精度高低判断？从对DOP值的认识，理解卫星导航系统工作的基本原理。

2/2/2023141.GPS系统概况

全球定位系统(Global

Positioning

System

-GPS）是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统。是美国在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的第二代卫星导航系统。在海、陆、空环境下实现全球全天候全功能实时导航与定位功能。2/2/202315GPS系统的组成GPS卫星星座（空间段）地面监控系统（控制段）GPS信号接收机（用户段）2/2/202316GPS卫星星座（空间段）GPS是建在天上的导航系统2/2/202317三个部分有各自独立的功能

和作用，缺一不可。

全球监控，维持费用高。2/2/2023182.四星定位原理

在GPS系统运行中，24颗卫星周而复始在轨运行，地球任何地方至少都可以收到三颗以上卫星信号。当接收机收到三颗或三颗以上卫星信号后，就可以计算出接收机所在位置地理坐标。如果收到四颗卫星，便能计算出海拔高程。GPS卫星使用的原子钟，提供最精确时间。2/2/202319卫星定位几何原理

2/2/202320站星距离（空间直角坐标系）

2/2/202321伪距概念（等效误差）

卫星到用户位置点的距离表示：R’=R+C∆t其中，R’是伪距。2/2/202322位置解算方程伪距=真实距离+钟差影响2/2/202323卫星导航可以达到的精度100m--TodayOnesignal,SA“on”20m--by2006Onesignal,SA“off”5m--by2015Multiplesignals,reducedatmosphericerrors2/2/2023243.卫星导航系统误差源与信号传播有关的：电离层对流层多路径与卫星有关的：时钟漂移卫星几何分布星历误差人为误差与接收机有关的：时钟误差电路延迟计算误差信号处理方法2/2/202325卫星定位精度

DOP（DilutionofPrecision）是卫星定位参数减精度因子，用来刻画所测得的经度、纬度在各方向或量纲上漂移的程度。

实际应用中，DOP参数有HDOP、VDOP、TDOP、PDOP和GDOP之分。2/2/202326PDOP的几何意义及大小一个空间四面体体积的倒数：PDOP=1/V

2/2/202327用户定位误差用户定位误差=用户等效距离误差×定位减精度因子

E=URA×PDOP

其中，URA由导航电文给定（人为误差）90年代期间，URA=32；当前URA=2，最差的为4

利用PDOP判断手机定位的精度！2/2/202328智能手机上的定位显示2/2/202329PDOP值的性质

单点定位时，PDOP值与观测到的卫星的数量与分布有关，表示了卫星定位的几何条件。PDOP值越小，定位的几何条件好。2/2/202330定位误差与卫星分布有关2/2/2023314.星基导航系统的性能指标

有别于传统系统覆盖(coverage)在地球或接近地球表面的任何一点，在指定时段内处于指定遮挡角以上有足够卫星数量，且呈现良好几何分布的比率。（24小时/5度/4+颗/PDOP≤6/≥99.9%）2/2/2023324.星基导航系统的性能指标（续）可用性（availability）

在指定时段内，有足够数量的可视卫星正发播能用于测距信号的比率。或者是，任何时间任何地点，系统正常并为用户提供导航能力的统计概率。（24小时/30天/SPS可用/≥99.99%）2/2/2023334.星基导航系统的性能指标（续）完好性（integrity）当系统不能用于导航或定位时，系统向用户及时告警的能力。发生故障时系统告警的响应时间和空间特性。（告警门限/示警耗时/检测概率）2/2/2023344.星基导航系统的性能指标（续）精度（accuracy）

在指定时间内，测量值与真实值保持一致的程度。2/2/202335精度定义精密度（precision）：表示测量值之间接近程度。精密度高低用偏差大小表示，与偶然误差有关。准确度（correctness）：表示测量结果和真实值接近程度。准确度高低用误差大小表示，与系统误差有关。精确度（accuracy简称精度）：是精密度和准确度的综合概念。偶然误差与系统误差都比较小时，称测量精度高。打靶弹着点实例

2/2/202336ICAOGNSS告警门限2/2/202337航空类导航系统的三种类别

辅助导航系统（SupplementaryNavigationSystem）

导航系统必须满足精度和完好性要求，不一定满足可用性和连续性要求。2/2/202338航空类导航系统的三种类别(续)

主用导航系统（PrimaryNavigationSystem）在指定的飞行阶段，导航系统必须满足精度和完好性要求，不一定满足可用性和连续性要求。2/2/202339航空类导航系统的三种类别(续)单一导航系统（SoleMeansNavigationSystem）

在指定的飞行阶段，导航系统必须满足连续性、可用性、完好性和精度四个性能要求。2/2/202340性能与应用要求的一致性应用完好性可用性精度洋区航路YesYesYes陆地航路YesNoYes非精密进近YesNoYes精密进近NoNoNo2/2/202341实现应用需要依赖的技术应用完好性可用性精度洋区航路GPSGPSGPS陆地航路GPS/WAASWAASGPS非精密进近GPS/WAASWAASGPS精密进近WAAS/LAASWAAS/LAASWAAS/LAAS2/2/202342GPS增强技术和系统

从技术手段，到应用系统，GPS的增强系统经历了一个正在发展着的过程。

DGPS→LAAS/WAAS→ABAS/SBAS/GBAS

（原理）（美国应用）（ICAO附件10）2/2/2023435.差分GPS(DGPS)

差分GPS定位系统是由一个基准站、用户接收机和数据链组成。在基准站的GPS接收机计算出基准站到卫星的距离改正数，并利用甚高频数据链发播。在数据链设备发射功率决定的范围内，用户站接收这个改正数，对其实时定位数据进行校正，从而获得更高精度的定位结果。2/2/202344差分GPS系统示意2/2/202345差分GPS提高精度的缘由差分GPS能够消除共通性误差基准站和用户站间距与相对卫星的距离不可比拟在基准站的误差近似于用户站的误差差分GPS提高精度限于有限范围2/2/2023466.本地增强系统（LAAS）

LAAS由地面和机载设备组成。地面设备包括基准接收机、LAAS地面设施、VHF数据广播发射机。LAAS机载设备与地面设备相配合。2/2/202347LAAS的效益飞机的定位误差小于1米，覆盖范围23NM。LAAS辅助GPS改善航空器在机场进近和着陆期间的安全。LAAS能够提供I/II/III类精密进近所要求的高精度、高可用性和完好性信号。使服务灵活性和用户运营成本极大改善。2/2/202348LAAS组成示意2/2/202349LAASVDB天线覆盖范围示意

2/2/2023507.广域增强系统（WAAS）

WAAS的组成：广域基准站（WRS）广域主控站（WMS）地面地球站（GES）GEO卫星2/2/202351通过GEO卫星广播修正电文2/2/202352位于Alaska的WAAS基准站2/2/202353WAAS在航空领域的应用

离港和终端区域导航——精密离港、噪声缓解、更有效的机场布局、改善低高度监控能力、增加IFR离场运行能力、减少运行中断。机场场面活动——改善场面事态感知、改善场面导航和监视。航路导航——更直接的航路（RNAV）、增加飞机运用自行间隔、改善机载避撞能力。进近——对所有跑道端口提供垂直引导、仪表进近、精密进近、灵活进近（曲线、偏飞等）、噪声缓解、平行进近、降低最低标准、减少运行中断。

2/2/202354WAAS的效益

垂直和水平定位精度达到7米；缩小了间隔标准；在无风险情况下提高了指定空域的容量；使用更直接的飞行航路；提供新的精密进近服务；减少并简化了机载设备；从老的或更昂贵的陆基导航设备（包括：NDBs,VORs,DMEs,I类ILS）安装和维护中节约成本投入。2/2/202355LAAS和WAAS在航空中的应用

2/2/2023568.基于航空器的增强系统（ABAS）

由于单纯的卫星信号不能满足仪表飞行规则规定的导航要求，利用GNSS机载设备，综合GNSS信息与机上其他可用信息，使卫星导航信号得到增强，满足飞行所需的性能要求。2/2/202357ABAS采用的技术

RAIM(接收机自主完好性监控)利用多余卫星信号检测和判断，排除故障卫星信号。

（排列组合，五中判一，六中除一）AAIM(飞机自主完好性监控)GPS与机载设备组合应用，弥补GPS的缺陷。

（GPS/INS，GPS/DME等）2/2/202358ABAS组成示意2/2/2023599.基于卫星的增强系统(SBAS)

利用同步卫星（GEOS）在广阔地理空间，发播修正卫星导航信号的电文。目前有5个SBAS服务提供者：美国的WAAS、欧盟的EGNOS、日本的MSAS（广域增强系统，满足日本空域内航路到精密进近导航应用）、印度的GAGAN（GSAT-4卫星覆盖印度空域，在亚太区域提供SBAS无缝隙覆盖，2008年投入使用）、澳大利亚的GRAS。2/2/202360SBAS组成示意2/2/202361MTSAT简介鉴于航空运行中，高性能是对航空卫星系统的基本要求，该系统的卫星和地面设施都是双系统，运行中出现卫星干扰，地震引发灾害时有足够的冗余。MTSAT的多功能体现在：空中交通管理，气象观测。2/2/202362MTSAT结构2/2/202363MTSAT的通信功能

飞机与地面管制中心依靠卫星连通。不受地形障碍的影响。VHF直线传播，地形遮掩影响信号传播HF信道短缺，电离层条件差时很难利用电离层反射建立通信信道。2/2/2023642/2/202365MTSAT的导航功能改善四个性能指标，为飞行建立灵活航线。发射类似GPS信号，有第25颗GPS卫星之称。2/2/2023662/2/202367MTSAT的监视功能雷达监视以外区域，监视靠话音报告。飞机通过MTSAT把卫星定位信息发送给地面ATC设施，能够对雷达覆盖范围以外的飞机实施准确监视。减轻飞行员和管制远的工作负荷，改善了飞机监视能力，提高了飞行安全。该功能能够提高交通容量，还能够在有限时间内，在空域可用条件下选择最佳飞行航路。2/2/2023682/2/20236910.陆基增强系统(GBAS)

在有限地理区域范围内，提高卫星导航系统的四个性能指标。地面站经过精密定位，将检测到的时钟和其他误差通过VHF数据链发送给机载设备。精度达到5米数量级，可用于II/III类仪表精密进近。相对地面站25海里范围内，可供机场全部跑道使用。但是，GBAS功能不能覆盖飞行全过程。2/2/202370GBAS组成示意2/2/20237111．全球定位系统比较2/2/202372增强系统在民用航空中的应用2/2/20237312.卫星导航应用举例2/2/202374卫星导航应用卫星导航应用仅受限于人们的想象力！（九十年代）公安（VIP）金融测量地震形变（水坝位移监测）车辆导航特殊人员跟踪（老人小孩）2/2/202375北斗导航定位系统

是我国第一代卫星导航定位系统

服务区域为中国及周边国家和地区任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度信息，并提供双向短报文通信和精密授时服务

2/2/202376北斗导航定位系统组成北斗导航定位卫星：2颗地球同步卫星，承担地面控制中心与用户终墙的双向无线电信号的中继。地面控制中心：无线电信号的发送接收，及整个工作系统的监控管理。用户终端：接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。2/2/202377北斗导航定位系统的应用可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。2/2/202378北斗系统工作示意2/2/202379

二、先进导航技术

对空中交通的影响2/2/202380新航行系统组成及其关系2/2/2023811．区域导航（RNAV）

RNAV是AreaNAVigation的缩写。RNAV是一种“导航方法”，允许飞机按期望的航路飞行。“用户首选航路”（userpreferredroutes）。2/2/202382RNAV直飞航路2/2/202383RNAV的优势

根据空中气压、风向、风速选择航路；建立更直接航路，缩短飞行距离；开辟平行航路，增加航路流量；迂回绕开高交通密度的终端区；应对计划和非计划航路的变更；确定最佳等待航线；等。

2/2/202384RNAV的优势MIA-BOS航线飞行距离缩短了85海里，那么飞行时间、燃油节约？2/2/202385RNAV的发展卫星导航系统直接获得飞机地理坐标数据，直接与机载FMC交连后实现RNAV。使飞机建立或选择所需飞行航线更灵活、更简便，并且不再受地面导航台站限制。星基导航意义上的RNAV发展成为RandomNAVigation的缩写。2/2/2023862．所需导航性能（RNP）

ICAO为了摆脱传统的强制性的一致性航行设备规定和要求的作法，推出新航行系统同时，提出了崭新的所需导航性能概念。2/2/202387RNPRNP是对在指定空域运行必需的导航性能精度的表示，是利用导航性能描述空域、航路和程序要求的概念。用RNP描述应用非常灵活，可以针对单独一个进近程序，或者是一个大范围的空域。2/2/202388在航路运用的RNP类型类型定位精度(95%)应用RNP1±1.0海里(±1.85km)允许使用灵活航路RNP4±4.0海里(±7.4km)实现两个台点间建立航路RNP10±10海里(±18.5km)地面缺少导航台的空域RNP20±20.0海里±37.0km)提供最低空域容量的ATS2/2/202389图示RNP2/2/202390RNP概念可以用于全部飞行阶段

2/2/202391广义理解RNP飞机能力+导航服务层次=空域的享用权表面看来，RNP是对机载导航系统精度要求的概念。实际上，RNP对一个区域、空域、航路、航空器装备、程序、运行等方面都产生着影响

。

2/2/202392对航空器的影响在737-900技术验证飞机上，主飞行显示器上引入导航性能刻度（NPS）装置，NPS适合于RNP概念运用。

NPS提供上/下，左/右航路指示，使飞行员对位置感知和导航性能判断更直接。具有简化飞行显示和通过使具有更高精度的飞机占用更窄航道提高空域容量的能力。FMC能力需要升级和更新。2/2/202393RNP在飞行仪表上的显示

2/2/202394对空域的影响-空域块2/2/202395应用RNP产生的效益

减小飞行间隔；增加空域容量；提高空域利用率。

2/2/2023963．RNPRNAV

RNPRNAV是ICAO手册中的精度标准与包容（containment）要求、区域导航、性能标准的综合概念。用RNPRNAV确定的空域，其性能采用包容地带表示。相关参数有：精度、包容地带完好性、包容地带连续性和包容区域。

2/2/202397RNPRNAV性能指标精度与RNP的相同。包容区域为2xRNP。包容地带完好性为每飞行小时99.999%。连续性为在预期运行时间内无未知中断概率99.99%。实际应用中，终端区和进近运行时，可能有更严格的要求指标。2/2/202398RNP与RNPRNAV的区别2/2/202399RNPRNAV过渡策略

近期，利用全部可用的导航手段实现RNAV应用。目前可用的导航手段包括：卫星导航系统、陆基导航系统、自主导航设备等。中期，重点向星基的RNPRNAV过渡。

2/2/2023100RNPRNAV的优势

•RNPRNAV能够使可靠的可预报的可重复的导航功能与标准化的机载设备更一致；•RNAV和RNP是改善空域和飞行的工具（超障飞行间隔空域设计）；•未来航行系统运行环境将更多地依赖于地理坐标导航，仪表程序和飞行航路将不必一定飞越地面导航设备规定的航路点；•可预报的可重复的飞行航路将对全球CNS/ATM规划和实现自由飞行概念提供保证。2/2/2023101RNPRNAV的优势示意2/2/2023102满足RNPRNAV要求的导航系统

GNSSGNSS/INSDME/DME/INS

2/2/2023103美国标准的RNPRNAV类别RNPRNAV类别典型应用标称精度95%空中包容区域RNP2RNAV航路2NM±4NMRNP1RNAV终端区1NM±2NMRNP0.3RNAV进近0.3NM±0.6NM2/2/2023104三、关注新技术和应用

作好迎接新系统准备

2/2/2023105附件10变厚了2/2/2023106未来航空运输发展对导航的要求提高定位精度，提供位置预报能力，使飞机精确飞行，并在最佳剖面飞行。导航系统定位精度的提高有助于减小间隔的最低标准。GNSS是无缝隙导航的解决方案。

2/2/2023107“所需性能”概念的发展RNP是新航行系统中新的重要概念。根据RNP成功应用，ICAO正在制定RCP、RMP、RATMP、RTSP。“基于性能”概念正在渗透。2/2/2023108新航行系统新增成分2/2/2023109卫星导航支持新的进近方式

横向导航(LNAV)进近——类似传统的非精密进近。由于没有垂直引导，进近最低标准比其他的要高。飞机采用增量下降而不是沿下滑道到达决断高度上。决断高度值比LNAV/VNAV进近的大。横向导航/垂直导航(LNAV/VNAV)进近——类似具有垂直引导的传统的非精密进近。98年提出，垂直引导飞机到达距触地点3800米处，平均决断高度为350米，具有垂直告警功能，具有20-50米的精度解算能力。因为比LNAV更安全，将被广泛应用。GNSS着陆系统(GLS)精密进近——高精度的进近。2/2/2023110新的进近方式LNAV/VNAV350’LPV250’ILS200’3o2/2/202311118种仪表进近类别ILS,LOC,LOC-DME,LDA,BCRS,SDF,VOR,机场VOR,VOR-DME,VOR-ARC,NDB,机场NDB,NDB-DME,NDB-NDB,ASR,PAR,RNAV3-D,和RNAV2-D。2/2/2023112综合进近导航概念IntegratedApproachNavigation（IAN）把18种进近逐渐减少到几种或一种。实现飞机在“隧道”里飞行，在“针状”航道上进近和着陆。2/2/2023113现在明天未来VOR-DMESDFLDANDBVORLOC-DMEBCRSVOR-ARCILSNDB-DMEPARLOCNDB-DMERNAV3-DRNAV2-D机场NDBNDB-NDBRNAV(RNP)ASRILS/GLS(xLS)SpecialsSpecialsRNAV(RNP)III类进近类别的演进(多→少)机场VOR2/2/2023114“新技术”(部分)„GlobalPositioningSystem(GPS)LandingSystems(GLS)„Ground-based/Space-basedAugmentationSystems„Datalinkcommunication„Alertingforrunwayawareness„RVSM(ReducedVerticalSeparation)„Turbulencedetectionsystems„VerticalSituationDisplays„Surfacemapdisplays„RNP(Req’dNavPerf)„Highway-in-the-skydisplays„RCP(Req’dCommPerf)„Trafficdisplays„RMP(Req’dMonitoringPerf)„Graphicalflightplanning„RNAV(AreaNavigation)„Cursorcontroldev