美軍用機載GNSS多模接收機技術要求及標準體系

泉浩芳 陸靜 周玉霞

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

美軍用機載GNSS多模接收機技術要求及標準體系

泉浩芳 陸靜 周玉霞

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

機載設備；衛星導航；多模接收機 （MMR）；著陸系統；美軍標準體系。

飛機導航是指在復雜的氣象條件下，按照一定時間把飛機安全可靠地引導到預定目的地的過程，其中一項非常重要的任務是引導飛機進場著陸。尤其是在復雜氣象條件下著陸，對機載導航設備的可靠性要求很高。根據資料顯示，某國的民航飛機在著陸過程中的失事概率是40%，軍用飛機在進場著陸階段也有45%的失事率，這些統計數字說明要保證飛機安全進場著陸的重要性[1]。

飛機導航最關鍵的用處主要在遠洋/航路和進場著陸過程。遠洋/航路過程中常用的飛機導航系統主要包括無線電導航、慣性導航、衛星導航；常規的飛機著陸系統主要包括甚高頻全向信標臺（VOR）、 測距儀 （DME）、 儀表著陸系統 （ILS）、微波著陸系統 （MLS）、衛星導航著陸系統 （GLS）等[2-4]。其實在航空領域過去的很長一段時間，軍用、民用機場普遍采用的是陸基導航和著陸系統（如VOR、DME、ILS、MLS）。隨著上世紀80年代美國GPS系統的投入使用，衛星導航的巨大優勢使得飛機導航技術的發展得以上升到新的高度，配合星基增強系統 （SBAS）、地基增強系統 （GBAS）等，以接收GPS信號和差分校正信號為代表的衛星導航著陸系統 （GLS）應運而生。進入21世紀后，四大全球衛星導航系統 （GNSS）：GPS、GLONASS、 北斗 （BeiDou）、GALILEO及相關的SBAS和GBAS都已逐步被納入國際民航組織（ICAO）標準框架[5-7]，為飛機導航提供了更多的選擇。

當前，飛機導航技術正在從陸基導航系統向星基導航系統演進，全球互操作性正變得越來越關鍵，對民航和軍事航空有著重要的影響。同時，基于性能的導航 （PBN）的概念，包括區域導航（RNAV）和所需導航性能 （RNP），早已在民航和軍事航空領域得以廣泛認可并大力發展，強調導航性能而不關注特定導航源的理念、強調可接收多種導航源和高完好性的多模接收機 （MMR）得以快速發展[8-9]。未來戰場環境復雜多變，對導航技術的要求也日益增多，為了適應未來信息化戰爭，一些高精度、反利用、抗干擾、確保高完好性的增強型組合導航系統應運而生，可以更好地發揮各系統的優勢，提高導航定位精度和完好性[10]。

1 MMR的發展

多模接收機 （MMR）有諸多利好，是一種高完好性、多功能的導航設備，并在不斷擴展其功能范圍，可以適用于各類軍用和民用飛機，但真正推動MMR功能擴展和技術發展的主要是軍事航空的需求 （military aviation needs）[11-14]。 泰雷茲公司（Thales）可能是最早研發MMR的公司，早在1992年法國的 “陣風” （Rafale）戰斗機就開始使用泰雷茲公司的MMR；1995年，波音公司（Boeing）研發了AN/ARN-155型精密著陸系統接收機 （precision landing system receiver,PLSR），并首次安裝在了美軍的C-17環球霸王飛機上，后續又為P-3C反潛直升機、A-10攻擊機、F-16戰機以及C-130運輸機等交付了大量的MMR；1997年柯林斯公司 （Collins） 為芬蘭航空公司（Finnair）訂購的波音-757飛機安裝了MMR，這可能是在民航領域安裝的首批MMR。

MMR主要源于儀表著陸系統 （ILS）的功能，并逐漸引入GPS航路導航功能。早期的基本型主要包括ILS、微波著陸系統 （MLS）與GPS著陸系統 （GLS）等功能的融合；后續又逐漸演化出許多功能更完善的MMR，包括調頻受保護的ILS、VOR、MLS、嵌入了甚高頻數據鏈路 （VDL）的GLS、P(Y)碼GPS接收機。

由上述發展歷程來看， MMR可以定義為一類多功能、多模式、高完好性的組合式導航設備，可以進行多種工作模式的切換或互補，能夠接收并處理不同信號源、不同技術體制的導航信號和數據。

美國空軍既是GPS系統的運行和管理者，同時又是推動GPS在各類軍事裝備領域廣泛應用、適應復雜戰場環境和信息化戰爭的主導者。在軍用飛機上安裝功能最強大、防欺騙、抗干擾、高完好性的MMR一直是美國空軍多年來孜孜不倦的追求，從1995年的初次使用，迄今已有20余年[15]。

美國國防部 （DOD）在軍事裝備采購方面有著嚴格的國防采辦政策，美國空軍更是要求在裝備采辦過程中應嚴格執行標準化的策略，從武器裝備的招標、采購、驗收、交付等全過程都需嚴格按標準辦事，即任何需求的提出、過程的執行和監管、驗收交付的準則等都需依照標準進行。因此，美國空軍在歷次采辦機載MMR的過程中都提出了專門的技術要求，并以標準為基本載體進行了詳細的陳述[16]。

本文將以此為基礎，分析美國空軍MMR的技術要求 （包括功能要求和性能要求），并從標準化的視角分析研究其相應的功能架構和標準體系，以期為我國機載MMR研制提供更好的借鑒和指導。

2 MMR功能與性能要求

美國空軍對MMR提出了2個層級的技術要求：門限要求 （Threshold requirements）和目標要求 （Objective requirements）。

門限要求：能夠融合儀表著陸系統 （ILS）和增強的民用GPS敏感器，能夠提供支持精密著陸、區域導航 （RNAV）和廣播式自動相關監視（ADS-B）的輸出。

目標要求：在門限要求的基礎上，增加一個或多個功能：①額外的民用導航敏感器；②軍用GPS精密定位服務 （PPS）功能；③衛星預報功能；④具備支持未來民用GNSS信號的能力擴展；⑤具備支持下一代軍用GPS信號的能力擴展；⑥具備附加的數據接口；⑦具備固定接收方向圖天線（FRPA）。

2.1 門限要求

2.1.1 儀表著陸系統 （ILS）

MMR應提供儀表著陸系統 （ILS）的能力，且應滿足美國聯邦航空管理局 （FAA）技術標準TSO-C34e《ILS下滑臺接收設備》、TSO-C35d《機載無線電信標接收設備》和TSO-C36e《機載ILS定位信標接收設備》要求。

2.1.2 基于GPS的導航

MMR應能提供基于GPS的導航能力，且應滿足下述SBAS導航的要求，或滿足所需導航性能區域導航 （RNP RNAV）的要求。

a）星基增強系統 （SBAS）導航。SBAS導航能力可通過兩種方式來實現：①機載GPS/SBAS導航敏感器；②單獨的GPS/SBAS接收設備。

如果是用作機載GPS/SBAS導航敏感器，則MMR應能提供GPS/SBAS導航與精密著陸能力，且GPS/SBAS功能已在之前經過了政府部門的鑒定和記錄，證實了其性能滿足技術標準TSO-C204《使用SBAS進行導航或非導航位置/速度/時間輸出的電路卡組件功能敏感器》或TSO-C145b《通過SBAS增強使用GPS的機載導航敏感器》的要求。

如果是用作單獨的GPS/SBAS設備，則MMR應能提供GPS/SBAS導航與精密著陸能力，且GPS/SBAS功能已在之前經過了政府部門的鑒定和記錄，證實其性能滿足技術標準TSO-C146b《通過SBAS增強使用GPS的單獨機載導航設備》的要求。

如果包括了非區域導航 （Non-RNAV）的GPS精密著陸功能，則MMR應能提供GPS/SBAS精密著陸能力，且GPS/SBAS功能已在之前經過了政府部門的鑒定和記錄，證實了其性能滿足技術標準TSO-C205《使用SBAS進行導航的電路卡組件功能等級增量設備》中等級增量4的要求，或滿足TSO-C146b的要求，并至少具備下述導航能力之一：RNP RNAV、VOR、DME或GPS精密定位服務 （PPS）。

b）所需導航性能區域導航 （RNP RNAV）。在不使用SBAS信號的情況下，MMR應至少能提供下述其中一種RNP RNAV的能力：①僅用作GPS導航敏感器，滿足技術標準TSO-C204或TSO-C145b的要求；②用作基于GPS的單獨導航系統，滿足技術標準TSO-C146b的要求；③僅用作GPS導航敏感器，滿足技術標準TSO-C206《使用ABAS進行導航或非導航位置/速度/時間輸出的電路卡組件功能敏感器》或TSO-C196a《通過SBAS增強使用GPS設備的機載補充導航敏感器》的要求。

2.1.3 廣播式自動相關監視 （ADS-B）位置源

MMR應提供位置源的能力，并能通過接口接入到外部的ADS-B設備，以支持ADS-B輸出。ADS-B的位置源應滿足FAA發布的咨詢公告AC 20-165A 《廣播式自動相關監視 （ADS-B）輸出系統的適航批準》附錄2中規定的GNSS位置源的最低要求。機載導航敏感器通過了FAA TSO標準的認證還不足以滿足該要求，AC 20-165A附錄2第4章中描述了一種可接受的方式，以證實其滿足ADS-B位置源的要求。

2.1.4 接口要求

a）電源。MMR應能接入到飛機上標稱的115V、400 Hz交流配電系統，或28V直流配電系統。

b）數據。MMR應能接入到外部的機載電子設備，并滿足下述要求：①航空無線電國際公司規范ARINC 429《標記33的數字信息交換系統（DITS）》；②進近偏差數據滿足ARINC性能規范710-10《標記2的機載ILS接收機》；③GNSS數據滿足ARINC性能規范743A-5《GNSS敏感器》或743B《GNSS著陸系統敏感器單元》。

c）可編程重構。MMR應具備場可重編程（field reprogrammable）的能力，以支持軟件的升級。

2.2 目標要求

滿足了所有門限要求的MMR，還必須包含下述一個或多個目標要求的能力。

2.2.1 微波著陸系統 （MLS）

MMR應提供微波著陸系統 （MLS）的能力，并滿足技術標準TSO-C104《MLS機載接收設備》的要求。

MMR的MLS功能應提供計算后的中線進近能力，并滿足RTCA DO-226《以MLS為主要機載精密區域導航設備的指導材料》的要求。

MMR的MLS功能應支持分割站狀態 （splitsite configuration）II類最低值和配置狀態（collocated configuration） I類最低值。

2.2.2 地基增強系統 （GBAS）、甚高頻全向信標臺（VOR）、 測距儀 （DME）

MMR應提供GBAS、VOR和DME的能力，并滿足技術標準TSO-C161a《GBAS定位與導航設備》和TSO-162a《GBAS甚高頻數據廣播設備》的要求、TSO-C40c有關VOR接收設備的要求、TSO-C66c有關測距設備 （DME）的要求。

2.2.3 精密定位服務 （PPS）——P（Y）碼GPS

提供GPS精密定位服務 （GPS/PPS）的能力，并滿足MSO-C145a《在所需導航性能 （RNP）空域內使用GPS精密定位服務 （PPS）用于區域導航（RNAV）的機載導航敏感器》的要求，以支持所需導航性能區域的導航 （RNP RNAV）。

能同時跟蹤至少12顆衛星的L1 P（Y）碼和

L2 P（Y）碼測距信號。

能執行故障檢測與排除功能，并滿足航空無線電技術委員會標準RTCA DO-229D《GPS/WAAS機載設備最低運行性能標準》或RTCA DO-316《GPS/ABAS機載設備最低運行性能標準》的要求。

使用選擇可用性/抗欺騙模塊的PPS設備，并滿足SS-GPS-001B《GPS選擇可用性/抗欺騙模塊系統規范》的要求。

應經過GPU-09-001《GPS選擇可用性/抗欺騙模塊安全批準過程》和GPU-09-071《授權采辦或轉移GPS PPS主應用設備 （HAE）的過程要求》的批準。

應提供快速IIA計時輸出，并滿足CI-MGUE/AV-861C《軍用GPS用戶設備航空形狀因子》要求。

2.2.4 下一代軍用精密定位服務——M碼GPS

能夠同時跟蹤至少12顆M碼衛星的測距信號。提供使用GPS L1 M碼和L2 M碼測距信號的跟蹤、處理能力，并滿足ICD-GPS-700C《GPS軍用空間段/用戶段接口》的要求。

提供GPS PPS能力，并滿足MSO-C145a《在所需導航性能 （RNP）空域內使用GPS精密定位服務 （PPS）用于區域導航 （RNAV）的機載導航敏感器》的要求，以支持所需導航性能區域導航（RNP RNAV）。

能執行故障檢測與排除功能，并滿足RTCA DO-229D《GPS/WAAS機載設備最低運行性能標準》或RTCA DO-316《GPS/ABAS機載設備最低運行性能標準》的要求。

提供快速IIA計時輸出，并滿足CI-MGUE/AV-861C要求。

2.2.5 GPS精密定位服務——ADS-B位置源

ADS-B的MMR應提供GPS精密定位服務（GPS/PPS）的ADS-B位置源 （獨立于門限ADS-B位置源的能力要求），能夠通過接口接入到外部的ADS-B設備，以支持ADS-B輸出。

GPS/PPS ADS-B位置源應滿足AC 20-165A《廣播式自動相關監視 （ADS-B）輸出系統的適航批準》附錄2中所要求的輸出，并滿足其中規定的GNSS位置源最低要求的同等性能。

2.2.6 接收機自主完好性監測 （RAIM）

MMR應提供內部可預測的接收機自主完好性監測 （RAIM）能力，并滿足AC 20-138C《位置與導航系統的適航批準》中5.2.3的要求。

2.2.7 未來的民用GNSS

MMR應提供可擴展的能力，以支持未來民航GNSS測距信號的跟蹤和處理，包括IS-GPS-705B《GPS空間段/用戶段L5接口》的GPS L5測距信號。

2.2.8 MIL-STD-1553B接口

MMR應通過下述標準接口接入到外部的航空綜合電子設備：①美軍標MIL-STD-1553B《數字時分指令/響應多路復用數據總線》；②IS-GPS-169《基于選擇可用性/抗欺騙模塊的國防部標準GPS用戶設備射頻接收機采用MIL-STD-1553數據總線的GPS用戶設備接口規范》。

2.2.9 敵友識別 （IFF）——ARINC 429接口

MMR應提供基于ARINC性能規范743A-5《GNSS敏感器》或743B《GNSS著陸系統敏感器單元》的ARINC 429接口，從而能夠連接到外部的敵友識別 （IFF）設備，以支持模式5等級2的功能。

MMR與敵友識別設備的ARINC 429接口應能識別GPS何時工作在PPS模式，將352標簽以1Hz的頻率輸出。352標簽的第13位 （Bit 13）指示保護狀態 （0=“未保護”，1=“受保護的”），第14位 （Bit 14） 指示定位模式 （0=“PPS”，1=“SPS”）。

2.2.10 敵友識別 （IFF）——MIL-STD-1553B接口

MMR應按照IS-GPS-169提供MIL-STD-1553B接口，以便能接入到外部敵友識別 （IFF）設備，以支持模式5等級2的功能。

MMR與敵友識別設備的MIL-STD-1553B接口應能識別GPS何時工作在PPS模式 （通過ISGPS-169中的信息格式輸出指示信息）。IS-GPS-169信息格式中 “GPS 01_******_01”字的第08位 指 示 “PPS-LO/PPS Select” ， “GPS 16_******_02”字的第13位指示 “受保護的Sol狀態”， “GPS 01_******_06” 字的第09位指示“驗證的導航 （Nav Verified）”。

2.2.11 設備環境性能

MMR應滿足RTCA-DO-160G《機載設備環境條件和試驗程序》第9.0段中等級A或等級E的要求，或者MIL-STD-810G《環境工程考慮及實驗室試驗》第511.5中對爆炸性大氣環境的規定。

2.2.12 附屬設備

GPS固定接收方向圖天線 （FRPA）應滿足下述條件之一：①滿足TSO-C144a《被動式機載GNSS天線》的要求；②滿足TSO-C190《主動式機載GNSS天線》的要求；③滿足MSO-C144《機載GPS天線系統》的要求。

3 MMR標準體系

3.1 功能架構

基于前述的美國空軍用機載MMR的技術要求，研究繪制了MMR的功能架構圖 （如圖1所示），作為構建相應的標準體系的基礎。

3.2 標準體系

本文第2章中所描述的技術要求是美國空軍采購機載MMR時對研制方提出的要求，也是作為最終產品驗收、交付的依據。在每一項技術要求條款中基本都是直接引用了美軍標或航空行業的相關標準 （如FAA、RTCA、ARINC等），對技術要求的符合性提出了嚴格的標準認證和批準要求。

美國空軍采購機載MMR的技術要求，清晰反映了標準在軍事裝備研制和采辦過程中的重要性。為便于從標準化視角更好地理解這些技術要求條款中所引用標準的類別、屬性以及相互之間的關系，在結合功能框圖和引用標準名稱的基礎上，按照外部接口、功能模塊、安全認證、環境適應性、附屬設備等緯度構建了軍用機載MMR的標準體系框圖（如圖2所示）。

4 標準清單

為更好地識別和查找這些標準的來源，表1列出了每項標準的出處、標準名稱、版本年代號等。從表1中可以看出，美國空軍采購機載MMR所引用的標準主要來自 DOD、FAA、RTCA、AEEC/ARINC等機構或協會的標準，并沒有引用國際民航組織 （ICAO） 和歐洲民航設備組織（EUROCAE）等相關的標準。

表1也充分反映出美軍積極采用民標的特點，即軍方 （如國防部）只制定最為關鍵或僅用于軍事用途的相關標準，而所需的其它標準則是多從民航領域選用 （如FAA、RTCA等）。

MMR是適應飛機多源導航、進近與著陸需求的有效解決方案，特別是戰場復雜態勢環境下的航路導航、進近與著陸。美國空軍在采購機載MMR時提出了嚴格的技術要求，包括最低的門限要求和更高的目標要求，在這些技術要求中明確引用了DOD、FAA、RTCA等機構或組織的相關標準，將標準作為了陳述技術要求、規定驗收準則的基準，將標準的作用與價值發揮到了實處。

以MMR功能架構為基礎，結合相關的技術要求內容，構建了圍繞MMR功能模塊、外部接口、安全認證、環境適應性、附屬設備等三級標準體系框圖，從標準化視角分析了MMR相關標準之間的關系，并梳理了相應的標準清單 （選自民航領域的標準占據了絕大部分），為標準的查詢、參考和使用提供了指導和借鑒。

盡管本文的研究是以美國軍用機載MMR為核心，但正如前文所述，正是軍事航空應用的需求催生了MMR的發展和技術演進，也帶動了MMR在民航領域的應用和發展，相關的技術要求和標準也完全適用于民航用機載MMR。

［1］高海光.飛機著陸導航定位技術研究 ［D］.長春:長春理工大學,2014.

［2］ Avionics for NextGEN by Matt Thurber.Aviation International News.2015-01.

［3］于珊珊.GLS導航數據編碼理論研究 ［D］.廣漢:中國民用航空飛行學院,2016.

［4］吳瑛.微波著陸系統在飛機上的應用研究與工程實現 ［J］.現代導航，2016 （3）.

［5］王黨衛.基于性能導航 （PBN）技術研究［J］ .現代導航,2013 （1） .

［6］ Government Notice No.18 of 2014.Regulations made by the Minister under section 11 of the Civil Aviation Act.

［7］ Boing Commercial Airplanes.Global Navigation Satellite System Landing System technology/

product development.

表1 美軍用機載MMR標準清單

［8］ Australian Civil Aviation Safety Authority.Glo bal navigation requires global standards.

［9］ 國際民航組織 （ICAO）.Doc 9613 AN/937.基于性能導航 （PBN）手冊 [S].2008.

［10］朱曉輝,張鵬,顧曉東.基于性能的導航（PBN）技術及其在軍航空管系統中的應用策略研究 [J].現代導航,2014（5）.

［11］ Charlotte Adams.Multimode Receivers： Mo re Demand，More Capability.

［12］ GPS Receiver Specifications： Compliance and Certification.

［13］ Nicholas Granata-Cappabianca.General Pur pose GPS Navigation Module.

［14］ Esterline CMC Electronics.SBAS CMA-4124 GNSSA Aviation Precision Approach SBAS/GPS Receiver Module.

［15］ Kyle D.Wesson.A Proposed Navigation Me ssage Authentication Implementation for Civil GPS Anti-Spoofing［C/OL］ .2011 ION GNSS Conference Portland,September 21-23,2011.

［16］ AFLCMC/HBAG.Technical Requirements Doc ument for Multi-Mode Receiver Equipment（Revision B）.

附：縮略語表

文 摘：多模接收機 （MMR）是頂級飛行航線的一部分，致力于為通信、導航、監視（CNS）提供全方位的解決方案，新的星基系統 （如GNSS）給今天的飛機提供了前所未有的高精度導航與著陸能力。分析美國空軍采購機載多模接收機的技術要求，研究并構建機載多模接收機的功能架構和標準體系，明確相應的標準來源和清單，可為我國軍用、民用機載多模接收機的研制和相關標準的制定提供最為直接的借鑒與參考。

※ 本文源于國防基礎科研項目 （621.4.35） 《美國航天軍事裝備采辦的標準化策略及實施情況綜合分析與研究》。

泉浩芳 （1986年—）男，碩士研究生，工程師，主要從事飛行器總體、衛星導航、空間環境等領域的標準化工作。