衛(wèi)星接收機在民航中的應用及發(fā)展趨勢研究

蘇幸君

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089）

目前，空客A380、波音B787 及我國自主研發(fā)的C919 和ARJ 等飛機均安裝了柯林斯公司生產(chǎn)的GPS 接收機。然而，2019 年7 月，中國民航局對柯林斯GPS 接收機失效事件進行了通報，有兩型GPS 接收機存在設計缺陷，在GPS 系統(tǒng)進行常規(guī)時間校準后無法鎖定GPS 衛(wèi)星，從而導致飛機上與GPS 系統(tǒng)存在交聯(lián)關系的多個相關系統(tǒng)故障，引發(fā)飛行隱患。基于此，本文將研究GPS 系統(tǒng)在民機中的應用，結合我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和民機發(fā)展現(xiàn)狀，提出衛(wèi)星接收機的發(fā)展趨勢。

1 衛(wèi)星接收機的功能

衛(wèi)星接收機作為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的機載用戶設備，其功能主要是：（1）接收衛(wèi)星發(fā)送的導航信號，恢復衛(wèi)星載波信號及衛(wèi)星鐘，解調(diào)出衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星鐘校正數(shù)據(jù)；（2）利用本地時鐘和衛(wèi)星鐘差測量接收天線到衛(wèi)星偽距；（3）利用恢復的載波頻率計算偽距變化率；（4）利用偽距、偽距變化率衛(wèi)星鐘相關數(shù)據(jù)計算飛機的經(jīng)度、緯度、高度、速度等導航信息及時間信息。

此外，機載衛(wèi)星接收機一般還具備自主衛(wèi)星完整性監(jiān)控能力。雖然不同類型的衛(wèi)星接收機接收的衛(wèi)星信號和觀測量不同，提供的導航信息存在差異，但其主要功能均為接收衛(wèi)星信號并進行解算，以提供時間信息和導航信息。

2 GPS 系統(tǒng)在民機中的應用

一般民機上安裝兩套獨立的GPS 系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包含一臺GPS 接收機和一個相應的接收天線。GPS 系統(tǒng)作為機上重要的導航源，與飛機定位導航系統(tǒng)，自動監(jiān)視系統(tǒng)及飛行管理系統(tǒng)等多個重要系統(tǒng)均存在交聯(lián)關系，下面將具體分析GPS 系統(tǒng)在民機中的應用。

2.1 飛機時鐘

飛機時鐘為飛行員提供當前的當?shù)貢r間及日期，協(xié)調(diào)世界時間（UTC），飛行時間，并提供計時功能。GPS 衛(wèi)星接收機為系統(tǒng)時鐘提供時間和日期信息，并發(fā)送給航電系統(tǒng)供機上其他系統(tǒng)使用。

2.2 慣性導航系統(tǒng)

慣性導航系統(tǒng)不需要借助外部信號，僅利用自身傳感器數(shù)據(jù)就可以完成導航數(shù)據(jù)解算，具有完全的自主性，在民機中有廣泛的應用。但是慣導系統(tǒng)解算原理是積分體制，造成了短時精度高而長時間導航誤差累積的問題。衛(wèi)星導航具有長時間導航精度高的優(yōu)點，因此飛機上經(jīng)常利用GPS 衛(wèi)星導航結果對慣導數(shù)據(jù)進行修正，慣性/衛(wèi)星組合導航可為飛機提供更精確的導航信息。

2.3 廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）

自動相關監(jiān)視（ADS）是指被監(jiān)視目標測定自身位置并主動發(fā)報給監(jiān)視者，使監(jiān)控者掌握被監(jiān)視目標當前位置及運行意圖。自動監(jiān)視系統(tǒng)根據(jù)工作模式可分為尋址式（ADS-A），廣播式（ADS-B）及合約式（ADS-C）[1]。

廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）利用視距廣播數(shù)據(jù)鏈將載機精確位置周期性的報告給地面航管中心及飛機之間，使得飛機之間能夠掌握對方的位置，保持飛行間隔及時實施避讓。ADS-B 采用全向廣播方式可進行空對空、空對地及地對地的自我監(jiān)視。ADS-B 的機載部分主要由GPS 衛(wèi)星接收機，ADS-B 位置報告的收發(fā)機及駕駛艙交通信息顯示器組成。GPS 是ADS-B獲取自身位置數(shù)據(jù)的信息源。

2.4 地形防撞告警系統(tǒng)

地形防撞告警系統(tǒng)主要用于防止飛機可控撞地，系統(tǒng)內(nèi)部有全球機場位置數(shù)據(jù)庫和全球地形數(shù)據(jù)庫[2]。地形防撞告警系統(tǒng)利用GPS 或IRS 發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)送的氣壓高度，無線電高度表提供的無線電高度，下滑道偏離及飛機配置狀態(tài)等信息預測飛機的三維飛行軌跡，并與內(nèi)部地形數(shù)據(jù)庫中航線前方地形資料進行對比，計算出接近速度或高度數(shù)據(jù)與告警門限進行比較，利用燈光及語音告警提醒飛行員及時規(guī)避潛在危險。

2.5 進近著陸系統(tǒng)

地基增強著陸系統(tǒng)（GLS）基于地基增強系統(tǒng)（GBAS）可為飛機提供精密進近和著陸服務，是目前飛機上廣泛使用的一種新型著陸技術[3]。GLS 利用地面設備對衛(wèi)星信號進行差分處理，產(chǎn)生差分校正，完好性校驗及進近路基基準信息，這些信息經(jīng)過編碼后通過甚高頻廣播至進近飛機的機載端。GPS 接收機利用衛(wèi)星信號和地面系統(tǒng)發(fā)送的校正信息，解算出高精度的定位信息、進近航路信息及系統(tǒng)完好性信息，用于引導飛行完成進近著陸。

由于GLS 具有對機場環(huán)境要求寬松、地面設備安裝靈活、一套地面可為多條跑道提供服務并且可提供曲線及折線進近等多種進近程序的優(yōu)勢，在民機中的應用趨于廣泛，GLS 提供的進近著陸能力與衛(wèi)星導航的狀態(tài)密切相關。

2.6 飛行管理系統(tǒng)（FMS）

飛行管理系統(tǒng)（FMS）是現(xiàn)代民機和大型運輸機中重要的電子設備，F(xiàn)MS 可綜合導航系統(tǒng)及性能管理系統(tǒng)，對通信、導航、監(jiān)視、顯示、發(fā)動機系統(tǒng)及飛行控制系統(tǒng)進行管理。飛行管理系統(tǒng)利用各種傳感器和數(shù)據(jù)源獲取輸入信息，通過飛管計算機的處理實現(xiàn)導航及性能計算功能，以最佳性能為機組提供飛行管理能力，可以減少飛行員的工作負擔提高工作效率實現(xiàn)自動飛行。其主要功能有：

導航管理功能：FMS 使用GPS、VOR/DME、DMEDME、慣導系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波處理獲得最佳位置估計，并評估導航精度實現(xiàn)綜合導航功能，完成飛機橫向剖面管理，按照預定航線將飛機準時引導至目的地[4]；性能管理功能：利用飛行員輸入的特定參數(shù)或飛行成本計算飛機的巡航高度、速度、爬升及下降率縱向剖面參數(shù)，控制飛機按預定的縱向剖面飛行實現(xiàn)性能管理；制導功能：利用飛機當前位置信息，計算當前位置與預定航跡的偏差，產(chǎn)生操縱指令控制飛機沿所選剖面飛行，幫助飛行員實施飛行計劃，按照最優(yōu)計劃航線控制飛機的航跡；顯示功能：顯示導航信息及飛行計劃等信息，便于飛行員監(jiān)控飛機的飛行狀態(tài)。

3 衛(wèi)星接收機的發(fā)展趨勢

3.1 具備GPS/北斗雙模接收功能

2019 年12 月16 日，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了兩顆北斗三號衛(wèi)星，所有中圓地球軌道衛(wèi)星全部發(fā)射完畢，核心星座搭建完成，北斗已具備全球服務能力[5]。北斗導航系統(tǒng)的建成提高了我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的自主性，克服了以往衛(wèi)星導航受制于人的問題。因此，也對民機的衛(wèi)星接收機提出了新的要求。應當具備GPS/北斗雙模接收功能，既能夠接收GPS 衛(wèi)星信號，也可利用北斗信號為飛機提供高精度的衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)，并將導航信息用于其他交聯(lián)系統(tǒng)，為飛機提供更加穩(wěn)定可靠的導航數(shù)據(jù)。

3.2 國產(chǎn)化需求

科林斯的接收機事件，反映出使用非國產(chǎn)機載設備存在技術壁壘，接收機內(nèi)部出現(xiàn)問題難以排查。衛(wèi)星接收機負責接收衛(wèi)星信號并解算衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)，供機上其他系統(tǒng)使用，一旦發(fā)生故障將導致飛機報告的位置錯誤，使飛行員失去情景意識，造成飛機突破指令高度或飛行沖突，也可能造成延遲真實告警而是機組應急處置措施延誤，從而引發(fā)一些飛行隱患。因此民機及機載設備的國產(chǎn)化是目前我國民機的主要發(fā)展趨勢，衛(wèi)星接收機作為飛機上重要的導航源，為了保證衛(wèi)星導航的安全性和自主性，接收機適航取證是必然需求。

基于我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，民機衛(wèi)星接收機的發(fā)展趨勢是具備GPS/北斗雙模接收功能，為飛機提供高精度穩(wěn)定可靠的導航數(shù)據(jù)，保證相關系統(tǒng)穩(wěn)定工作?？屏炙沟慕邮諜C事件表明衛(wèi)星接收機國產(chǎn)化勢在必行，未來應加快我國接收機自主研發(fā)及適航取證進程，盡快實現(xiàn)衛(wèi)星導航的全面自主性。