淺析GPS信號干擾對飛機運行的影響

葉文濤 米冀生 王荊穗 裴瓊閣

摘要：現代飛機GPS系統的作用越來越重要，同時GPS信號干擾的相關報告也越來越多，GPS信號干擾嚴重影響飛機運行和航空安全。本文通過實例剖析了GPS信號干擾產生的原因、對其他功能的影響及相關的駕駛艙效應，并提出建議處置措施，以幫助相關人員及時識別和排除干擾信息，提高排故效率、縮短排故時間，保障飛行安全。

關鍵詞：GPS信號干擾；駕駛艙效應；工程措施

Keywords：GPS signal interference；cockpit effect；engineering action

0 引言

GNSS（全球衛星導航系統）1978年發射第一顆GPS（全球定位系統）衛星，1995年提供全球定位服務，自2000年開始授權民用系統使用其定位服務后，應用范圍和用戶數量快速增長。隨著GNSS技術的推廣以及科學技術的不斷發展，越來越多的交通工具和移動設備開始依賴GNSS定位來輔助實現其自身功能，如飛機、船舶、汽車、無人機和戶外定位裝置等，其中以飛機最為普遍。伴隨著GNSS技術的普及，飛機運行受GNSS信號干擾的相關報告案例也逐年增多，且信號干擾出現的區域往往較集中，僅2020年一年國內某航空公司就收到相關報告141起，其中涉及地形假警告問題18起。

1 實例剖析

2020年9月8日，某航一架A350飛機執行恩德培至成都航班，在烏干達卡培拉機場短停，出現“GNSS1+2”信息，執行MMR（多模式接收機）測試正常，懷疑機位衛星信號弱或信號受干擾，綜合判斷認為非系統故障原因，飛機放行，起飛后機組空中反映GNSS位置數據正常，飛機后續正常落地成都。

1.1 原理簡介

A350飛機裝有兩套彼此獨立的GNSS系統，通過GNSS天線接收衛星導航數據，并將導航數據通過同軸電纜發送給MMR進行接收和處理，處理后的數據發送給ADIRS（大氣數據慣性基準系統）進行合成，最終通過AFDX（航空電子全雙工以太網）網絡發送到CDS（控制和顯示系統）和其他飛機系統供用戶使用（見圖1）。當系統故障或GNSS信號不佳時，可能產生類似于本次事件中的GNSS故障信息。

1.2 故障原因

A350的GNSS系統組成并不復雜，排故措施指向性也比較明確，在MMR和IR（慣性導航）測試均通過后，故障原因大致指向當地的GNSS信號受干擾或失效，且故障現象為雙套GNSS系統同時失效又同步短時恢復正常，更加驗證了GNSS信號問題是導致故障的最可能原因。下載CMS（中央維護系統）DUMP和SAR99報文數據發給空客分析，空客確認故障確為GNSS信號干擾導致。

2 航空公司的普遍困擾

GNSS信號功率較低，相當于一個60W的燈泡在位于地球表面20000km遠的位置發射出的能量，因此任何附近的頻帶范圍為（1575.42±10）MHz左右的地表信號源都極易對GNSS信號產生干擾，導致GNSS數據丟失或降級。近年來該問題已經成為航空公司的普遍困擾，越來越被各地民航局方所關注。

已知的信號干擾源包括為防止位置追蹤的個人隱私設備、特定防護地點、GPS信號放大器、軍事干擾設備等（見圖2）。

3 對飛機功能的影響

飛機的位置性能（精確性、完整性、可用性和連續性）很大程度上取決于其外部的GNSS信號，但GNSS信號干擾可能導致GNSS位置和時間信息的丟失或降級，因此，雖然GNSS在飛機定位系統中作用重大，但是空客飛機在設計時還是充分考慮了針對GNSS信號受干擾的魯棒性，以增強和彌補飛機的位置性能。本文以空客飛機為例進行分析，波音飛機系統原理與空客飛機基本相同，僅駕駛艙效應略有區別。由于空客飛機的GNSS系統只使用美國GPS系統作為信號源，下文對于空客飛機的介紹中用GPS代替GNSS。

空客飛機一般裝有2部MMR、3部ADIRU（大氣數據慣性基準組件）、 2套（A320/A330/A340/A380）或3套（A350）FMS（飛行管理系統）來計算飛機的位置，FMS使用飛機位置信息進行導航。當GPS信號丟失時，MCDU（多功能控制顯示組件，A320和A330飛機）或者MFD（多功能顯示，A350和A380飛機）的GPS數據顯示為短橫線（即無數據），此時FMS可按照優先順序將位置計算方式由GPS/IRS模式轉為IRS-DME/ DME模式或IRS-VOR/DME模式或純IRS模式，從而確保飛機不會發生位置偏離或FMS計算出錯誤位置的情況。

當GPS信號丟失時，對GPS數據性能有要求的部分導航和監視功能或運行能力可能失效，從而觸發相應的駕駛艙效應，觸發順序取決于不同系統的響應時間和GPS信號的受干擾時間。在報告的大部分事件中，GPS信號丟失和相應駕駛艙效應的出現都是暫時的，在飛機離開干擾區域后，相應功能或運行能力會很快恢復。受GPS信號丟失影響的功能分為以下兩大類。

3.1 對導航功能的影響

當GPS信號丟失時，飛機的PBN（基于性能的導航）運行受影響較大。PBN運行包括RNP運行和RNAV運行，對定位的精確性和完整性都有相應要求。以RNP2運行為例，要求在海洋/偏遠陸地航路或中低交通密度的陸地航路運行時，在95%的飛行時間內導航誤差不能超過2海里，因此GPS信號丟失時無法完成RNP2運行。類似受影響的PBN運行還包括RNP4、RNP1、RNP APPCH以及RNP AR運行等。GPS信號丟失并影響到PBN運行時的駕駛艙效應如表1所示。

表1中，“GPS PRIMARY LOST”信息表示GPS系統故障時GPS已無法作為飛機首選位置源。在新型飛機A350上還會根據GNSS故障情況顯示RNP AR受影響情況：當“NAVGNSS 1（2）FAULT”時，ECAM上顯示“NAV RNP AR CAPABILITY DOWNGRADED”；當“NAV GNSS 1+2 FAULT”時，ECAM上則顯示“NAV RNP AR CAPABILITY LOST”，同時在ECAM不工作系統區顯示“RNP AR”。

此外，由于GLS功能（GBAS著陸系統）和SLS功能（SBAS著陸系統，僅A350飛機）都是基于對GPS位置的差分修正而實現的，GLS和SLS功能會因GPS信號丟失而失效。GLS功能失效時駕駛艙效應如表2所示。

SLS功能失效時，駕駛艙效應類似，而FLS功能（FMS著陸系統）在GPS失效時可以選用其他數據源（如NDB或VOR）作為位置源，因此該功能會發生降級，即在FMA（飛行模式指示器）由“F-APP”模式降級為“F-APP+RAW”模式，同時給出ECAM指示“FLS LIMITED TO F-APP+RAW”，其中RAW模式取決于所選位置源。

最后，依靠GPS位置實現的OANS功能（機載機場導航系統，A330和A380飛機）或ANF（機場導航功能，僅A350飛機）功能也會因GPS信號丟失而發生失效，在ND上給出指示“ARPT NAV POS LOST”信息。

3.2 對于監視功能的影響

GPS信號失效對GPWS（近地警告系統）的影響主要集中在影響增強的TERR（地形）功能，包括TAD（地形意識和顯示）和TCF（越障基底）功能。TERR功能以世界范圍內的數據庫為基礎，通過比較當前飛機位置（GPS位置）和數據庫內的地形信息，給飛行員以提醒和警戒信息。TERR功能失效時駕駛艙效應如表3所示。

需要說明的是，GPS位置是GPWS的首選位置源，當GPS位置失效時，GPWS可以短時間使用ADIRU位置作為其位置源，但時間不能超過15min，15min后若仍不能獲得有效的GPS信號，TERR功能將失效。而且，GPWS對于GPS位置的判斷主要基于GPS是否在短時間內發生跳變，若GPS位置未發生跳變，那么GPWS對于GPS有效性的判斷則基于GPS自身的有效性參數（HFOM和VFOM），當GPS的有效性參數未報異常時，GPWS只能認為GPS位置是有效的而繼續使用GPS數據。此時即有可能發生如下情況：GPS位置受干擾導致位置信息錯誤但GPS有效性參數未報告異常，從而觸發假地形警告信息（國內波音787飛機和737NG飛機均觸發過假警告）。

此外，由于應答機ADS-B功能的位置源為GPS位置，GPS信號丟失將直接導致ADS-B OUT功能失效。ADS-B OUT功能失效時駕駛艙效應如表4所示。

ADS-B OUT失效時，ADS-B IN功能也會失效，原因是飛機無法比較自身位置與所接收的其他飛機位置的關系，導致ECAM給出指示“NAV ADS-B FAULT”（A320和A330飛機）或“SURV ADS-B TRAFFIC x FAULT”（僅A350飛機），同時ECAM不工作系統區將顯示“ADS-B”（A320和A330飛機）或“ADS-B TRAFFIC x”（僅A350飛機）。

最后，ROPS（跑道超限預防系統）功能通過GPS位置計算飛機相對于跑道位置以及跑道剩余距離，若跑道剩余距離不足而存在沖出跑道風險時則產生相應警告，因此，當GPS信號失效時ROPS功能自動抑制，同時產生ECAM指示“SURV ROW/ROP LOST”，且ECAM不工作系統區顯示“ROW/ROP”和“BTV”（A350和A380飛機）。

4 處置措施

4.1 建議措施

GPS信號干擾或丟失時將對飛機諸多系統造成影響，建議采取如下應對措施。

1）對機組人員的建議

起飛前，機組應及時關注航行通告，若發現所飛航路存在受干擾地區，需要提前確認其他導航設備（DME/VOR/ ILS）的工作狀況。飛行中若出現上述駕駛艙效應，機組應按照FCOM手冊進行操作。考慮到GPS信號干擾一般影響時間較短，暫無必要立即轉換位置源。但若所飛區域有“ADS-B OUT”要求，則需要及時通知空管ADS-B OUT功能失效的原因為GPS信號丟失。落地后，機組需要及時告知機務人員，并記錄事件情況和駕駛艙效應，以便機務人員及時排除故障。

2）對機務人員的建議

飛機落地后，機務人員需要及時確認GNSS系統故障的原因是否為GPS信號受干擾或丟失而非系統或設備原因。

若確認飛行航路中有GPS信號受干擾區域，首先應重置系統并進行MMR測試，若機組報告飛機其他系統有故障現象，需同時進行相應的系統測試，測試不通過時需根據相應的排故措施完成排故。若GPS干擾始終存在，需考慮按照MEL項目完成飛機放行。若無法確認飛行航路中是否有GPS信號受干擾區域，在完成相關系統測試未發現異常時，可按照空客要求將相關系統的故障記錄發給空客進行深度分析，空客會根據飛機故障記錄和各運營人的報告情況給出綜合分析結果。具體需提供的數據可參照空客ISI 34.36.00049。

4.2 國內航司的相關措施

針對GPS受干擾事件發生時往往具有規模性即該時段該區域所有運行飛機都可能遇到干擾情況這一特點，為了避免部件大量拆換造成不必要的成本浪費，國內部分航司機務人員探索建立了較為有效的故障管控措施。

1）在收到有關單套或雙套GPS系統故障的報告時，按AMM手冊進行系統測試。若測試不通過，及時更換故障件并送修；若測試通過，在最近的合適維修時機執行串件。執行串件的具體做法是：如另一飛機故障重現，則更換此故障件并送修，如另一飛機沒有故障重現，則將相關事件記錄并上報，匯總成信息庫進行共享，以便在遇到相關情況時幫助快速判斷GPS信號受干擾情況。

2）增加對GPS信號質量參數的監控（HFOM/VFOM等），以輔助判斷GPS信號受干擾情況。GPS系統一般通過某些參數判斷所接收信號的質量，如通過參數HFOM（Horizontal Figure of Merit）和VFOM（Vertical Figure of Merit）判斷定位精度，或通過參數HPL（Horizontal Protection Limit）判斷定位完整性。機務人員通過監控發現，在部分機隊上這類參數在QAR（快速接近記錄器）數據中可以抓取到。機務人員通過匯總歸納某一機型歷史運行數據中發生GPS信號干擾時的相關參數情況，結合大數據方法建立“GPS信號質量監控”模型，可在后續類似事件再次發生時根據該模型迅速判斷GPS信號情況，從而鎖定故障源，減少排故時間，降低維修成本。

參考文獻

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作者簡介

葉文濤，工程師，研究方向為電子系統工程管理。

米冀生，工程師，研究方向為電子系統工程管理。

王荊穗，工程師，研究方向為電子系統工程管理。

裴瓊閣，工程師，研究方向為電子系統工程管理。

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