GPS 進入民航導航領域的歷程

楊樂林，馬振洋，張 帆，潘路平，高 科

（1.中電科航空電子有限公司，四川 成都 611731；2.中國民航大學 安全科學與工程學院，天津 300300；3.中國民航大學 民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300）

目前廣泛使用的機載GPS 導航設備伴隨著GPS系統建設過程，經歷了20 世紀80 年代的論證和探索、90 年代的標準建設與應用的早期發展階段和2000 年后的成熟完善階段，是各大新建衛星導航系統進入民航領域應用的重要參考。

當前機載北斗設備的研制進入最重要的階段，即機載北斗導航設備的研制和標準起草階段。GPS 作為目前唯一廣泛應用于民航領域的衛星導航系統，其指標體系已經相當成熟和完善，對機載北斗設備的標準起草和設備研制有重要參考意義。但是也要看到，機載GPS 導航設備在經過近30 年的發展后，其應用目標已經由最初的輔助導航轉變為主導航應用，其設備的指標要求高。另一方面，機載GPS 導航設備已經發展出數十份標準文件，各標準間存在關聯關系，因此研究機載GPS 導航設備標準指標的制定依據及背景、理清各標準間的關系對機載北斗導航設備的研制是有必要的。

1 GPS 早期的發展歷程

1.1 GPS 建設過程

美國國防部于20 世紀70 年代啟動了GPS 系統研制，于1978 年2 月22 日發射了第一顆實驗衛星，到1985 年一共成功入軌10 顆Block I 試驗衛星，大部分衛星于1994 年前相繼退役。

從1989 年 至1994 年10月，24 顆Block II 衛星被發射入軌，其高度約20 200 km、傾角為55°，運行周期約12 h。1993 年12 月GPS 具備初始服務能力，1995 年4 月具備完全服務能力。此時，GPS 24 星可用概率約70%，21 星可用概率約98%。在1994 年后，繼續發射了數顆Block II 衛星，到2000年左右共約30 顆GPS Block II 衛星在軌服役。在2000 年后，GPS 的在軌衛星數基本維持在30 顆左右，但后續發布的各機載GPS 導航設備標準皆基于1993年6 月時的24 星GPS 星座而設計。

1.2 GPS 民用政策

GPS 原為軍用系統，其L1 頻點的C/A 碼是為捕獲P 碼而設計，其設計定位的精度為400m。在KAL007 事件后，美國將GPS 的C/A 碼轉為軍民公用，以為民用飛行器提供更高精度的導航。但是由于C/A 碼實測精度達到20 m，為降低對其自身國家安全構成的影響，美國制定了信號保護政策，也即SA政策，以降低C/A 碼的定位精度。在考慮到民航應用的需求后，C/A 碼的定位精度被定為100 m，并于1991 年7 月在Block Ⅱ衛星上實施，2000 年5 月取消了該政策，目前GPS 的定位精度達到了5 m。

2 GPS 在民航領域的探索和發展

2.1 GPS 應用探索和發展

在1983 年的5 月，在GPS 系統僅有6 顆試驗衛星的條件下，Rockwell 集成其便攜式軍用P 碼接收機到佩刀型飛機的飛行管理系統以提供水平狀態指示的方式完成了跨大西洋飛行。

在1984 年，美國頒布了第一份GPS 數據使用標準后，GPS 開啟了其民用之路。到1991 年的海灣戰爭時，民用GPS 設備已經具有相當的技術成熟度，并在海灣戰爭中被廣泛使用。這些民用GPS 設備尺寸與一副望遠鏡相當，重量約1 kg，價格3 000～4 000 美金，其定位精度達25 m 左右。

2.2 GPS 在民航領域的探索和發展

在1990 年，FAA 首次收到與機載GPS 設備相關的STC 申請，這些改裝申請主要涉及在一些如塞納650 小型飛機上加改裝GPS 定位設備的申請。

1991 年3 月，Garmin 向FAA 提交了在派泊上加裝GPS100AVD 型設備用于目視飛行的申請，并于同年4 月取證，該設備被認為是第一款實用的民用航空機載GPS 設備。同年8 月美國聯合航空向FAA提交在波音747-422 上加裝GPS 原型機用于運營評估的申請，并于當年10 月取證。其后LB 公司提交了在麥道機型上安裝GPS 導航設備用于目視飛行的申請。

1993 年7 月，Garmin 向FAA 提交了在穆尼M20J 上安裝GPS-155 型設備的申請，并于1994 年2 月取證。該型設備是第一款取得FAA TSO-C129許可證的設備，其認證類型為TSO-C129 的A 類設備，適用于離場、航路和NPA 階段。

在此期間，FAA 成立了NAV SOIT 小組以領導和設計基于衛星導航的概念、標準和具體的實施過程。該小組開展了眾多工作，其中于1993 年12 月完成的首次基于GPS 的IFR 飛行試驗，極大地推動了GPS在民用航空領域的應用。

3 機載GPS 設備標準的發展歷程

3.1 行業標準發展起步階段

3.1.1 應用需求研究

RTCA 于1985 年成立了SC-159 委員會以研究GPS 在民用航空領域的應用需求、設備要求和使用條件。其最初的目標為通過對當時現存的和潛在的包括衛星導航在內的技術進行研究，并根據到2010 年前民用航空在通信、導航和監視領域的技術需求，提出機載GPS 設備的應用需求。為完成這項工作，SC-159 成立了由數百人組成的數個工作組。

SC-159 于1988 年發布了第一份機載GPS 標準DO-202《GPS 機載系統最低性能標準》。該標準為機載GPS 設備標準的起草制定了方向和目標，是后續機載GPS 設備標準的制定基礎。DO-202 中定義了獨一導航（Sole-means Navigation）和輔助導航（Supplemental Navigation），所謂的獨一導航可作為航空器的唯一導航數據源的導航系統，而輔助導航則是需要在有獨一導航設備可用時方可用于導航的導航系統。該標準在根據GPS 的覆蓋性、完好性和可靠性，建議在短期內實現以GPS 的SPS 服務為基礎的輔助導航應用。定義了航空應用場景下GPS 衛星導航系統的基本特性，從系統層面分析了機載GPS設備的功能要求，并根據GPS 系統的特性提出了機載GPS 設備設計時需要考慮的問題和建議、完好性設計的可行性方案等。

SC-159 于1986 年4 月成立了完好性工作組以研究機載GPS 設備的完好性性能需求和要求。由于GPS 系統在大部分時間內僅能確保21 星可用，此時終端設備在約98%的時間內可運行故障檢測功能，但是僅有約87%的時間內可運行故障排除功能，在評估后認為，GPS 輔助導航設備僅需具備完好性告警能力即可。

同時，SC-159 對當時現存的其他導航系統的完好性要求進行了總結梳理，為進一步提高空中交通運行效率，該小組提出了更高的目標要求，如表1 所示。該工作組于1987 年6 月提供了最終的機載GPS 設備完好性分析報告。

表1 GPS 設備的完好性需求

3.1.2 第一份設備工業標準DO-208

1991 年7 月RTCA 發布了第一份機載GPS 設備標準DO-208《機載GPS 輔助導航設備最低性能標準》。其核心內容包括：設備性能要求和測試程序、設備裝機性能要求和測試程序、操作特性要求和測試程序，其中設備裝機性能要求和測試程序部分為對設備的主要性能要求，該部分主要包括：2D RNAV 功能和精度、VNAV 功能和定位精度、環境試驗和測試程序。

該標準有如下特點：①所涉及的機載GPS 設備包含天線和接收機（2000 年后機載GPS 標準分為獨立的天線技術標準和設備（接收機）技術標準）；②天線截至角為7.5°，略高于目前較新的機載GPS 標準中設定的5°天線截至角；③完好性功能的要求為只需具備故障檢測能力；④基于1990 年7 月1 日的21星GPS 星座而設計（1996 年發布的DO-229 及其后的標準基于1993 年6 月30 日的24 星GPS 星座設計）。相比后續發布的DO-229 和DO-316 等標準，DO-208 的指標要求略低。

3.1.3 第一份設備技術標準規范

1992 年12 月FAA 頒布了TSO-C129《機載GPS 輔助導航設備》，明確了機載GPS 輔助導航設備的技術要求，該標準引用了DO-208 標準的要求和測試方法，并對其作了修訂性要求。同時根據設備集成到航電系統的方式、適用的飛行階段及完好性能力定義了A、B 和C 三種設備，A 類設備是集顯示和導航功能為一體的設備，這類設備的典型代表為Garmin 的GPS 155，其主要應用于通航飛機。B 類和C 類設備的功能和性能略同，均不帶顯示功能，C類設備僅適用于FAA 121 部規定的大型公共航空運輸民航客/ 貨運機型。TSO-C129 明確了機載GPS輔助導航設備僅適用于航路、終端區和NPA 階段。

TSO-C129 與對DO-208 的修訂主要包括：①A 類設備：航路點顯示、失效指示、完好性實現（增加RAIM 預測功能）、2D 精度、高度測試方法、氣壓高度輸入（增加所有設備須具備氣壓高度輸入的要求）、飛行計劃（增加設備須具備飛行計劃編輯和顯示要求）等；②B 類和C 類設備：刪除顯示相關要求，其他基本與A 類設備一致；③環境試驗要求：增加環境實驗時測試捕獲時間的要求、增加試驗時對航路點顯示、精度等性能測試要求；④天線要求：增加天線的結構強度、安裝和環境適應性要求；⑤軟件要求：增加設備軟件需符合DO-178A 的要求。

FAA 于1996 年6 月頒布了升級后的TSOC129a，其主要修訂為：①對DO-208 中衛星選擇要求做了細化；②增加B 和C 類設備在動態場景下完好性的要求，細化NPA 階段RAIM 預測和顯示功能的要求，新增全球范圍內實現95% 的RAIM 可用性要求；③新增具備1 000 m 的偽距階躍錯誤的檢測和排除功能要求。

3.2 審定準則

3.2.1 設備適航審定準則

為規范裝機取證工作，FAA 分別于1991 至1993 年間發布了數份臨時性指導意見和公告，最后于1994 年5 月發布了AC 20-138《用于VFR 和IFR 輔助導航設備的GPS 設備的適航審定》以指導A 類設備的適航審定工作，及1994 年12 月的AC 20-130《集成多個導航傳感器的導航儀和飛行管理系統適航審定》以指導B、C 類設備的適航審定工作。

AC 20-138 根據設備用途把A 類設備分為VFR和IFR 應用，其中VFR 應用的要求較寬松，僅需符合如定位精度等要求即可，但須標注“GPS limited to VFR use only”以避免錯誤地用于IFR 飛行。對于IFR 應用則要求嚴格，除需符合A 類設備的要求外，還需符合該咨詢公告中額外增加的要求如電磁兼容、顯示器亮度調節、導航數據庫等，且明確該設備提供誤導信息的安全影響是主要的（Major）。

3.2.2 飛行運行準則

為指導飛行員實施基于GPS 的飛行程序，1994年FAA 頒布了AC 90-94《GPS 設備用于IFR 航路、終端和NPA 的指導準則》。該咨詢公告對使用GPS導航設備執行跨洋、國內航路、終端和NPA 程序進行了要求，明確了使用GPS 導航執行IFR 飛行時，飛行器需具備至少一套備用的導航系統如VOR、NDB、LORAN、OMEGA 等，且在飛行期間GPS 設備一旦提示完好性告警，須立即切換到備用導航系統。

為了加快推廣基于GPS 的IFR 程序，并讓飛行員盡快熟悉這種進近方式，FAA 開發了一種名為GPS 疊加進近（GPS Overlay Approach）的進近程序，這種進近程序是一種利用GPS 導航設備執行傳統導航進近程序的飛行程序。其在實施上分三個階段，初期階段中的飛行過程需要有多種監控手段，到1994 年4 月開始的第三階段，飛行過程中需要的監控手段減少，不再要求有地面設施的配合。在執行這類進近程序時，FAA 也在開發獨立的GPS 進近程序，并于1994 年7 月發布了第一個GPS 獨立進近程序。

3.3 發展成熟階段

由于TSO-C129 系列標準不能適應民航精密進近的需求，在20 世紀90 年代中后期，SC-159 逐漸把研究目標轉向了星基、地基等增強技術，并于1996年發布了第一份GPS 增強技術標準DO-229《GPS廣域增強系統機載設備最低性能標準》。該標準對完好性增加了故障排除功能和性能要求，并提出了可用性等要求，成為了后續機載GPS 標準的基礎技術框架。

在2003 年WAAS 系統正式運行后，各大設備商轉向了具備增強技術的產品研發，在2005 年后僅有1 例TSO-C129a 設備取證申請，FAA 于2011 年10 月頒布指令取消了該標準，不再接受新的TSOC129a 設備取證申請，但是已取證的設備可繼續生產。

4 總結

文章梳理了GPS 進入民航領域的發展過程，包括同期GPS 系統的發展歷程和狀態、機載GPS 設備的探索、論證、標準起草和應用實施過程。該過程由FAA 主導、各市場主體參與，通過一系列的設備標準、審定準則和運行準則建立了完備標準體系，使GPS 順利地進入民航領域，為其在該領域的發展奠定了基礎。當前北斗正處于進入民航導航領域的重要階段，集成機載北斗導航設備到航電系統將是關鍵的一步，參考機載GPS 進入民航導航領域的過程，明晰階段目標、重視頂層應用設計、在民航運行程序框架內基于應用目標制定機載北斗導航設備標準尤為重要。