卫星导航技术在民用航空领域的应用

航空

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航空

2010-07-24 1
卫星导航技术
在民用航空领域的应用
2006.11.10
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 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
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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”
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一、关于卫星导航系统
的完整概念
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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）
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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
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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)。
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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。
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智能手机上的电子地图
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智能手机定位所需设备
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智能手机应用环境
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智能手机定位的支持系统
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智能手机上的定位显示
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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。
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1. 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。
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GPS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）
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GPS卫星星座（空间段）
GPS是建
在天上的
导航系统
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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。
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2. 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。
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卫星定位几何原理
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站星距离（空间直角坐标系）
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伪距概念（等效误差）
卫星到用户位置
点的距离表示：
R’=R + C Δt
其中，
R’ 是伪距。
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位置解算方程
伪距= 真实距离+ 钟差影响
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卫星导航可以达到的精度
100 m-- Today
One signal, SA “on”
20 m-- by 2006
One signal, SA “off”
5 m-- by 2015
Multiple signals,
reduced atmospheric errors
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3. 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
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卫星定位精度
DOP （Dilution of Precision）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。
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PDOP的几何意义及大小
一个空间四面体
体积的倒数：
PDOP=1/V
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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！
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智能手机上的定位显示
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PDOP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。
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定位误差与卫星分布有关
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4. 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%）
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4. 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%）
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4. 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）
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4. 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。
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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
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ICAO GNSS告警门限
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航空类导航系统的三种类别
辅助导航系统
（Supplementary Navigation System）
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。
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航空类导航系统的三种类别(续)
主用导航系统
（Primary Navigation System）
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。
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航空类导航系统的三种类别(续)
单一导航系统
（Sole Means Navigation System）
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。
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性能与应用要求的一致性
精密进近No No No
非精密进近Yes No Yes
陆地航路Yes No Yes
洋区航路Yes Yes Yes
应用完好性可用性精度
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实现应用需要依赖的技术
精密进近WAAS/LAAS WAAS/LAAS WAAS/LAAS
非精密进近GPS/WAAS WAAS GPS
陆地航路GPS/WAAS WAAS GPS
洋区航路GPS GPS GPS
应用完好性可用性精度
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GPS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）
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5. 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。
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差分GPS系统示意
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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
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6. 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。
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LAAS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。
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LAAS组成示意
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LAAS VDB天线覆盖范围示意
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7. 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
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通过GEO卫星广播修正电文
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位于Alaska的WAAS 基准站
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WAAS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。
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WAAS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。
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LAAS和WAAS在航空中的应用
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8. 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。
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ABAS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）
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ABAS组成示意
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9. 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。
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SBAS 组成示意
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MTSAT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。
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MTSAT结构
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MTSAT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。
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MTSAT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。
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MTSAT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。
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10. 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。
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GBAS 组成示意
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11．全球定位系统比较
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增强系统在民用航空中的应用
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12. 卫星导航应用举例
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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）
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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
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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。
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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。
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北斗系统工作示意
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二、先进导航技术
对空中交通的影响
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新航行系统组成及其关系
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1．区域导航（RNAV）
RNAV 是Area NAVigation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”（user preferred
routes）。
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RNAV直飞航路
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RNAV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。
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RNAV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？
2010-07-24 86
RNAV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
Random NAVigation的缩写。
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2．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。
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RNP
 RNP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。
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在航路运用的RNP类型
RNP20 ±20.0海里±37.0km) 提供最低空域容量的ATS
RNP10 ±10海里(±18.5km) 地面缺少导航台的空域
RNP4 ±4.0海里(±7.4km) 实现两个台点间建立航路
RNP1 ±1.0海里(±1.85km) 允许使用灵活航路
类型定位精度(95%) 应用
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图示RNP
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RNP概念可以用于全部飞行阶段
2010-07-24 92
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。
2010-07-24 93
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。
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RNP在飞行仪表上的显示
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对空域的影响-空域块
2010-07-24 96
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。
2010-07-24 97
3．RNP RNAV
RNP RNAV 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RNP RNAV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。
2010-07-24 98
RNP RNAV性能指标
 精度与RNP的相同。包容区域为2 x
RNP。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。
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RNP与RNP RNAV的区别
2010-07-24 100
RNP RNAV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RNP RNAV过渡。
2010-07-24 101
RNP RNAV的优势
• RNP RNAV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。
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RNP RNAV的优势示意
2010-07-24 103
满足RNP RNAV要求的导航系统
GNSS
GNSS/INS
DME/DME/INS
2010-07-24 104
美国标准的RNP RNAV类别
RNP0.3 RNAV 进近0.3 NM ± 0.6 NM
RNP1 RNAV 终端区1 NM ± 2 NM
RNP2 RNAV 航路2 NM ± 4 NM
RNP RNAV 类别典型应用标称精度95% 空中包容区域
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三、关注新技术和应用
作好迎接新系统准备
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 附件10变厚了
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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。
2010-07-24 108
“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。
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新航行系统新增成分
2010-07-24 110
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。
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新的进近方式
LNAV/VNAV 350’
LPV 250’
ILS 200’
3o
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18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, RNAV 3-D, 和RNAV 2-D。
2010-07-24 113
综合进近导航概念
 Integrated Approach Navigation（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。
2010-07-24 114
现在明天未来
VOR-DME
SDF LDA
VOR NDB
LOC-DME
BCRS
VOR--ARC
ILS
NDB--DME
PAR
LOC
RNAV 3-D NDB-DME
机场NDB RNAV 2--D
NDB--NDB
RNAV ((RNP))
ASR
IILS//GLS ((xLS))
Specials
Speciialls
RNAV (RNP)
III类
进近类别的演进(多→少)
机场VOR
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“新技术” (部分)
„ Global Positioning System (GPS) Landing Systems (GLS)
„ Ground-based/Space-based Augmentation Systems
„ Data link communication „ Alerting for runway awareness
„ RVSM (Reduced Vertical Separation) „ Turbulence detection systems
„ Vertical Situation Displays „ Surface map displays „ RNP (Req’d Nav Perf)
„ Highway-in-the-sky displays „ RCP (Req’d Comm Perf) „ Traffic displays
„ RMP (Req’d Monitoring Perf) „ Graphical flight planning
„ RNAV (Area Navigation) „ Cursor control devices „ VNAV (Vertical Nav)
„ Multifunction controls
„ ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)
„ Electronic checklists) „ Electronic charts „ Electronic Flight Bags
„ Electronic manuals „ Head-up Displays „ Head-mounted displays
„ Multifunction displays „ Microjets „ Night vision goggles
„ Wireless technologies „ Enhanced Vision „ Synthetic Vision„ Security displays
„ Weather displays „ Unoccupied air vehicles
2010-07-24 116
伽利略的特点
 完全独立的体系
 能与其它相关系统兼容
 具备先进性和竞争能力
 公开进行国际合作
 对精度的描述：GPS只能找到街道，而
“伽利略”则可找到家门。
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伽利略的特点
 美国GPS向別国提供的卫星信号，只能
发现地面大约10米长的物体，而“伽利
略”的卫星则能发现1米长的目标。
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中欧“伽利略”合作计划
 在中国科学技术部支持下，中国航天科工
集团公司、中国电子科技集团公司、中国
卫星通信集团公司和中国空间技术研究院
作为四大股东，共同组建了中国伽利略卫
星导航有限公司。
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中国伽利略卫星导航有限公司
 从事卫星导航系统技术开发、应用和运营
服务。以伽利略全球卫星导航系统为平
台，对应欧洲伽利略工业公司和未来的伽
利略特许运营公司，联合中国国内各有关
部门和单位，共同参与伽利略计划系统开
发和验证阶段、系统部署阶段的建设，积
极拓展伽利略卫星导航系统在中国的应用
领域，并开展相关运营服务和其他增值服
务，推动中国卫星导航产业发展。
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中欧“伽利略”合作计划
 中国方面的投资可能超过2.3亿欧元
 让敏感技术流入中国
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新的应用系统
 A-SMGCS (Advanced Surface Movement
Guidance and Control System)
 在低能见度条件下，保持飞机和车辆之间
的安全间隔，避免飞机意外侵入跑道，改
善机场地面活动的安全运行。
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FANS时代我们认识了一些新的概念;
CNS/ATM时期我们尝试了有限新技
术的应用;
建设新一代空管系统是再次与时代同
跑的又一个新的起跑线！

gzhehua

很好的资料

huihuixy

学习学习。。

hijune

非常需要这方面的资料啊，谢谢 啊

kevin_chenx

非常需要这方面的资料啊，谢谢 啊

scorpion555

找很久了，能不能看啊？

aks74

有没有整编的，版主

lht520yy

谢谢楼主了，很有用。

hanquanxy

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