差分增强系统在进近中的应用

差分增强系统在进近中的应用

李银

中国民航飞行学院 四川广汉  618300

一、目的

初步从概念上掌握什么是差分技术以及简单了解其工作原理，进而了解什么是差分增强系统与其工作原理，以及不同差分增强系统的具体原理和特点。了解差分增强系统在实际的民用航空机场进近阶段的不同应用。最后看到差分增强系统与传统导航方式相比，其具有多方面的优势，以及差分增强系统的发展前景。

二、内容

1 差分技术与差分增强系统

想要了解差分增强系统在进近中的应用，那必须就得知道什么是差分增强系统。差分增强系统的重点就在于差分技术的应用，那么问题来了，差分技术是什么，其原理是什么？

1.1 差分技术

首先，这里说的差分技术指的是基于GPS的差分技术。

在说明差分技术前，我们得知道在GPS定位中，存在三部分误差：一是接收机公有的误差，如：卫星星钟误差、星历误差等；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差等；三是各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。为了减少这些误差对观测精度的影响，多采用差分定位技术。

差分技术（DGPS，Differential GPS）就是在一个测站对两个目标进行观测值求差；或在两个测站对一个目标进行观测，将观测值求差；或在一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。差分的目的是消除公共误差，提高定位精度。例如：将一台GPS接收机安置在基准站上观测，根据基准站已知的精确坐标，计算出基准站到卫星的距离和由于误差的存在基准站接收机观测的伪距之间存在一个差值，这个差值（校正值）由基准站实时地发送出去，用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的校正值，并对定位结果进行修正消除公共误差。差分技术可完全消除上述的第一部分误差，可消除第二部分误差的大部分，但无法消除第三部分误差。

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理大致相同，都是由基准站发送校正值，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送校正值的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。相位差分精度最高，伪距差分次之，位置差分最低。通俗地讲，发送的校正值越是原始数据，精度就越高。由于位置差分和伪距差分都是采用的伪码测距原理，因此可合称码差分技术，民用航空主要采用的就是码差分技术。

1.2 差分增强系统

    差分增强系统，顾名思义，简单讲就是运用差分技术来提高导航性能的系统。目前全世界主要使用的是星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）这两种。而在进近过程中应用的主要是地基增强系统（GBAS），星基增强系统也有使用。

2 SBAS和GBAS的基本原理

2.1 SBAS

建立SBAS最初目的是为广域范围提供航空服务，原因是GPS独立导航无法满足广域飞行所需要的较高导航性能要求。当前SBAS除了能提供满足航路、进离场、NPA及APV进近导航性能需求外，还能提供CAT Ⅰ类进近导航性能需求。

基本SBAS构架，由空间部分、地面部分和机载部分组成。

SBAS系统的工作原理大致相同。首先，由大量分布极广的差分站（位置已知）对导航卫星进行监测，获得原始定位数据（伪距、载波相位观测值等）并送至中央处理设施（主控站），后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站发给地球静止卫星（GEO）卫星，最后将修正信息播发给广大用户，从而达到提高定位精度的目的。

2.2GBAS

地基增强系统（GBAS）主要是一个基于卫星导航技术，并且综合了地面、空中、机载三部分设备的集成系统。主要目的是为机场附近的GNSS信号提供精度和完好性增强服务，以支持精密进近和着陆运行。GBAS所提供的进近服务，能满足CATⅠ精密进近的要求，并提供水平、垂直偏差指引。GBAS还具备CATⅡ/Ⅲ精密进近、机场场面运行的潜能。GBAS所提供的终端区进离场服务，支持水平区域导航运行，垂直高度使用气压高度信息，并且进离场程序可以与最后进近航迹/跑道不关联。

GBAS系统是全球导航卫星系统（GNSS）的一部分，由硬件和软件组成，它是一种星基导航技术，在机场周围为进离场、进近着陆和场面运行提供增强服务。GBAS系统的组成包括三个部分：卫星子系统、地面站子系统、机载子系统。

GBAS的基本原理是根据已知的、经事先精确测量设于地面的参考接收机得到的卫星测距信号，推算卫星的伪距校正值，通过一系列完好性监测算法获得系统完好性信息，并将这些信息打包，通过数据链路传送到空中用户的机载子系统。机载子系统的处理器应用接受到的这些校正数据产生一组校正伪距，并据此形成精确的空间位置信息及相关导航解决方案。

具体来说，GBAS地面站包括四对参考接收机和天线、地面数据处理设备、甚高频数据广播（VDB）设备和VDB天线等。地面数据处理设备通过结合来自每个参考接收机的测量值产生可见卫星的差分校正值；同时，通过实时监测导航信号本身或者是地面站的异常，形成卫星导航系统和本站自身的完好性信息；然后把FAS数据、校正值和完好性信息通过VDB播发给机载用户。机载设备为多模式接收机（MMR）。由于机载用户和GBAS站的距离很近（小于50公里），它们之间的误差有很强的相关性，所以通过这种方法能够提高机载用户的定位精度和完好性。

3 SBAS和GBAS在实际运行中的使用

3．1 SBAS的应用

现在针对GPS系统已经建成并正在运行的SBAS系统有五个：欧洲静止导航重叠服务（EGNOS）、美国广域增强系统(WAAS)、日本多功能交通卫星星基增强系统（MSAS）、印度的GPS辅助和GEO增强的导航系统（GAGAN）、俄罗斯针对GLONASS系统的广域增强系统（SDCM）。在中国部分区域能收到MSAS卫星的增强信号。

根据RTCA DO-229C 技术规范的要求，SBAS接收机按照能提供的导航服务性能和功能，可以分为四个不同等级，分别是：

1级SBAS接收机：提供航路、终端区、LNAV飞行运行性能；

2级SBAS接收机：提供1级+LNAV/VNAV飞行运行性能；

3级和4级SBAS接收机：提供2级+APVⅠ和Ⅱ飞行运行性能。

使用足够高性能的接收机，就可以通过最初目的是为广域范围提供航空服务的SBAS，来满足航路、进离场导航性能需求，在消除公有的误差和传播延迟误差这两种误差后，可以满足NPA及APV进近导航性能需求，甚至CAT  Ⅰ类进近导航性能需求。

例如美国的WAAS，其最大的贡献是对传统卫星导航系统架构的完善，其率先采用的星座增强结构服务区栅格化监管、完好性概念完好性监测与处理结构、完好性通道、兼容与互操作设计等很多理念、结构和关键技术。WAAS可以向大范围内的用户提供精确的定位服务和相应的完好性保障，这就使得服务范围内的所有机场可以实现精密进近，而且允许设计不同的进近方式并降低开发和使用的费用。WAAS-LPV是一个为民航发展的高精度导航系统，基于WAAS的航向道性能垂直引导（LPV），它能提供航道性能和垂直引导，允许飞行员使用一个和ILS类似的类下滑道降落到目标机场。

3.2 GBAS的应用

3.2.1GBAS在精密进近(PA)

GBAS着陆系统即GLS（GBAS Landing System），是指GBAS系统所提供的飞行指引和着陆功能。GLS包含与自动驾驶及其他相关系统互联的机载GBAS设备，以及建立在GBAS增强的卫星定位信息的基础上实现的精密进近和着陆功能。

GLS与ILS不同，GLS并非一个着陆系统，ILS是一个有完整的机载和地面设备的系统。当GLS集成到航空器上或者被飞行机组使用时，术语GLS即GBAS着陆系统功能。利用GLS功能实现的精密进近，通常称为GLS进近。

GLS是基于GBAS的着陆系统。GLS包括机载GBAS设备、自动驾驶（A/P）、飞行管理系统、进近选择器等。机载系统应具备ABAS功能，要求满足星基精密进近和着陆运行的性能要求。机载GBAS设备与ILS机载设备集成，机载多模接收机（MMR）既可以接收GNSS卫星以及GBAS的VDB信号，还可以接收ILS信号。GLS运行时，MMR既可以为飞行管理系统（FMS）提供PVT信息，还可以在座舱显示设备上提供类似ILS的预选航道偏差指示、

通过以上的对GBAS的分析，我们不难看出GBAS这种星基导航方式具有传统导航不能相比的优势。

运行成本降低。一套GBAS设备可以为任何指定机场的所有跑道端提供服务。

多类型航空器混合运行。可以为不同类型航空器提供独立进场、进近和离场引导。

运行环境要求较低。GBAS相对于ILS和MLS，地面设备对安装位置和运行地理环境的要求更灵活。

缩小进近距离。GBAS信号比ILS信号更稳定，最后进近航迹上的飞机不会影响后面的飞机，可以在一定程度上缩小进近间距。

多路径干扰小。GBAS地面广播的VDB信号没有ILS信号敏感，没有敏感区和临界区。

测距更精确。其精度高于DME测距精度。因此不需要DME台。

降低VHF频率需求。GBAS同一VHF频率最多可支持49个进近程序，而一组ILS频率只支持一个ILS精密进近。

避免过早进近。

支持曲线最后进近

GLS CATⅡ/Ⅲ的可能性。

GBAS可以为RNAV和RNP运行提供有效的服务，合理利用ABAS和GBAS增强系统，以满足PBN运行要求

3.2.2GBAS在离场(SID)和进场(STAR)

GBAS系统所提供的导航定位服务，并非只用于进近，同时服务于终端区运行。GBAS/PS（定位服务）机载设备输出的定位结果，其完好性、精度和可用性都非常高。 

GBAS/PS可支持PBN运行中RNAV和RNP飞行程序运行。RNAV适用于航路和终端区运行，RNP适用于航路、终端区和进近运行。

在我国，随着民航的迅速发展，机队飞速增长，这就对我国现行的导航运行提出新的要求。然而我国陆基导航系统能力有限，并且存在如下问题：

（1）机场数量不足。

（2）陆基导航系统数量和能力不足。

（3）地形和气象条件复杂机场多：高原机场数量最多，陆基系统难以保障。   

根据国际上GBAS的发展，并结合我国国情，不难总结出在我国发展GBAS具有以下优势：

（1）它能提高机场和终端区容量。 

（2）它能提高运行效率。  

（3）它能降低机场着陆引导设备成本，多跑道覆盖。

（4）它能解决西部地区高原机场进近着陆引导问题。   

（5）它能完善对于CATⅠ类、Ⅱ类、Ⅲ类精密进近所需的导航性能服务。

3.2.3 GBAS在国内的应用情况

2014年7月28日，中国电子科技集团公司研制的国内首套GBAS卫星导航着陆系统，正在天津滨海国际机场开展安装和适航取证工作。这一新系统打破了传统仪表着陆系统影响航迹灵活性和机场吞吐量的技术局限，为机场实现更安全、更高效的运营提供了新的选择。

2014年8月，由中国电子科技集团公司研制的国内首套GBAS卫星导航着陆系统，正式在天津滨海国际机场开展安装和试验运行工作。天津机场成为国内首家安装该系统、开展卫星导航着陆系统适航取证工作的国际机场。

2015年4月，东方航空和山航同时在上海浦东机场进行GLS的演示验证。

三、结果

差分系统可以通过差分技术消除GPS接收机公有的误差和传播延迟误差这两种误差。目前民航使用的差分增强系统主要是SBAS和GBAS。并且SBAS和GBAS与传统导航方式相比具有诸多优点，无论是精确度、安全性、便捷性还是经济性，都比传统导航方式优秀。差分增强系统必将是未来民航导航的主流趋势。