空管应用技术.ppt

现代空中交通管理现代空中交通管理第四章第四章 空管导航系统空管导航系统4.1 空管空管导航技航技术概述概述4.2 陆基基导航系航系统4.3 全球全球卫星星导航系航系统（（GNSS））4.4 导航技航技术空管空管应用用4.5 总结与展望与展望现代空中交通管理现代空中交通管理4.4 4.4 导航技术空管应用导航技术空管应用4.4.1 问题背景4.4.2 卫星导航空管应用现代空中交通管理现代空中交通管理34.4.1 问题背景背景4.4.1.1 航空导航的发展趋势4.4.1.2 新一代空管系统中的导航技术4.4.1.3 我国航空导航现状4现代空中交通管理现代空中交通管理Four-courseFour-courseRadio RangeRadio RangeNDBNDBVOR, DME, VOR, DME, TacanTacanInstrumentInstrument Landing SystemLanding SystemMicrowaveMicrowave LandingLandingSystemSystemLoran CLoran CGPSGPSWAASWAASLAASLAAS19301940195019601970198019902000201020204.4.1.1 航空导航的发展趋势5卫星导航系统雷达＋ADS、数据链灵活空域、优选航线协同的主动飞行安全、高效、节约促进航空运输制造发展陆基导航系统雷达监视、话音通信固定的空域、航线受管制的被动飞行安全与效率低资源浪费、阻碍发展传统空管系统新一代空管系统4.4.1.2 新一代空管系统中的导航技术卫星导航系统带来航空导航革命为新一代空管系统发展提供契机6美国新一代空管系统NGATS欧洲新一代空管系统SESAR我国新一代空管系统CNATS技术现状星基系统整合星基技术应用？？？系统能力>5000架飞机>3000架飞机？？？安全0.1次/百万飞行小时？？？空域利用率300米垂直间隔？？？卫星系统GPSGalileo？？？核心技术SWIM、NEOTALIS？？？发展阶段运行概念程序验证？？？星基技术应用>3000架飞机0.1次/百万飞行小时300米垂直间隔中国卫星导航系统网络化导航与监视技术探索4.4.1.2 新一代空管系统中的导航技术74.4.1.3 我国航空导航现状•中国民航：（2006年）¶VOR 202套、DME 272套、NDB 380套¶主要机场ILS 178套¶美国各类导航设备4300套¶中国只是美国导航设备的1/4¶旅客吞吐量33197.3万人次，比上年增长16.7％¶货邮吞吐量753.2万吨，比上年增长19％¶飞机起降架次348.6万架次，比上年增长14.1％¶飞机架数：中国979架，美国7626架¶总周转量世界第二陆基导航设备为主难以满足日益增长的需求4.4.2卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.4.2.1 现代空管的导航性能需求4.4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.4.2.3 星基导航增强系统SBAS4.4.2.4 空基导航增强系统ABAS现代空中交通管理现代空中交通管理洋区本土航路终端区NPANPACAT ICAT I复飞复飞CAT CAT II/IIII/III I着陆进近航路/终端区进近/着陆4.4.2.1 现代空管的导航性能需求不同航行阶段对导航性能要求不同不同航行阶段对导航性能要求不同4.4.2.1 现代空管的导航性能需求空管对卫星导航应用性能要求运行阶段精度（95%）告警限完好性风险告警时间连续性风险可用性水平垂直水平垂直航路3.7 kmN/A3.7 kmN/A10-7/小时5分10-4-10-8/小时0.99 - 0.99999终端区0.74 kmN/A1.85 kmN/A10-7/小时15秒10-4-10-8/小时0.99 - 0.99999非精密进近220 mN/A556 mN/A10-7/小时10秒10-4-10-8/小时0.99 - 0.99999APV I16 m20m556 m50 m2 × 10-7 每次进近10秒8×10-6/ 15秒0.99 - 0.99999APV II16 m8m40 m20 m2 × 10-7 每次进近6秒8×10-6/ 15秒0.99 - 0.99999CAT I16 m6-4m40 m15-10 m2 × 10-7 每次进近6秒8×10-6/ 15秒0.99 - 0.99999精度完好性连续性可用性Ø由上表需求可以看出：现有GPS难以满足精密进近阶段的精度、完好性、连续性、可用性指标，其中 精度和完好性是基础。

4.4.2.1 现代空管的性能需求误差源差源可能可能误差大小差大小降低方法降低方法卫星钟差时钟模型误差：2m相关性强，差分可基本消除星历误差卫星星历预告误差沿视线方向分量：2m电离层延迟对码和载波影响大小相等，方向相反天顶方向约2~10m其他方向延迟=天顶方向延迟×倾斜因子使用广播模型修正的单频接收机：1~5m双频接收机：1m差分增强：0.2m对流层延迟码和载波延迟量相等天顶方向延迟约2.3~2.5m其他方向延迟=天顶方向×倾斜因子基于平均气象条件模型：0.1~1m差分增强：0.2m（受海拔和高度影响）多径在一个“干净”环境：码：0.5~1m载波：0.5~1cm通过天线设计不相关接收机噪声码：0.25~0.5m载波：1~2mm接收机不相关通过天线接收机设计减小卫星导航误差具有时、空间的强相关性可通过差分手段提高卫星导航的精度完好性指标的实现是卫星导航在空管应用中的重中之重12ØGNSS完好性定义：¶导航系统出现误差时及时告警的能力计算位置计算位置真实位置真实位置水平保护级水平保护级（（HPLHPL））定位误差定位误差水平水平告警限告警限（（H HA AL L））保护级：P (定位误差 > 保护级) < 10-7/每次运行告警限：若保护级 > 告警限 则告警4.4.2.1 现代空管的性能需求13Ø完好性的实现估计值阈值误差告警漏警完好性风险虚警损失连续性服务可用性4.4.2.1 现代空管的性能需求14Ø完好性的获得不能以降低连续性为代价服务可用性估计值阈值误差最极端的方法是宣告GNSS系统永远不可用，完好性风险和连续性同时为0，这种做法显然是不行的4.4.2.1 现代空管的性能需求15Ø完好性的本质是对导航误差的精确估计服务可用性估计值阈值误差由于有限的样本空间、不准确的误差模型和不完美的算法，完全准确的知道导航系统误差是不可能的4.4.2.1 现代空管的性能需求16Ø卫星导航系统的误差NSE概率密度AL0非零均值误差非高斯分布误差ALγ/ 2γ/ 2必须进行完好性监测4.4.2.1 现代空管的性能需求17ØGNSS完好性监测：SAIM内部监测内部监测 外部监测外部监测 AAIMRAIMSBASGBASWAAS、、EGNOSGRASLAAS4.4.2.1 现代空管的性能需求在地面建立监测系统，监测GNSS卫星的状况和监测系统本身的故障因素，然后发播给用户。

利用冗余观测量信息进行一致性检验184.4.2 卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.4.2.1 现代空管的导航性能需求4.4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.4.2.3 星基导航增强系统SBAS4.4.2.4 空基导航增强系统ABAS19现代空中交通管理现代空中交通管理4.4.2.2陆基导航增强系统GBAS基准站VHF数据链航空用户GPS卫星204.4.2.2陆基导航增强系统GBASØ系统组成：空间部分GPS卫星参考站信号接收机地面中心处理站地面伪卫星航空用户VHF数据链基于地面的信号发射器，能发射与GPS一样的信号目的是要提供附加的伪距信号以增强定位解的几何结构，因而提高导航可用性，以至此机场的需求能被满足接收GPS卫星及伪卫星信号，并传送给中心处理站为获得较好精度，参考站天线必须专门设计以有效减小多路径误差接收各参考站传输来的观测数据，组合来自每个接收机的差分改正数，确定广播的差分改正数及卫星空间信号的完善性，执行关键参数的质量控制统计，验证广播给用户的数据正确性送数据链路包括参考站与中心站的数据传输和中心站向用户的数据广播数据传输可以采用电缆数据广播通过甚高频（VHF）波段，广播内容包括差分改正及完善性信息信号接收设备不仅接收来自GPS的信号，还要接收来自伪卫星的信号和地面站广播的差分改正及完善性信息,，处理器对GPS观测数据进行差分定位计算，同时确定垂直及水平定位误差保护级，以决定当前的导航误差是否超限214.4.2.2陆基导航增强系统GBAS224.4.2.2陆基导航增强系统GBASØ工作流程GPS参考站接收机接收卫星，伪卫星信号GPS参考站接收机234.4.2.2陆基导航增强系统GBAS地面中心站GPS参考站接收机LAAS地面中心站计算GPS定位误差和差分改正数等信息244.4.2.2陆基导航增强系统GBAS地面中心站VHF数据广播LAAS地面中心站发送改正信息给VHF数据链广播发射器254.4.2.2陆基导航增强系统GBASVHF数据广播发射器广播LAAS信号给服务区域内装备有接收机的飞行器264.4.2.2陆基导航增强系统GBASØGBAS监测站完好性监测原理信号质量监视信号质量监视信号质量监视信号质量监视数据质量监视数据质量监视数据质量监视数据质量监视观测数据质量监视观测数据质量监视观测数据质量监视观测数据质量监视多参考一致性核查多参考一致性核查多参考一致性核查多参考一致性核查标准差、均方监视标准差、均方监视标准差、均方监视标准差、均方监视4.4.2.2陆基导航增强系统GBASMDTMDT• •TransmitterTransmitter• •MonitorMonitor• •Power AmpPower Amp• •Power SuppliesPower Supplies• •Primary Equipment Primary Equipment • •ShelterShelterReference ReceiverReference ReceiverAnd AntennaAnd AntennaVDBVDBATCU ScreensATCU Screens(up to 10) (up to 10) Optional Optional 3 VDB3 VDBReference ReceiverReference ReceiverAnd AntennaAnd AntennaReference ReceiverReference ReceiverAnd AntennaAnd AntennaReference ReceiverReference ReceiverAnd AntennaAnd Antenna284.4.2.2陆基导航增强系统GBASØGBAS与现有ILS比较ILSGBAS对场地限制大。

地形不好的机场不能使用；站台前方有车、人都会影响系统工作；机场设备安装要求严格对场地限制小不要求安装在跑道尽头或者一侧费用高，要求前方反射面必须平整费用低，无类似要求服务范围小每条跑道两端都需要一套地面台；对复飞精确引导功能弱；只能实施一条下划线服务范围广一套设备可以服务多条跑道，有效对复飞精确引导；可采取多种进近程序29着着舰方式方式Ø应用于全自动着舰 条件：浓云密布或夜间，需借助精密的助降和着舰系统；重新着陆复飞着舰雷达捕获窗口排序区下降4.4.2.2陆基导航增强系统GBAS304.4.2.2陆基导航增强系统GBASØGBAS的局限性：¶GBAS监视的是一个局域范围内误差波动，监测性能随距离拉远降低¶GBAS无法抵御和监测电离层风暴314.4.2 卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.4.2.1 现代空管的导航性能需求4.4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.4.2.3 星基导航增强系统SBAS4.4.2.4 空基导航增强系统ABAS32现代空中交通管理现代空中交通管理4.4.2.3 星基导航增强系统SBAS为克服GBAS局限性广域增强系统（WAAS）334.4.2.3星基导航增强系统SBASGPSGEO用户轨道完好性电离层钟差参考站中心站参考站目前唯一建成的SBAS系统-美国的WAAS34参考站 (WRS)接收GPS信号，得到接收的GPS信号误差4.4.2.3星基导航增强系统SBAS354.4.2.3星基导航增强系统SBASØ参考站 (WRS)将GPS误差信号转发到中心站 (WMS)Ø中心站 (WMS)通过处理，得到WAAS系统的改正信息364.4.2.3星基导航增强系统SBAS改正信息由基准站(WMS)发往GEO上的导航设备374.4.2.3星基导航增强系统SBASGEO上的导航设备将改正信息用类似GPS形式广播384.4.2.3星基导航增强系统SBASWAAS播发的增强校正量39￿￿￿￿￿￿￿￿￿用户差分距离误差（UDRE）指由经差分修正后的空间信号误差引起的用户误差。

因此它是经星历误差修正和卫星钟差修正后的真实用户级误差考虑完好性的概率要求，UDRE可以定义为在系统服务区内，可视卫星星历及钟差改正数误差相应的伪距误差的置信限值设置信度为99.9%，则有： Pr(UDRE > 卫星星历及钟差改正数) ≥99.9%4.4.2.3星基导航增强系统SBAS40￿￿￿￿￿￿￿￿￿卫星广域增强系统在广播电离层格网点IGP延迟改正数的同时，应同时广播这些改正数对应的误差信息这种误差信息定义为网格点电离层垂直改正误差(GIVE)GIVE是网格点经过电离层改正后的真实用户级误差根据完善性需求，按99.9%的置信度给定对于时刻的格网点延迟改正数将要应用的后一个更新间隔内的任意时间，应以99.9%的置信度保证与实际是一致的，即 4.4.2.3星基导航增强系统SBAS414.4.2.3星基导航增强系统SBAS参考站A路参考站B路A路数据合理性检查B路数据合理性检查慢变电离层快变慢变电离层快变电离层改正一致性检验快变改正一致性检验慢变改正一致性检验UDRE (A路)正确性验证UDRE (B路)正确性验证GIVE (A路)正确性验证GIVE (B路)正确性验证故障检测和分离GIVE有效性验证UDRE有效性验证GEO广播42Ø基本应用¶已售出37000套增强设备¶以每月1000套设备的速度递增Ø商业用途¶已售出超过500套设备Ø航线上应用¶装备200架以上波音737飞机4.4.2.3星基导航增强系统SBAS43Ø欧洲的EGNOS组成：¶主控中心， MCC¶导航地面站， NLES¶测距和完好性监测站，RIMS4.4.2.3星基导航增强系统SBAS4.4.2.3星基导航增强系统SBAS454.4.2 卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.4.2.1 现代空管的导航性能需求4.4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.4.2.3 星基导航增强系统SBAS4.4.2.4 空基导航增强系统ABAS46现代空中交通管理现代空中交通管理4.4.2.4空基导航增强系统ABASØ完好性监测外部方法¶基于监测站真实位置信息对误差进行最优估计Ø完好性监测内部方法¶利用冗余观测量信息进行一致性检验¶方法：•利用冗余GNSS观测信息：RAIM•利用机载其它（导航）系统信息：AAIM474.4.2.4空基导航增强系统ABASØ故障检测(Detection)与排除(Exclusion) 误检 检测有故障 正确排除 错误排除 不能排除 定位故障 定位正确 漏检 正确排除 不能排除 检测无故障 定位检测排除检测排除误警正常告警漏警484.4.2.4空基导航增强系统ABASØ基本原理¶检验冗余信息的一致性，判断故障是否存在¶基于假设检验理论对要检验的总体分布提出假设对样本提供的信息进行统计分析判断接受还是拒绝假设494.4.2.4空基导航增强系统ABASØRAIM流程图50RAIMRAIM算法算法- -最小二乘残差法：最小二乘残差法：GPS定位的线性化模型 4.4.2.4空基导航增强系统ABAS51投影矩阵投影矩阵测距残差测距残差参数参数RAIMRAIM算法算法- -最小二乘残差法：最小二乘残差法：4.4.2.4空基导航增强系统ABAS524.4.2.4空基导航增强系统ABASØ可用性判断4.4.2.4空基导航增强系统ABAS用水平定位误差保护门限HPL来确定RAIM算法的可用性。

它一方面满足了完好性需求，另一方面反映了系统卫星几何的可用性计算公式为其中pbias是满足虚警率和漏检率的最小统计检测量，HSLLOPEmax是最易漏检的卫星的水平特征性斜率值，计算公式为544.4.2.4空基导航增强系统ABAS55空基导航增强系统-AAIM： 利用机载导航设备提供的冗余信息辅助卫星导航实现完好性监测和综合性能提高，即组合导航最常用的组合方式就是GNSS-INS4.4.2.4空基导航增强系统ABASINS优点：不依赖外界信息、隐蔽优点：不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等性好、抗辐射性强、全天候等缺点：定位误差随时间而积累，缺点：定位误差随时间而积累，长时间工作后会产生大的误差，长时间工作后会产生大的误差，不宜作远距离导航不宜作远距离导航 GNSS优点：优点：较高的导航精度较高的导航精度缺点：缺点：不能提供载体姿态等不能提供载体姿态等导航参数、接收机不易捕获导航参数、接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号等和跟踪卫星的载波信号等GPS和INS导航功能实现互补并相互补充  惯性导航系统是利用机上惯性设备测量飞机运动的速度和坐标，从而形成指令信息来导引飞机的系统。

基本原理是：应用惯性加速度计，在三个互相垂直轴的方向上测量出飞机重心运动的加速度分量，然后用相应的积分装置得到速度分量和坐标分量 惯性导航系统惯性导航系统平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统主要用于战略飞机主要用于战略飞机 主要用于战术导弹主要用于战术导弹 4.4.2.4空基导航增强系统ABAS57 GPS/INS组合导航系统由全球卫星导航系统(GPS)、惯性导航系统(INS)和信息处理系统三部分构成 4.4.2.4空基导航增强系统ABAS显示器GPS接收机接口电路控显处理器电源接口电路整形电路水平陀螺方位陀螺北向加速度计东向加速度计天向加速度计GPS导航系统数控融合与控制系统惯性导航系统58松耦合松耦合松耦合松耦合GPS/INSGPS/INS组合导航组合导航组合导航组合导航 紧耦合紧耦合紧耦合紧耦合GPS/INSGPS/INS组合导航组合导航组合导航组合导航 4.4.2.4空基导航增强系统ABAS59松耦合松耦合松耦合松耦合GPS/INSGPS/INS组合导航组合导航组合导航组合导航 4.4.2.4空基导航增强系统ABAS惯性测量装置导航仪GPS接收机接收机卡尔曼滤波器导航卡尔曼滤波器受力和弹体速度 加速度计偏差和陀螺仪漂移修正位置、速度和姿态修正位置和速度 卫星测量位置和速度 把位置和速度提供给制导＋＋—60紧耦合紧耦合紧耦合紧耦合GPS/INSGPS/INS组合导航组合导航组合导航组合导航 4.4.2.4空基导航增强系统ABAS惯性测量装置导航仪GPS接收机导航卡尔曼滤波器受力和弹体速度 加速度计偏差和陀螺仪漂移修正位置、速度、姿态和时钟误差修正卫星测量伪距、伪距变化把位置和速度提供给制导＋＋—位置、速度61 导航过程中，INS把速度和加速度信息提供给GPS接收机，可以提高GPS接收机的抗干扰能力和动态特征。

如果GPS接收机失去对卫星的自动跟踪，INS仍然能够独立工作，并且提供的位置和速度值能够帮助GPS接收机及时地采集GPS卫星信息总结：总结： GPS接收机可以向INS提供有关它当前的积累误差的实时而准确的数值，并进行补偿以提高INS导航精度INS能够用准确的位置和速度初始值提供给GPS接收机跟踪回路，从而减少其采集GPS卫星信息所需要的时间4.4.2.4空基导航增强系统ABASØGPS/INS组合改善了系统精度、完好性ØGPS/INS组合加强系统的抗干扰能力Ø解决高动态接收问题Ø解决GPS动态应用采样频率低的问题 62第四章第四章￿ ￿空管导航系统空管导航系统4.1 空管空管导航技航技术概述概述4.2 陆基基导航系航系统4.3 全球全球卫星星导航系航系统（（GNSS））4.4 导航技航技术空管空管应用用4.5 总结与展望与展望63现代空中交通管理现代空中交通管理4.5 总结与展望总结与展望Ø2007年国际民航组织(ICAO)在整合各国和地区RNAV和RNP运行实践的基础上，提出了PBN（Performance Based Navigation）的概念和标准，即“基于性能导航”，作为飞行运行和导航技术发展的基本指导准则。

ØPBN依据特定空域概念，按照运行所需的准确性、完好性、可用性、连续性和功能性，规定区域导航（RNAV）系统的性能要求ØPBN概念使得导航要求从对指定设备要求描述转向对基于性能导航描述64ØPBN实质上是基于导航卫星、机载仪表、地面导航设施等多传感器组合应用，实现RNP、RNAV多种不同精度的导航方式ØPBN是对传统导航应用方式的补充和变革ØPBN是基于CNS/ATM不同服务元素相互依赖、相互补充、共同作用的一种综合应用Ø根据PBN的概念，指定空域内C/N/S/ATM中任何所需性能的缺失或不足，都可以通过其他所需性能的相互补充，在安全的前提下实现容量和间隔目标的最大化 4.5 总结与展望总结与展望65RNAV是一种导航方式，它可以使航空器在导航信号覆盖范围之内，或在机载导航设备的工作能力范围之内，或二者的组合，沿任意期望的航径飞行RNAV航线的保护区是线性的RNAV航线建立在雷达覆盖范围内4.5 总结与展望总结与展望66导航台4.5 总结与展望总结与展望67导航台 RNP是在规定的空域内运行必要的导航性能精度的描述确定导航性能和需求要适合于特定的RNP类型和/或者应用但但具有机载监视和告警功能。

机载监视和告警功能4.5 总结与展望总结与展望68导航台4.5 总结与展望总结与展望694.5 总结与展望总结与展望70GNSS卫星卫星RNP/RNAV航航路路地基局域增地基局域增强系统强系统ADS-B导航性能预测导航性能预测信息信息GNSS完好性完好性监视监视机场场面多边机场场面多边监视系统监视系统4.5 总结与展望总结与展望71航路点航路点 RNAV 提高了空域的效率提高了空域的效率优化空域的使用优化空域的使用弯曲的航径弯曲的航径垂直引导垂直引导保护区缩小保护区缩小RNP 航路和程序航路和程序设计受限制设计受限制传统程序和航路传统程序和航路RNP系统系统——机载性能监视和告机载性能监视和告警警4.5 总结与展望总结与展望当前的地面导航台当前的地面导航台 ØRNP系统能够提高运行完整性，尤其能够提供更小的的航路间距，并且能够提供充分的完整性，因此，使用RNP系统能够提供更高的安全和运行效能ØRNAV适航要求相对较低ØRNAV和RNP的应用还会共存若干年，随着配备有RNP系统的比例增加，过渡成本的降低，预计将逐渐向RNP应用方面过渡￿72导航规范RNAV规范RNP 规范RNP 4海洋和边远陆地RNAV 5RNAV 2RNAV1航路和终端区RNP10海洋边远陆地基础RNP2基础RNP1精密RNP1飞行各阶段有附加要求的RNP （例如，用于3D和4D导航）4.5 总结与展望总结与展望73 谢谢！谢谢！74。