卫星导航航空应用教材课件.ppt

1、航空导航（三）航空导航（三）电子信息工程学院交通信息工程及控制教研室目目 录录1 空管导航技术概述空管导航技术概述2 陆基导航系统陆基导航系统3 全球卫星导航系统（全球卫星导航系统（GNSS）4 导航技术空管应用导航技术空管应用5 总结与展望总结与展望2现代空中交通管理现代空中交通管理4 4 导航技术空管应用导航技术空管应用4.1 问题背景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34.1 问题背景问题背景4.1.1 航空导航的发展趋势4.1.2 新一代空管系统中的导航技术4.1.3 我国航空导航现状现代空中交通管理现代空中交通管理4Four-courseFour-courseR

2、adio RangeRadio RangeNDBNDBVOR,DME,VOR,DME,TacanTacanInstrumentInstrument Landing SystemLanding SystemMicrowaveMicrowave LandingLandingSystemSystemLoran CLoran CGPSGPSWAASWAASLAASLAAS19301940195019601970198019902000 201020204.1.1 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、

3、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4.1.2 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？7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

4、索4.1.2 新一代空管系统中的导航技术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架总周转量世界第二8陆基导航设备为主难以满足日益增长的需求4.2卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.2.1 现代空管的导航性能需求4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.2.3 星基导航增强系统SBAS

5、4.2.4 空基导航增强系统ABAS9现代空中交通管理现代空中交通管理10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/着陆4.2.1 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114.2.1 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

6、/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810-6/15秒0.99-0.99999APV II16 m8m40 m20 m2 10-7 每次进近6秒810-6/15秒0.99-0.99999CAT I16 m6-4m40 m15-10 m2 10-7 每次进近6秒810-6/15秒0.99-0.99999精度完好性连续性可用性 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

7、性、可用性指标，其中 精度和完好性是基础。124.2.1 现代空管的性能需求误差源误差源可能误差大小可能误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210m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：15m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2.32.5m其他方向延迟=天顶方向倾斜因子基于平均气象条件模型：0.11m差分增强：0.2m（受海拔和高度影响）多径在一个“干净”环境：码：0.51m载波：0.51cm通

8、过天线设计不相关接收机噪声码：0.250.5m载波：12mm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GNSS完好性定义：导航系统出现误差时及时告警的能力保护级：P(定位误差 保护级)告警限 则告警134.2.1 现代空管的性能需求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144.2.1 现代空管的性能需求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154.2.

9、1 现代空管的性能需求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164.2.1 现代空管的性能需求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AL/2/2必须进行完好性监测174.2.1 现代空管的性能需求GNSS完好性监测：SAIM内部监测内部监测 外部监测外部监测 AAIMRAIMSBASGBASWAAS、EGNOSGRASLAAS184.2.1 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

10、行一致性检验4.2 卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.2.1 现代空管的导航性能需求4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.2.3 星基导航增强系统SBAS4.2.4 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4.2.2陆基导航增强系统GBAS20基准站VHF数据链航空用户GPS卫星4.2.2陆基导航增强系统GBAS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

11、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21224

12、.2.2陆基导航增强系统GBAS在机场周围布设基准站，产生GPS增强信息（包括误差信息和完好性信息）通过VHF数据链广播给附近进近飞机飞机收到差分信息与本机接收到的GPS信息进行差分最终目的：引导飞机实施精密进近4.2.2陆基导航增强系统GBAS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234.2.2陆基导航增强系统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244.2.2陆基导航增强系统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254.2.2陆基导航增强系统GBASVHF数据广播发

13、射器广播LAAS信号给服务区域内装备有接收机的飞行器264.2.2陆基导航增强系统GBASGBAS监测站完好性监测原理4.2.2陆基导航增强系统GBAS284.2.2陆基导航增强系统GBASGBAS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着舰方式着舰方式应用于

14、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4.2.2陆基导航增强系统GBAS304.2.2陆基导航增强系统GBASGBAS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314.2 卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.2.1 现代空管的导航性能需求4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.2.3 星基导航增强系统SBAS4.2.4 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4.2.3 星基导航增强系统SBAS为克服GBAS局限性广域增强系统（WAAS）基本思想在美

15、国及周边布设地面站（WRS），接收处理数据将数据传送中心站（WMS）处理分离数据，产生校正量格式化后上传至GEO卫星用户根据GEO播发数据对本地数据校正提高精度等33344.2.3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WAAS参考站(WRS)接收GPS信号，得到接收的GPS信号误差354.2.3星基导航增强系统SBAS4.2.3星基导航增强系统SBAS 参考站(WRS)将GPS误差信号转发到中心站(WMS)中心站(WMS)通过处理，得到WAAS系统的改正信息364.2.3星基导航增强系统SBAS改正信息由基准站(WMS)

16、发往GEO上的导航设备374.2.3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384.2.3星基导航增强系统SBAS卫星长期误差校正 指由卫星时钟和星历引起的误差 以四维矢量的形式播发误差卫星快速误差校正 为应付卫星时钟快速变化误差 以标量形式播出 广播频率较高620s/次电离层延迟校正 用电离层网格模型 播发各个网格点校正数据 用户接收到网格点数据后，按照内插法计算本地电离层延迟WAAS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，UD

17、RE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%4.2.3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 Pr()()()99.9%IGPkkIGPGIV

18、E tItIt4.2.3星基导航增强系统SBAS414.2.3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套设备的速度递增商业用途已售出超过500套设备航线上应用装备200架以上波音737飞机4.2.3星基导航增强系统SBAS43欧洲的EGNOS组成：主控中心，M

19、CC导航地面站，NLES测距和完好性监测站，RIMS4.2.3星基导航增强系统SBAS4.2.3星基导航增强系统SBAS454.2 卫星导航空管应用卫星导航空管应用4.2.1 现代空管的导航性能需求4.2.2 陆基导航增强系统GBAS4.2.3 星基导航增强系统SBAS4.2.4 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4.2.4空基导航增强系统ABAS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：AAIM474.2.4空基导航增强系统ABA

20、S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484.2.4空基导航增强系统ABAS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494.2.4空基导航增强系统ABASRAIM流程图50zH xvGPS定位的线性化模型 2v N(,I)00 0 00 00 00 ibi所有可视卫星运行正常卫星出现运行故障4.2.4空基导航增强系统ABAS511TTxH

21、 HH z z=HxPz1TTPH H HH投影矩阵投影矩阵TS S E vv4S S Ern测距残差测距残差参数参数4.2.4空基导航增强系统ABAS524.2.4空基导航增强系统ABAS可用性判断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544.2.4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

22、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-INS。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

23、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。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 4.2.4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 4.2.4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

24、性导航系统584.2.4空基导航增强系统ABAS594.2.4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604.2.4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

25、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。4.2.4空基导航增强系统ABASGPS/INS组合改善了系统精度、完好性GPS/INS组合加强系统的抗干扰能力解决高动态接收问题解决GPS动态应用采样频率低的问题 62目目 录录1 空管导航技术概述空管导航技术概述2 陆基导航系统陆基导航系统3 全球卫星导航系统（全

26、球卫星导航系统（GNSS）4 导航技术空管应用导航技术空管应用5 总结与展望总结与展望63现代空中交通管理现代空中交通管理5 总结与展望总结与展望2007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。PBN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。PBN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。64PBN实质上是基于导航卫星、机载仪

27、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。PBN是对传统导航应用方式的补充和变革。PBN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。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。5 总结与展望总结与展望65RNAV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5 总结与展望总结与展望6

28、6导航台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。5 总结与展望总结与展望68导航台5 总结与展望总结与展望695 总结与展望总结与展望70GNSS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

29、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 RNP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。RNAV适航要求相对较低。RNAV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）5 总结与展望总结与展望73 谢谢！谢谢！74