卫星导航航空应用教材课件.ppt
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 录,1 空管导航技术概述2 陆基导航系统3 全球卫星导航系统（GNSS）4 导航技术空管应用5 总结与展望,2,现代空中交通管理,4 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,3,4.1 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,4,Four-courseRadio Range,NDB,VOR, DME, Tacan,Instrument Landing System,Microwave LandingSystem,Loran C,GPS,WAAS,LAAS,Gone,Gone,Almost Gone,Research,4.1.1 航空导航的发展趋势,5,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,6,7,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,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ABAS,9,现代空中交通管理,10,4.2.1 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,11,4.2.1 现代空管的导航性能需求,空管对卫星导航应用性能要求,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、连续性、可用性指标，其中 精度和完好性是基础。,12,4.2.1 现代空管的性能需求,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,计算位置,真实位置,水平保护级（HPL）,定位误差,水平告警限（HAL）,保护级：P (定位误差 保护级) 告警限 则告警,13,4.2.1 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,14,4.2.1 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,15,4.2.1 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,16,4.2.1 现代空管的性能需求,卫星导航系统的误差,NSE,概率密度,AL,0,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,17,4.2.1 现代空管的性能需求,GNSS完好性监测：,SAIM,内部监测,外部监测,AAIM,RAIM,18,4.2.1 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,4.2 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ABAS,19,现代空中交通管理,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,20,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：,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,21,22,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,工作流程,23,4.2.2陆基导航增强系统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,24,4.2.2陆基导航增强系统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,25,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,VHF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,26,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,GBAS监测站完好性监测原理,信号质量监视,数据质量监视,观测数据质量监视,多参考一致性核查,标准差、均方监视,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,MDT,TransmitterMonitorPower AmpPower Supplies,Primary Equipment Shelter,Reference ReceiverAnd Antenna,VDB,ATCU Screens(up to 10),Optional 3 VDB,Reference ReceiverAnd Antenna,Reference ReceiverAnd Antenna,Reference ReceiverAnd Antenna,28,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,GBAS与现有ILS比较,29,着舰方式,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；,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,30,4.2.2陆基导航增强系统GBAS,GBAS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,31,4.2 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ABAS,32,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）,33,34,4.2.3星基导航增强系统SBAS,参考站 (WRS)接收GPS信号，得到接收的GPS信号误差,35,4.2.3星基导航增强系统SBAS,4.2.3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,36,4.2.3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,37,4.2.3星基导航增强系统SBAS,GEO上的导航设备将改正信息用类似GPS形式广播,38,4.2.3星基导航增强系统SBAS,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，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%,4.2.3星基导航增强系统SBAS,40,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,4.2.3星基导航增强系统SBAS,41,4.2.3星基导航增强系统SBAS,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SBAS,43,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，RIMS,4.2.3星基导航增强系统SBAS,4.2.3星基导航增强系统SBAS,45,4.2 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ABAS,46,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：AAIM,47,4.2.4空基导航增强系统ABAS,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,48,4.2.4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,49,4.2.4空基导航增强系统ABAS,RAIM流程图,50,RAIM算法-最小二乘残差法：,GPS定位的线性化模型,4.2.4空基导航增强系统ABAS,51,投影矩阵,测距残差参数,RAIM算法-最小二乘残差法：,4.2.4空基导航增强系统ABAS,52,4.2.4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,54,4.2.4空基导航增强系统ABAS,55,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-INS。,4.2.4空基导航增强系统ABAS,INS优点：不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等缺点：定位误差随时间而积累，长时间工作后会产生大的误差，不宜作远距离导航,GNSS优点：较高的导航精度缺点：不能提供载体姿态等导航参数、接收机不易捕获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。,4.2.4空基导航增强系统ABAS,57,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,58,松耦合GPS/INS组合导航,紧耦合GPS/INS组合导航,4.2.4空基导航增强系统ABAS,59,松耦合GPS/INS组合导航,4.2.4空基导航增强系统ABAS,60,紧耦合GPS/INS组合导航,4.2.4空基导航增强系统ABAS,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： 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ABAS,GPS/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 录,1 空管导航技术概述2 陆基导航系统3 全球卫星导航系统（GNSS）4 导航技术空管应用5 总结与展望,63,现代空中交通管理,5 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。,64,PBN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。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,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,5 总结与展望,66,导航台,5 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。但具有机载监视和告警功能。,5 总结与展望,68,导航台,5 总结与展望,69,5 总结与展望,70,GNSS卫星,RNP/RNAV航路,地基局域增强系统,ADS-B,导航性能预测信息,GNSS完好性监视,机场场面多边监视系统,5 总结与展望,71,5 总结与展望,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。,72,5 总结与展望,73,谢谢！,74,
