卫星导航系统在进近着陆中的应用研究

卫星导航系统在进近着陆中的应用研究

董树鹏

天津七六四通信导航技术有限公司天津市300210

摘要：卫星导航定位系统，以GPS系统为例，具有全天候、覆盖范围广、精度高等优点，将其应用在飞机进场着陆完全具有达到二三类着陆、实现完美盲降、提高试飞安全的能力。本文通过分析差分定位技术和伪卫星增强技术的结合，对将卫星导航定位技术应用于进场着陆进行可行性研究。采取差分GPS定位算法，载波相位观测量可以有效的提高定位精度，完全或大部分消除公共误差，也可以消除大气层的干扰进一步提高精度，最后通过伪卫星站的建立提高垂直定位精度，优化解算图形，提高精确定位能力，确保飞机着陆时接收到完整、精确的信号。

关键词：进场着陆；GPS；卫星导航定位系统

引言

随着星基导航系统的不断发展，精度的不断提升，将卫星导航系统应用于进场着陆是切实可行的，其突出的优点是精度高、范围广、服务量大，我国也开发了自主研发的“北斗”导航系统，将来必然成为国防事业的重点应用，通过本文的研究讨论，也是对北斗导航系统将来应用在国内飞机进场、摆脱GPS外国垄断的一种尝试。

1.卫星导航系统与进场着陆

卫星导航着陆系统是基于全球卫星导航系统（GNSS）的飞机进近着陆引导系统，它由空间部分、地面部分和机载部分组成。第一，空间部分。卫星导航着陆系统的空间部分是指全球卫星导航系统，目前，可提供全球服务的全球卫星导航系统只有两家：美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，另外，欧洲的Galileo和中国的北斗也正在建设中，待他们全面部署完成之后，也将纳入GNSS中。空间部分的主要功能是提供导航电文和测距信号。第二，地面部分。地面基准接收机接收卫星信号，计算差分修正量并监视差分修正量计算过程，通过VDB为飞机提供完好性参数、最终进近航道信息和差分信息。第三，机载部分。机载系统可根据空间卫星的测距信号解算出伪距信息，但这样得到的伪距存在较大误差，地面基站发射的差分修正数据可进一步修正伪距，实现实时导航解算，确定飞机位置、预定进近航道和导航系统完好性。由于以GPS定位系统为代表的卫星导航系统可以实现动态定位，在连续性和可用性上具有极大的开发应用价值，但其精度距离进场着陆精度要求还有差距，制约着卫星导航系统在进场着陆中应用的主要原因就是精度无法满足需求。国内外专家通过采取各种技术提高GPS等卫星导航定位的精度，例如差分GPS技术、伪卫星增强技术等。本文通过分析可行性方案来构建一个完整的进场着陆系统模型。为卫星导航系统在着陆上的应用和为我国“北斗二号”将来的应用提供设想。

2.差分定位技术

差分GPS定位技术，通常而言是指将两台GPS接收机安置在同一条基线上，用两台接收机同时观测同一组卫星，同时采集GPS卫星导航数据。相比较单点观测得到的绝对坐标，差分观测技术得到的是两端点在基线上的相对位置，在一个接收机位置已知的条件下，可以较为精确的得到另一个接收机的位置。尤其是在机场环境相对固定，在空域内的导航特别适用。在机场设定一个或多个固定的GPS接收机，这些接收机所处位置信息精度极高、位置精确，进场飞机的GPS接收机与其构成了多条基线上的两个端点，通过空间建模的形式，将这些基线数字化，并转换成平面图上的坐标系，利用机场已知GPS接收机坐标可以求解空中飞机的实时坐标信息得到飞机的位置参数、速度参数。

3.伪卫星增强卫星导航技术

所谓伪卫星增强技术，是指在地表一定高度上建立一个卫星信号发射站，所发射的卫星信号符合GPS系统的信号编码规则，采用的导航电文格式也基本一致，可以被GPS接收机识别并读取信息。由于GPS信号编码规则已经公开，因此通过信号的调制技术，完全可以实现在地面建立一个“卫星”，将此颗“卫星”加入到卫星群中，不但增加了卫星解算数量，也改善了卫星图形，减少了卫星信号丢失率，在垂直精度方面增强效果显著，理论上可以达到二三类着陆的精度标准。提升整个着陆系统的可用性、稳定性、可靠性以及测量精度。

4.差分GPS技术与伪卫星增强技术的结合

4.1卫星着陆系统结构

利用伪卫星和差分定位技术结合后,形成了星间站间双差系统，通过相同站观测不同卫星和不同站观测相同卫星，得到数组参数方程，伪卫星时钟误差、大气层折射误差被明显的消弱了，这是构建伪卫星增强系统的一个关键因素，因为如果需要采取与空间卫星同样的铯原子钟，造价成本高，这样的差分方式对于伪卫星的晶振要求降低了，也就是降低了成本。消弱了大气层折射误差，是提高垂直定位精度的关键，为进场着陆系统的连续性和高精度提供保障[1]。

4.2伪卫星增强GPS系统关键技术研究

伪卫星技术想要融入GPS定位系统还需要解决一些关键技术，本文选择最关键的两点进行讨论，分别是远近效应和多路径效应。第一，远近效应。远近效应是指GPS卫星信号到达地面时已经相当微弱，非常容易受到同频点的干扰。而伪卫星则是放置在地面上的，距离接收机比较近，其信号如果太强将会致使无法正常接收、解调GPS卫星信号；另一方面，如果把伪卫星放置在距离接收机较远的位置，伪卫星的信号会变得太弱而无法被接收机所接收到。目前最可靠的办法可以采取：码分多址、频分多址和时分多址。原理大致相同，就是将信号的常规属性如频率、周期等进行变换，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混淆。第二，多路径效应。由于伪卫星的位置布设、信号强度、工作环境等均与GPS系统有所差别，它比GPS信号的多路径误差更强、更为复杂也更加难以消除，这是伪卫星技术数据处理阶段要考虑的重要因素，在动态环境中，由于接收机位置的不确定，多路径引起的误差很难加以估计或消除；但是对于伪卫星应用于形变监测类的静态定位中，由于伪卫星和接收机处于相对静止状态，其多路径误差会具有常量的特性，因而相对容易地在数据解算中通过一定的算法估计来削弱、甚至消除多路径误差[2]。

5.国内外发展现状

5.1国外研究现状

美国是最早开始研究GPS局域增强系统的国家，并将这种系统命名为LAAS。1998年，ICAO将LAAS采纳为GBAS的组成部分；2009年9月3日美国Honeywell公司的陆基增强系统通过了CATⅠ类精密进近的系统设计认证。2006年，法国的图卢兹安装了GBAS系统，持续开展飞行试验，验证GBAS性能。西班牙的马拉加机场在2007年安装了Honeywell提供的SLS-3000GBAS地面站。2008年，德国空管局联合柏林航空开发GBAS系统，之后，柏林航空公司于2009年获批运行GBAS系统，这在世界上尚属首次。意大利、日本、韩国及澳大利亚等都已在GBAS领域展开了研究，并进行了相关试验。

5.2国内研究现状

我国在GBAS领域的研究工作也进行了多年，GBAS卫星导航着陆系统已在林芝米林机场、银川机场、包头机场、南充机场、锡林浩特机场、绵阳机场进行了多次试飞试验，取得了良好的效果。2014年，国内首套自主研制的GBAS卫星导航着陆系统在天津滨海国际机场开展安装和试验运行工作。2015年，上海浦东国际机场安装了Honeywell公司生产的SmartPath精准着陆系统，东方航空公司的空客A321和山东航空的波音737完成了演示验证飞行。

结论

简而言之，近些年来卫星导航定位系统应用已经普及，例如美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，以及我国的北斗，这些导航定位系统应用于陆路、航空、航海各个领域，但在飞机进场着陆方面，卫星导航定位系统却并没有广泛应用。本文通过对卫星导航系统存在的问题进行分析，提出解决办法，并对可行性及关键点进行研究[3]。

参考文献

[1]刘君.基于GIS的GBAS着陆系统应用研究与仿真[D].天津：中国民航大学,2018.

[2]王党卫.卫星导航着陆系统现状及发展趋势[J].现代导航,2018,10(5):317-322.

[3]慕阳.GNSS地基增强系统研究及应用综述[J].现代导航,2017,8(4):307-309.