《卫星导航中的差分技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《卫星导航中的差分技术（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4.2 卫星导航中的差分技术 在飞机进近阶段尤其下滑着陆时，在飞机进近阶段尤其下滑着陆时，对定位精度的要求大幅度提高，除非目对定位精度的要求大幅度提高，除非目前的卫星导航系统采用严格意义上的差前的卫星导航系统采用严格意义上的差分定位技术或载波相位测量技术，否则分定位技术或载波相位测量技术，否则无法满足国际民航组织规定的精密进场无法满足国际民航组织规定的精密进场要求。要求。 4.2.1 差分技术的基本概念及工作原理4.2.1.1 差分技术的基本概念 差分是指在一个测量站对两个差分是指在一个测量站对两个目标的观测量、两个测站对一个目目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标标的观
2、测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差，目的的两次观测量之间进行求差，目的在于消除公共项，包括公共误差和在于消除公共项，包括公共误差和公共参数，以便提高观测精度。公共参数，以便提高观测精度。 卫星导航差分系统由基准站、计算中心、通信链路和用户设备组成 基准站计算中心用户设备导航卫星通信链路差分校正的工作原理 卫星导航系统的定位误差从来源上卫星导航系统的定位误差从来源上可分为三个部分：即卫星系统误差，如可分为三个部分：即卫星系统误差，如星钟误差和星历误差；传播误差，包括星钟误差和星历误差；传播误差，包括对流层误差、电离层误差；接收误差，对流层误差、电离层误差；接收误差，如接收机内部噪声
3、、通道延迟和多径效如接收机内部噪声、通道延迟和多径效应等。应等。 4.2.1.3 差分GPS技术 GPS定位是利用一组卫星的星历、卫定位是利用一组卫星的星历、卫星信号发射时间、伪距等观测量来实现星信号发射时间、伪距等观测量来实现的，由于卫星和用户的时钟不完全同步，的，由于卫星和用户的时钟不完全同步，还必须知道用户时钟差。因此，要获得还必须知道用户时钟差。因此，要获得地面或空中目标的三维坐标，必须对地面或空中目标的三维坐标，必须对4颗颗以上卫星的距离或相位进行测量。在这以上卫星的距离或相位进行测量。在这一定位过程中，如何消除或减小误差，一定位过程中，如何消除或减小误差，提高定位精度，满足飞机在各
4、个飞行阶提高定位精度，满足飞机在各个飞行阶段的要求，是段的要求，是GPS应用的重要课题应用的重要课题。 4.2.2 差分技术用于飞机进近和着陆 机场运行的最低标准分为着陆最低标准机场运行的最低标准分为着陆最低标准和起飞最低标准，而进场着陆是飞行中和起飞最低标准，而进场着陆是飞行中最为重要的阶段最为重要的阶段 下滑高度保持进场下滑阶段拉平阶段拉平下滑捕捉进入固定下降速度方式23度飞机的降落过程示意图 差分GPS着陆系统 GPS接收机差分数据接收机GPS接收机数据处理计算机数据处理计算机差分数据发射机航向下滑距离送往仪表机载设备地面设备4.3 卫星导航中的完好性监测 用于航空的导航系统必须满足精确
5、性、完好性、连续性和可用性的要求。建设完好性监测系统的主要根据是：（1）当前的GPS和GLONASS系统完好性不足，即使建立了包括欧洲“伽利略”卫星系统在内的GNSS2系统，“失效”卫星造成大的定位偏差的情况还是不可避免的，因此完好性监测是一个长期的任务。完好性监测（2）在某一时刻的某一区域，用户接收机自身还无法实时地计算出用户的实际位置及卫星的完好性信息。（3）GPS和GLONASS都是为军事目的建立起来的，在使用它们进行导航时，对其运行状况必须时刻密切关注，才能保证对它们的正确利用。通过建立地面增强完好性监测（GAIM）系统，实时监测卫星系统的完好性，提高卫星信号精度，才能使每一个卫星导航
6、应用部门获得可靠的安全保障。 4.3.1 完好性监测的措施及实现4.3.1.1 问题的提出 无论无论GPS作为辅助导航系统还是作为主作为辅助导航系统还是作为主用导航系统，都必须满足一定的精度和用导航系统，都必须满足一定的精度和完好性要求完好性要求。 4.3.1.2 完好性监测的措施与手段目前，已有多种增强目前，已有多种增强GPS系统完好性的系统完好性的方法和途径。从完好性增强的手段上来方法和途径。从完好性增强的手段上来分，可分为内部监测方法和外部监测方分，可分为内部监测方法和外部监测方法两大类。法两大类。 内部监视方法是指不需要外部设备提供内部监视方法是指不需要外部设备提供信息，仅通过飞行器内
7、部设备的监测和信息，仅通过飞行器内部设备的监测和分析，就可以提取出卫星系统的完好性分析，就可以提取出卫星系统的完好性信息，进行卫星故障的检测和排除。信息，进行卫星故障的检测和排除。 外部监视方法是在地面或太空的地球同外部监视方法是在地面或太空的地球同步卫星上设置完好性监测站或站组，通步卫星上设置完好性监测站或站组，通过在站中建立高精度的时间和空间基准，过在站中建立高精度的时间和空间基准，对空间相关的误差（大气中的传播延时对空间相关的误差（大气中的传播延时误差）和空间不相关的误差（卫星的星误差）和空间不相关的误差（卫星的星历误差、星钟误差）进行分离解算，复历误差、星钟误差）进行分离解算，复制完善
8、性信息（如卫星数据中的健康字制完善性信息（如卫星数据中的健康字符等），最后向其覆盖的用户播发。符等），最后向其覆盖的用户播发。 4.3.1.3 完好性监测的具体实现为保证GPS系统满足民用航空导航系统的要求，各国研究了多种增强GPS系统完好性的方法和技术途径。从航路至非精密进近阶段，增强GPS系统完好性的方法通常包括RAIM、GAIM、GPS/惯导组合以及WAAS系统，其中WAAS可达到类精密进近的要求。 4.3.2 欧洲的静地重叠卫星完好性监测方案 欧洲根据其自身的需要，提出建立自己的静地重叠卫星完好性监测系统，以实现对GPS和GLONASS系统的合理应用。欧洲的静地重叠卫星系统的方案基本上
9、由空间段、地面段和用户段三部分组成，而用户段只需在现有GPS/GLONASS用户段的基础上稍作修改即可。 地面段由许多分布在整个广播区域内的基准完好性监测站（RIMS）组成，每个RIMS站具有下面一种或几种功能： （1）“监监测测功功能能”：用用于于监监视视可可见见范范围围内内卫卫星星（GPS、GLONASS、重重叠叠卫卫星星星星座座的的一部分）的数据广播；一部分）的数据广播；（2）“电电离离层层延延时时评评估估功功能能”： 通通过过接接收收GPS卫卫星星信信号号的的两两个个工工作作频频率率（L1和和L2），评评估估不不同同卫卫星星发发送送的的信信号号因因电电离离层层干干扰扰而而造造成的传播延
10、时；成的传播延时；（3）“完好性检测功能完好性检测功能”：用于监测整个：用于监测整个广播区域的各个点上，由静地重叠卫星系统广播区域的各个点上，由静地重叠卫星系统计算并播发的差分改正数据的完好性。计算并播发的差分改正数据的完好性。 4.3.3 中国民航GNSS完好性监测方案根据国际已发展的各种增强根据国际已发展的各种增强GPS系统完系统完好性的技术，有两种措施比较适合中国好性的技术，有两种措施比较适合中国国情。一种是接收机自主完好性监视，国情。一种是接收机自主完好性监视，也称为也称为RAIM；另一种是；另一种是GPS系统完好性系统完好性通道。两种措施结合能较好地满足中国通道。两种措施结合能较好地
11、满足中国民航用民航用GPS系统作为辅助航空导航系统系统作为辅助航空导航系统的要求。的要求。 4.3.3.1 GPS卫星完好性地面监测系统采采用用GAIM技技术术的的卫卫星星完完好好性性监监测测系系统统包包括括地地面面监监测测网网、主主控控站站、机机场场差差分分台台、导导航航地地空空数数据据通通信信链链、机机载载航航路路导导航航台台以以及及机机载载多多模模式式接接收收机机（MMR）和和处处理理单单元元等等，如如图图4.36所所示示。系系统统的的基基本本功功能能包包括括利利用用地地面面监监测测站站获获得得卫卫星星的的完完好好性性信信息息和和差差分分校校正正信信息息；实实现现监监测测数数据据的的实实
12、时时发发送送；飞飞机机能能够够及及时时利利用用差差分分校校正正信信息息提提高高定定位位精精度度，利利用用卫卫星星完完好好性性信信息息剔剔除除不不可可用用卫卫星星。系系统统的的目目标标是是在在GPS接接收收机机RAIM和和GAIM系系统统的的共共同同增增强强下下，使使GPS系系统统在在边边远远地地区区达达到到主主要要导导航航/监监视视系系统统的的性性能能要要求求，在在航航路路、终终端端区区达达到到辅辅助导航助导航/监视系统的性能要求监视系统的性能要求。4.3.3.2 导航地空数据链路导航地空数据链负责接收主控站传送来的卫星导航地空数据链负责接收主控站传送来的卫星完好性信息和机场差分站送来的差分信
13、息，将完好性信息和机场差分站送来的差分信息，将它们处理后按一定的格式打包发送到飞机上的它们处理后按一定的格式打包发送到飞机上的机载多模式接收机。可采用广播式甚高频数据机载多模式接收机。可采用广播式甚高频数据链，选用链，选用ILS和和VOR使用的导航频段（使用的导航频段（108117.975MHz），频率间隔为），频率间隔为25KHz；调制方式；调制方式为为TDMA D8PSK（差分（差分8进制相移键控），传进制相移键控），传输速率为输速率为31.5Kbit/s；修正信息每；修正信息每1秒钟广播秒钟广播1次次。 4.3.3.3 机载GPS卫星完好性信息接收单元 目前，常用的机载目前，常用的机载G
14、PS完好性信息接收完好性信息接收单元是单元是MMR。MMR是一种高集成度、是一种高集成度、多功能的航空电子导航设备，它可以集多功能的航空电子导航设备，它可以集ILS、MLS、GNSS接收接收/ /处理和处理和GLS（卫星着陆系统）等功能模块于一体，（卫星着陆系统）等功能模块于一体，主要实现飞机在各种机场条件下的着陆主要实现飞机在各种机场条件下的着陆功能，但也可用于航路导航。功能，但也可用于航路导航。 4.3.3.4 中国民航GNSS完好性监测试验工程 GRIM法是在本地域设置若干个监测站，法是在本地域设置若干个监测站，保证在关心的区域监视卫星健康状况，保证在关心的区域监视卫星健康状况，各监测站
15、通过平面通信网络联接起来将各监测站通过平面通信网络联接起来将监视信息送到主控站处理形成监视信息送到主控站处理形成GPS卫星卫星完好性信息，再通过地空通信网络送到完好性信息，再通过地空通信网络送到机载机载GPS接收机。接收机。 4.4 卫星导航增强系统 GPS系统自运行以来，在世界大范围内得到了广泛应系统自运行以来，在世界大范围内得到了广泛应用，然而长期以来，其完好性、可靠性、导航精度等用，然而长期以来，其完好性、可靠性、导航精度等一直难以满足航空用户将其作为主用导航系统的性能一直难以满足航空用户将其作为主用导航系统的性能要求，卫星导航增强系统的建立和使用，正是针对这要求，卫星导航增强系统的建立
16、和使用，正是针对这一问题对一问题对GPS系统进行的改进措施。卫星增强系统除系统进行的改进措施。卫星增强系统除了提供对伪距和电离层广域差分的校正之外，同时提了提供对伪距和电离层广域差分的校正之外，同时提供了供了GPS系统的完好性信息，比普通的广域差分系统系统的完好性信息，比普通的广域差分系统具有更好的实用价值。增强系统网络的建设，不仅可具有更好的实用价值。增强系统网络的建设，不仅可为航空等领域提供高质量的导航服务，实现全球范围为航空等领域提供高质量的导航服务，实现全球范围的无缝导航服务，同时各参考站数据还可作为数据资的无缝导航服务，同时各参考站数据还可作为数据资源用于科学研究、大地测量、工程建设
17、等诸多方面，源用于科学研究、大地测量、工程建设等诸多方面，提高了它的附加价值。提高了它的附加价值。 4.4.1 地基增强系统在在GBAS中，用户接收到的增强信息来自中，用户接收到的增强信息来自地基发射机。地基发射机。GBAS由由GNSS卫星子系统、卫星子系统、地面子系统和机载子系统组成地面子系统和机载子系统组成 4.4.2 星基增强系统 在在SBAS中，用户接收的增强信息来自星中，用户接收的增强信息来自星基发射机。基发射机。SBAS由地面监测站、主控站、由地面监测站、主控站、地面地球站（地面地球站（GES）及同步轨道通讯卫）及同步轨道通讯卫星组成。系统以辅助的同步轨道通信卫星组成。系统以辅助的
18、同步轨道通信卫星，向星，向GNSS用户广播导航卫星的完好性用户广播导航卫星的完好性和差分修正信息。和差分修正信息。4.4.3 空基增强系统ABAS综合了综合了GNSS信息和机载设备信息，信息和机载设备信息，从而确保导航信号完好性的要求。它的从而确保导航信号完好性的要求。它的应用包括接收机自主完好性监测应用包括接收机自主完好性监测（RAIM）、飞机自主完好性监测）、飞机自主完好性监测（AAIM）、全球定位系统）、全球定位系统/惯性导航系惯性导航系统（统（GPS/INS）等。宗旨是保证定位精）等。宗旨是保证定位精度，实现对卫星工作状态的监控，确保度，实现对卫星工作状态的监控，确保使用健康的卫星进行
19、定位。使用健康的卫星进行定位。 4.4.4 陆基区域增强系统澳大利亚根据其独特的地理位置和地域澳大利亚根据其独特的地理位置和地域辽阔的特点，提出了一种星基和地基混辽阔的特点，提出了一种星基和地基混合的地区增强系统合的地区增强系统GRAS的概念。澳的概念。澳大利亚建设大利亚建设GRAS的基本要求为：首先，的基本要求为：首先，它必须与它必须与ICAO的标准兼容；其次，它提的标准兼容；其次，它提供的服务必须等效于或优于现有的地基供的服务必须等效于或优于现有的地基导航系统，第三，在澳大利亚空域要支导航系统，第三，在澳大利亚空域要支持航路和非精密进近导航，成本与地基持航路和非精密进近导航，成本与地基导航
20、系统的相当或更低。导航系统的相当或更低。 4.5 GNSS在空管导航中的应用与发展 按航路类型或飞行阶段划分，按航路类型或飞行阶段划分，GPS在航在航空导航中的应用涉及到洋区空域航路、空导航中的应用涉及到洋区空域航路、内陆空域航路、终端区导引、进场内陆空域航路、终端区导引、进场/着陆、着陆、场面监视和管理、特殊区域导航（如农场面监视和管理、特殊区域导航（如农业、林业）等。业、林业）等。 不同的航路段和不同的不同的航路段和不同的应用场合对导航系统的精度、完好性、应用场合对导航系统的精度、完好性、可用性、服务连续性的要求不尽相同，可用性、服务连续性的要求不尽相同，但都要保证飞机飞行安全和有效利用空
21、但都要保证飞机飞行安全和有效利用空域。域。 4.5.1 GNSS在空管导航中的应用4.5.1.1 航路导航航路主要指洋区和大陆空域航路。目前，航路主要指洋区和大陆空域航路。目前，GPS的接收机的接收机RAIM技术能满足洋区航路技术能满足洋区航路对对GPS的导航精度、完善性和可用性的的导航精度、完善性和可用性的要求，精度能满足大陆空域航路的要求；要求，精度能满足大陆空域航路的要求；GPS的广域增强系统能满足大陆空域航的广域增强系统能满足大陆空域航路的精度、完善性和可用性的要求。路的精度、完善性和可用性的要求。 4.5.1.2 进场与着陆包包括括非非精精密密进进场场/着着陆陆和和CATI、II、I
22、II类类精精密密进进场场/着着陆陆。GPS及及其其广广域域增增强强系系统统完完全全满满足足非非精精密密进进场场/着着陆陆对对精精度度、完完好好性性和和可可用用性性的的要要求求；采采用用局局域域伪伪距距差差分分/增增强强技技术术，能能满满足足CATI、II类类精精密密进进场场的的要要求求。目目前前实实验验表表明明，采采用用载载波波相相位位差差分分技技术术，精精度度可可达达到到 CATIIIB类类的的要要求求。可可以以肯肯定定，各各种种增增强强和和组组合合系系统统（如如LAAS、WAAS、GPS/INS等等）将最终取代仪表着陆，而成为进场将最终取代仪表着陆，而成为进场/着陆的主要手段。着陆的主要手
23、段。由于由于GPS着陆系统设备简单、无需复杂的地面支持着陆系统设备简单、无需复杂的地面支持系统，它将适合于任何机场，包括私人机场和山区系统，它将适合于任何机场，包括私人机场和山区机场。理论上，机场。理论上，GPS着陆系统可以引导飞机沿任意着陆系统可以引导飞机沿任意一条飞行剖面和进场路径着陆，这就增强了各种机一条飞行剖面和进场路径着陆，这就增强了各种机场着陆的灵活性和盲降能力。场着陆的灵活性和盲降能力。 4.5.1.3 航路监视、场面监视和管理 目前的航路监视是一种非相关监视系统，主要是利用目前的航路监视是一种非相关监视系统，主要是利用各种雷达系统，可以和机载导航系统互成备份。但这各种雷达系统，
24、可以和机载导航系统互成备份。但这种监视系统的地面和机载设备复杂、价格高，监视精种监视系统的地面和机载设备复杂、价格高，监视精度随距离而变化，作用距离有限，不可能实现全球覆度随距离而变化，作用距离有限，不可能实现全球覆盖和全球无间隙监视。盖和全球无间隙监视。GPS和航空移动卫星系统的出和航空移动卫星系统的出现现 ，将改变这种传统的监视方法，将改变这种传统的监视方法， ADS，即机载，即机载GPS导航系统通过通信自动报告自己的位置已经提出，目导航系统通过通信自动报告自己的位置已经提出，目前的演示和实验已经证明，前的演示和实验已经证明，ADS为飞行各阶段的监视为飞行各阶段的监视都会带来益处，特别是为
25、洋区和内陆边远地区的空域都会带来益处，特别是为洋区和内陆边远地区的空域实现自动监视业务提供了可能，将有效地减轻飞行员实现自动监视业务提供了可能，将有效地减轻飞行员/管制人员的工作负担，同时也增加了管制人员的工作负担，同时也增加了ATM的灵活性的灵活性。 4.5.1.4 区域导航 RNAV允许飞机在台基导航设备的基准台覆盖范围内或在自主导航设备能力限度内，或两者配合下按任何希望的飞行路径飞行。区域导航可应用于永久性的固定航路、短期性的偶用航路、随机航路和终端区航路，它的特点是可以完全脱离地面导航台的束缚，航线结构由一系列自定义的航路点连线组成，通过定出飞机在地球上的绝对位置，而编排出短捷的和希望
26、的飞行路径。 4.5.1.5 所需导航性能 所需导航性能是在新航行系统的条件下所需导航性能是在新航行系统的条件下产生的新概念，由产生的新概念，由FANS在在1992年向年向ICAO提出，提出，1994年经年经ICAO批准并颁布批准并颁布了了RNP手册，它是手册，它是RXP中的重要部分，中的重要部分，并是目前唯一确切定义的概念，其中并是目前唯一确切定义的概念，其中X为为C（通信）、（通信）、N（导航）、（导航）、S（监视）、（监视）、ATM（空中交通管理）的一种。（空中交通管理）的一种。 4.5.1.6 其它应用在新机型、新机载设备、机载武器系统在新机型、新机载设备、机载武器系统或地面服务系统的
27、设计、定型、测试和或地面服务系统的设计、定型、测试和飞行试验中，飞行试验中， 基于基于DGPS的飞行状态参的飞行状态参数测量系统，可作为基准或可比较的辅数测量系统，可作为基准或可比较的辅助设备，将使飞行试验、数据处理和飞助设备，将使飞行试验、数据处理和飞行测试变得简单，并且节省开支。行测试变得简单，并且节省开支。 4.5.2 GNSS在空管导航中的发展 卫星导航系统以其实时、高精度等特性卫星导航系统以其实时、高精度等特性使飞机在飞行过程中能够连续、准确地使飞机在飞行过程中能够连续、准确地定位，从而使飞机容易实现任意两点间定位，从而使飞机容易实现任意两点间的直线飞行，而且可以灵活地选择一条的直线飞行，而且可以灵活地选择一条短捷航路。飞行航路不再受地面建台与短捷航路。飞行航路不再受地面建台与否的限制，实现了真正意义上的航路设否的限制，实现了真正意义上的航路设计的任意性，充分体现了随机导航的思计的任意性，充分体现了随机导航的思想。想。
