GPS与卫星导航：提高空中交通效能

欧盟的 Galileo便是新建的全球导航系统，它与GPS配合起来，可以大大提高导航卫星的可用性，使单一的GPS 市区可用性从 55%提高到 GPS 和 Galileo 共用时的95%。GPS 技术建立广域增强系统（WAAS）逐步代替原先的微波着陆仪表着陆系统（ILS），美国的WAAS系统计划在 2003 年下半年运营，地面改正数据可以通过近地卫星转发给飞机。

在民用航空领域，中国的导航方式主要依赖地面导航基站，主要由全向信标设备和测距仪设备组成。该设备技术原理复杂，设计工艺要求高，目前国内还无厂家可以制造出来，主要来源依赖于进口，其造价成本极高。以国内南北航路为例，其长度达几千千米，每 300 km 需要一个导航台站，每个台站都必须配备两套导航设备，外加机房建设，人员管理等，其费用开支极高，给我国民用航空的发展带来了极大的限制。所以，卫星导航系统在民用航空领域方面的应用在全球有着很大的市场，对经济甚至世界文明的发展有着非常大的意义。

尽管从纯技术革新和进步的意义上讲，第一代TRANSIT 卫星导航系统开创了导航技术的新纪元。但TRANSIT 并未在航空导航领域得到应用，卫星导航技术真正用于航空导航可以说是始于GPS系统。20世纪70年代初期，当GPS计划正在酝酿和方案论证阶段，有人就提出用有限的GPS卫星和高度表组合实现飞机导航、进场和起飞，并进行了大量的仿真研究。80年代初，即1983年，在当时仅有5颗GPS卫星的情况下，ROCKWELL的商用飞机SABRELINER（军刀）就载着《航空周刊和空间技术》的公正观测员和几名客人，从美国的艾奥瓦州首航大西洋到达法国的巴黎，其导航系统使用一台单通道双频军用GPS接收机和一台单通道单频民用 GPS接收机进行全程 GPS导航，中途有四次着陆主要是为了等待GPS卫星信号。这次GPS导航是成功的，但FAA的官员对于利用GPS进行航空导航仍持保留态度和疑虑，这些疑虑主要表现在以下几方面：

（1）选择可用性问题。

（2）5颗卫星覆盖的连续性和可用性问题。

（3）完善性问题。

（4）费用（包括用户系统价格和GPS收费）。

选择可用性影响GPS导航系统的精度、完善性、可用性和服务连续性，影响GPS用于航空导航的可靠性和航行安全，而用户GPS导航系统和设备的价格以及GPS的收费标准直接关系到用户的承受能力。20世纪80年代后期至今，GPS用户设备价格逐年下降，体积也越来越小；各种增强技术、差分技术和组合技术日趋成熟，GLONASS也完全安装并投入使用，这些都为GPS在航空导航中的应用带来了广阔的前景。

6.1.1 GPS和广域增强系统能满足空域航路精度、完善性和可用性的要求

GPS的精度远优于现有任何航路用导航系统，这种精度的提高和连续性服务的改善有助于有效利用空域，实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量管理以及飞行路径管理，为空中运输服务开辟了广阔的应用前景，同时也降低了营运成本，保证了空中交通管制的灵活性。GPS的全球、全天候、无误差积累的特点，更是中、远程航线上目前最好的导航系统。按照国际民航组织的部署，GPS将逐渐替代现有的其他无线电导航系统。GPS不依赖于地面设备、可与机载计算机等其他设备一起进行航路规划和航路突防，为军用飞机的导航增加了许多灵活性。

6.1.2 进场/着陆(www.xing528.com)

包括非精密进场/着陆，CAT-1、CAT-2、CAT-3类精密进场/着陆。GPS 及其广域增强系统完全满足非精密进场/着陆对精度、完善性和可用性的要求；再用局域伪距差分技术/系统增强，能满足CAT-1、CAT-2类精密进场的要求。目前实验表明，采用载波相位差分技术，精度可达到 CAI-3b 类的要求。可以肯定，各种增强和组合系统（如LAAS、WAAS、INS等）与GPS将成为进场/着陆的主要手段，仪表着陆将最终被取代。由于GPS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机场。理论上，GPS着陆系统可以引导飞机沿着任意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。

6.1.3 场面监视和管理

包括终端飞行管理和机场场面监视/管理。场面监视和管理的目的就是要减少起飞和进场滞留时间，监视和调度机场的飞机和人员，最大效率地利用终端空间和机场，以保证飞行安全。GPS、数字地图和数字通信链为开发先进的场面导航、通信和监视系统提供了全新的技术，可以确信基于 GPS/数字地图的场面监视和管理将为机场带来很大效益。利用基于卫星的通信、导航和监视手段，可以对运行航空器进行实时监视，便于空中交通管制员（ATC）和航空公司运行控制中心（AOC）随时掌握航空器飞行动态，包括在境外飞行的航空器。这有利于合理实施空域管理和流量管理，改善运行经济性，提高航班正点率。

6.1.4 航路监视

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。但这种监视系统的地面设备和机载设备复杂，价格高，监视精度随距离而变化，作用距离有限，不可能实现全球覆盖和全球无间隙监视。GPS和航空移动卫星系统的出现，将改变这种传统的监视方法，机载GPS导航系统通过通信自动报告自己的位置这种自动相关监视系统ADS将被取代。

中国民航PBN规划对“北斗”建设的建议：ICAO在2007年9月第36届大会上，正式要求各缔约成员国，2009年底前必须制定完成PBN（Performance Based Navigation）实施规划，2016年完成全部实施工作，以全球协调一致的方式从传统飞行模式过渡到PBN飞行模式。PBN即“基于性能导航”概念，两个关键要素是区域导航（RNAV）和所需导航性能（RNP）概念。根据ICAO 《PERFORMANCE BASED NAVIGATIONMANUAL》的定义，PBN规定了RNAV系统在沿ATS航路、空域飞行时的性能要求。性能要求以在特定空域运行时所需要的精度、完好性、连续性、可用性和功能来定义。中国民航局根据ICAO对PBN规划，专门成立了“中国民航PBN路线图”制定小组，计划于2009年6月向国际民航组织提交PBN实施规划。美国FAA于2006年 6 月已完成《 Roadmap for Performance-Based Navigation》的制定工作，日本 JCAB 于 2007 年完成《RNAV Roadmap》的制定工作。

中国民航对 PBN 规划，初步设想分为近期（2009—2012年）、中期（2013—2016年）和远期（2017—2025年）三个阶段。迄今为止，我国在南中国海和西部地区划设了RNP10和RNP4标准的区域导航航路，在天津、北京、广州实施了RNAV飞行程序，在拉萨、林芝、九寨、丽江试验和实施了RNP飞行程序，特别是林芝机场，有效解决了地基传统导航台无法实现终端区导航的问题。PBN 是国际民航组织在整合各国运行实践和运行标准的基础上提出的一种新型运行概念，代表了从基于传感器导航到基于性能导航的转变。它的应用和推广将是飞行运行方式的重大变革，对中国民航的飞行运行、机载设备、机场建设、导航设施布局和空域使用产生重大影响，对有效促进行业安全、提高飞行品质和减少地面设施投入具有积极作用。

为了加强我国自主导航系统的影响力，提升我国卫星导航服务整体水平，使“北斗”二代导航卫星系统能更好地满足我国民航 PBN 运行的需要，参考中国民航在使用其他卫星导航系统中积累的经验，建议“北斗”（Compass）系统在建设中考虑以下几个方面的问题：加强研究单位和民航局之间的沟通和协调，民航局愿意与相关研究部门分享卫星导航的使用经验。借助“大飞机”研制计划，民航局可以为“北斗”卫星的研究工作提供相应的验证平台和试验环境。在建设中考虑民航运输业对卫星导航系统高性能的需求，分阶段逐步实现和完善相应的功能，使Compass系统定位精度、尤其是垂直精度满足特殊机场 RNP 进近的需要，提高系统完好性、可用性和连续性。图6-1-1为北斗卫星导航系统。

图6-1-1 北斗卫星导航系统