1 、前言
全球導航衛星系統（GNSS）作為未來民用航空運行的主要導航源，已經進入了快速發展和應用階段。GNSS包含了四大核心星座，有美國的GPS、中國的北斗衛星導航系統、俄羅斯的GLONASS和歐洲的GALILEO，以及相關增強系統。其中，增強系統是為提升民航運行的完好性，滿足民航應用安全需求而產生的衛星導航增強技術的具體實現。三種典型的增強技術包括空基增強系統（ABAS）技術、地基增強系統（GBAS）技術和星基增強系統（SBAS）技術，本文將重點介紹上述三者在民用航空中的應用，以及對于北斗衛星導航系統的增強技術研究。
2、 空基增強系統（ABAS）技術
2.1 接收機自主完好性監測（RAIM）技術原理及應用
典型的ABAS技術包括接收機自主完好性監測（RAIM）和機載自主完好性監測技術（AAIM）。前者使用接收機的冗余觀測信息進行完好性監測，后者與慣性導航、氣壓高度表/無線電高度表等組合進行完好性監測和性能改善。RAIM是保證完好性的重要手段之一，它是由飛機上的接收機自主執行的故障檢測。RAIM比較每顆GNSS衛星測量值與其他可用衛星測量值的一致性，以此方式在當前可用衛星集中檢測故障衛星。RAIM被用于航路和終端區飛行階段的輔助導航，并支持進近階段的水平導航，目前RAIM無法支持垂直導航。
2.2 ARAIM技術發展
為打破這種限制，美國聯邦航空局（FAA）利用多頻多系統的有利條件，在RAIM的基礎上提出了先進接收機自主完好性監測（ARAIM）的概念，即基于多頻多星座的導航源，結合地面監測站提供的完好性支持電文（ISM），能夠為用戶實現垂直導航性能*LPV-200（*見備注，后同）的傳統RAIM的升級。
在GPS-Galileo合作協議框架下，美國和歐洲于2010年成立了ARAIM技術工作組（ARAIM SG），其主要目標是設計ARAIM結構，使其在全球范圍內支持LPV-200。目前SBAS能滿足LPV-200的性能需求，全球LVP-200的覆蓋范圍僅為7.54%，主要為歐美地區，我國全境目前并未實現LPV-200性能。與SBAS相比，ARAIM運行成本更低而覆蓋范圍更廣，未來有望在全球范圍實現LPV-200性能。
FAA全球衛星導航系統項目辦公室組織并建立的GNSS進化結構研究（GEAS）小組，以及歐盟-美國合作協議框架下的工作組C（WG-C），致力于ARAIM的研究，并先后發表了四個階段性研究報告，確定了ARAIM的基本概念、用戶算法、性能評估算法、體系結構等。2015年2月，WG-C ARAIM 技術小組發布了“歐盟-美國合作衛星導航第二階段報告”，該報告提出了ARAIM三種結構：水平ARAIM、線下ARAIM、線上ARAIM。其中水平ARAIM能提供類似于RAIM的水平導航功能，但其在精度、完好性、可用性方面均顯著提高；線下和線上ARAIM結構能夠在全球范圍內提供垂直導航性能。ARAIM基本結構如圖1所示。
圖1 ARAIM基本結構
建議我國根據實際國情，基于自主建設的地基區域完好性監測系統（GRIMS）作為ARAIM系統的地面監測站網絡，開發基于BDS/GPS的區域ARAIM系統，以實現我國境內LPV-200的覆蓋。
2.3ABAS應用所存在問題
由于我國航空工業比較落后，大部分民航飛機和機載設備均為進口。隨著BDS區域系統的民航應用和全球系統的建設，如何將ABAS技術應用于機載，實現“北斗上飛機”，急需國際民航組織和國際工業屆權威標準的支持。因此，對于ABAS在我國應用與推廣，標準研究和編制是亟需解決的核心問題。
3、地基增強系統（GBAS）技術.
3.1GBAS技術原理
GBAS對全球衛星導航系統（GNSS）進行差分校正和完好性監測，以提供安裝機場周邊大約23海里半徑范圍內的導航和精密進近服務。GBAS具有極高的精度、可用性和完好性，能夠滿足I類，未來甚至是II/III類精密進近的需求，其精度在水平和垂直方向均小于1米。使用GBAS的目的在于替代儀表著陸系統（ILS）以支持全范圍的進近和著陸運行。目前，現存標準的GBAS能夠提供C類GBAS進近服務（GAST-C，對應于I類精密進近）。滿足II/III類精密進近的GAST-D的技術正在研究驗證過程中，技術標準最早有望在2018年完成。
以GPS衛星導航系統為例，GBAS地面設備通常由位于機場的3根以上的GPS天線、中央處理系統和甚高頻數據廣播（VDB）裝置組成。GBAS機載設備包括GPS天線、VDB天線和相關的處理設備。GBAS地面設備通過VDB數據鏈向機載用戶提供GPS校正、完好性和進近路徑信息。GBAS系統結構如圖2所示。
現階段民航飛行所依賴的GPS僅具備單頻提供服務能力， SBAS和GBAS性能提升都面臨單頻模式下電離層異常情況處理的瓶頸問題，雙頻多系統將是較為穩妥解決方案。隨著北斗衛星導航系統區域系統的民航應用推廣和全球系統的建設，我國需加快包含北斗系統在內的多星座GBAS地面系統審定和驗證工作，加速ABAS機載設備研制和適航工作，盡快開始北斗SBAS建設工作。
GBAS地面數據處理設備首先利用每個參考接收機的測量值計算可見衛星的差分校正值，并實時監測空間信號和地面站的故障。然后生成衛星導航系統和GBAS自身的校正值和完好性信息電文。最后通過VDB將上述電文發送給機載用戶。其具體流程如圖3所示。
圖3 GBAS處理流程
3.2GBAS技術優勢
傳統儀表著陸系統面臨著諸如下滑道、降雪、因維護的關閉、VHF干擾以及多徑等諸多限制。而GBAS作為對衛星導航系統有關生命安全的增強，提供了更高等級的服務，能夠支持I類和II/III類精密進近，并實現在其工作范圍內從進近、著陸、離場到場面運行的全覆蓋。其具體的效益包括： GBAS可以為避開障礙物、噪音敏感區域或擁擠空域而優化設計進近路線；一套GBAS可以服務整個機場區域，從而減少設備的建設和維護費用等。因此，在從傳統導航向基于性能的導航（PBN）演變的過程中，GBAS以其高精度、高可用性和低成本的特點，必將發揮重要的作用。
3.3 GBAS技術國內外應用現狀
截至2014年4月29日，美國已有14個機場安裝了Honeywell的SLS-4000型GBAS設備。其中，紐瓦克國際機場和休斯頓喬治布什洲際機場的GBAS設備先后獲得FAA的運行許可。美國聯合航空的波音737和787飛機正在使用上述機場的GBAS系統。此外，德國不萊梅的GBAS站也獲得了I類精密進近的運行許可，位于澳大利亞悉尼和西班牙馬拉加的GBAS站正在獲取運行許可的過程中。德國法蘭克福、瑞士蘇黎世、印度金奈和南大西洋的圣赫勒拿島的GBAS也在建設當中。
我國也在積極應用和發展GBAS系統。美國霍尼韋爾（Honeywell）公司的SLS-4000型GBAS設備已安裝在上海浦東機場，于2015年3月20日利用空客A321在浦東機場進行了地基增強著陸系統（GLS）的演示驗證。
2015年4月26日到29日，中國電子科技集團第二十研究所和北京航空航天大學共同研制的GBAS衛星導航著陸系統，在天津濱海國際機場開展了演示驗證實驗，不僅驗證了支持現有基于GPS 的GBAS著陸引導能力，還實際驗證了基于北斗（BDS）的GBAS著陸引導能力，得到了科技部和民航局領導專家的一致認可。
3.4 GBAS應用所存在問題
GBAS在我國的應用推廣尚存在以下三方面的問題。
一是電離層異常監測。美國于2000年首次發現了電離層異常情況，經過多年觀測和研究，提出了部分電離層異常模型。但這些模型是基于處于中緯地區的北美電離層異常數據建立的，對于其他緯度區域或者同緯度不同經度區域，未必適用。因此，在我國應用GBAS，對電離層異常的監測和研究必不可少。
二是頻率資源申請。GBAS通過VDB向覆蓋范圍內的用戶廣播差分校正信息和完好性信息。由于我國航空無線電頻率資源分配緊張，在不減少傳統導航設施建設部署的情況下，很難為GBAS協調合適的頻率資源，從而給GBAS的推廣應用帶來困難。
三是射頻干擾抑制。射頻干擾是GBAS面臨的另一個重要問題。2009年11月23日在美國紐瓦克國際機場安裝測試的GBAS設備被干擾源干擾，造成參考接收機衛星跟蹤中斷，類似的射頻干擾事件時有發生。因此在民航應用當中，GBAS需具備高性能的抗干擾能力，以保障運行安全。
4、 星基增強系統（SBAS）技術
4.1SBAS技術原理
SBAS的工作原理如圖4所示，首先由大量分布廣泛的差分站（位置已知）對導航衛星進行監測，獲得原始定位數據（偽距、衛星播發的相位等）并送至中央處理設施（主控站），主控站通過計算得到各衛星的各種定位修正信息，通過上行注入站發給GEO衛星，最后將修正信息播發給廣大用戶,從而達到提高定位精度的目的。簡言之，通過地球靜止軌道（GEO）衛星搭載衛星導航增強信號轉發器，該系統向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現對于原有衛星導航系統定位精度的改進。
圖4 SBAS工作原理
4.2SBAS技術優勢
SBAS系統能為民用航空提供花費更低、可用性更高的導航功能，為航空領域帶來巨大的經濟和社會效益。首先，通過減少通信和雷達導引，降低了空管人員的工作負擔，并且能為帶有衛星導航接收機的民用飛機提供精密進場與著陸服務；其次，減小飛行時間和距離，可以節省燃料，降低飛行階段的運行成本；最后，可以進一步降低機場噪聲的影響。通過高精度定位，飛機可以按預定的航線重復飛行，這些預定航線可嘗試規避城市和社區的上空，這樣就降低了飛機飛行噪聲對周邊社區居民的影響。鑒于上述種種效益，各航天大國競相發展SBAS系統。目前，全球已經建立起了多個SBAS系統，如美國的WAAS、歐洲的EGNOS、日本的MSAS、俄羅斯的SDCM、加拿大的CWAAS以及印度的GAGAN，各SBAS系統全球分布見圖5。下面以WAAS和EGNOS為例簡要闡述SBAS系統所帶來的巨大效益。
4.3SBAS技術國內外應用現狀
WAAS于2003年投入試運行，后在阿拉斯加、加拿大以及墨西哥增設的參考站，極大提高了WASS系統的健壯性，大范圍地提高了GPS的精度、完好性、連續性和可用性，主要為美國民用航空服務。
截止2015年1月，目前美國及加拿大具備WAAS能力的飛機場已經達1700多個。其中1055個機場公布了*LPV（*見備注，后同）的飛行程序，480個機場頒布了LPV-200的飛行程序。該系統的發展擺脫了飛機對地面系統的依賴，從而有效減少了飛行運營成本，據悉美國聯邦航空局已經在考慮逐步取代VOR及ILS等地基導航輔助系統。此外，在農業、漁業及測繪領域，WASS系統也得到了廣泛應用。
EGNOS于2003年開始進入試運行狀態，并在全球進行了測試。2009年9月，歐洲EGNOS系統正式啟用。EGNOS公開服務的定位精度在歐洲中心地區其水平和垂直方向分別可達1m，個別地區水平為3m和垂直為4m。EGNOS系統極大促進了歐洲航空業的發展。
截止2015年3月，目前歐洲具備EGNOS能力的飛機場已經超過了130個，以法國（62個）和德國（11個）為主。其中102個機場頒布了LPV的飛行程序，33個機場達頒布了*APV II（*見備注，后同）的飛行程序。ESSP（歐洲衛星服務提供者）已在考慮結合EGNOS系統和PBN技術，為區域導航以及缺乏地基增強系統的邊遠地區導航提供助力。另外，以EGNOS系統為核心設立了多個項目：支撐APVII進近程序的SHERPA計劃；為“公開服務”和“商業服務”階段提供運營和維護的GSC OPS&HSP計劃；處理“全球導航衛星系統服務中心基礎設施”設置的GSC INF計劃等等。
目前我國也正在論證和籌備北斗SBAS的建設。根據我國代表團在2015年4月1日至3日歐空局（ESA）組織召開的第28屆兼容互操作工作組（IWG）會議發言，北斗SBAS將向中國及其周邊地區提供單頻星基增強服務和雙頻多星座星基增強服務，預期的服務等級為*CAT-I（*見備注，后同）。我國現正開展雙頻多星座（DFMC）SBAS的設計；2018年將發射具備SBAS能力的GEO衛星；2020年將在亞太地區提供初始的DFMCSBAS服務；2025年左右將提供正式的SBAS服務。
4.4SBAS應用所存在問題
如前文所述，各航空大國和地區都在升級和建設SBAS，對于系統運營方，如何實現多個SBAS之間的兼容與互操作；對于機載用戶，如何選擇GEO衛星播發的SBAS信息，利用多個SBAS的信息融合，實現無縫的高精度導航，是未來SBAS應用中可能存在的問題。
5、三種增強技術在航行各階段的應用支持
衛星導航增強系統的發展支撐了航行各階段的應用，如下表所示。表中黃色區域的GPS隱含了ABAS，因為航空型接收機的標配具有RAIM功能，紫色區域指有SBAS時可支持的導航和監視性能，藍色區域指有GBAS時系統可支持的導航和監視性能。
飛行技術誤差是影響整個系統精度的主要因素，系統精度由運行需求進行說明。定位精度可以忽略；
RNP AR限值由整個系統的需求決定；典型值已得到驗證。
表中的縮略語：非獨立平行進近(DPA)，獨立平行進近(IPA)，監視完好性水平(SIL)，導航完好性等級(NIC)，用于定位的導航精度等級(NACp)。
6、結語
本文從原理、技術優勢、應用存在問題等方面詳細分析了ABAS、GBAS和SBAS技術。從主要應用方式角度看，ABAS貫穿航行始終，SBAS重點保障到NPA階段，GBAS則主要用于進近階段。在實際應用中，三種增強系統相結合，能提供更大安全保障。例如，SBAS大范圍的格網電離層監測可為GBAS提供預警；進近階段，GBAS不滿足CAT I性能時，機載設備需切換到ABAS運行。
現階段民航飛行所依賴的GPS僅具備單頻提供服務能力， SBAS和GBAS性能提升都面臨單頻模式下電離層異常情況處理的瓶頸問題，雙頻多系統將是較為穩妥解決方案。隨著北斗衛星導航系統區域系統的民航應用推廣和全球系統的建設，我國需加快包含北斗系統在內的多星座GBAS地面系統審定和驗證工作，加速ABAS機載設備研制和適航工作，盡快開始北斗SBAS建設工作。
備注：
文中提到的NPA等術語為航行各階段的運行指標，按照其性能等級由低到高排序為：NPA —> APV I—> LPV—> LPV-200—> APV II—> CAT I—> CAT II—> CAT IIIa—> CAT IIIb。
其中，APV I、LPV、LPV-200、APV II都是由于星基增強系統出現才提出運行指標定義。
LPV為低至350英尺高度的具備水平和垂直引導精密進近程序（定位精度，水平：16m，垂直：20m；告警限，水平：40m，垂直：50m；完好性風險：1-2 × 10-7/ 每次進近；告警時間：10s）；
LPV-200為低至200英尺高度的具備水平和垂直引導精密進近程序，垂向精度等同于儀表著陸系統（ILS）提供CAT I精密進近服務的能力（定位精度，水平：16m，垂直：4m；告警限，水平：40m，垂直：35m；完好性風險：1-2 × 10-7/ 每次進近；告警時間：6.2s）；
APVII為利用側向和垂直引導的儀表進近程序，允許用戶利用垂直引導進行穩定的下降操作，而不需要傳統的精密進近程序的精度要求（定位精度，水平：16m，垂直：8m；告警限，水平：40m，垂直：20m；完好性風險：1-2 ×10-7 / 每次進近；告警時間：6s）。
文章來源：航空電信產業論壇
