(一)GNSS定位原理

　　GNSS是Global Navigation Satellite System(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))的縮寫?，F(xiàn)在投入使用的GNSS系統(tǒng)主要有四套：美國的GPS、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”和中國的“北斗”。其中以美國的GPS系統(tǒng)使用最為廣泛。

　　這四套GNSS系統(tǒng)的定位原理基本相同，都是依靠接收機(jī)與多個(gè)衛(wèi)星間的測距來進(jìn)行定位。GNSS常用的測距方法有兩種：偽距測距和載波相位測距。機(jī)載GNSS系統(tǒng)屬于單點(diǎn)定位，只能使用偽距測距。

　　偽距測距利用衛(wèi)星信號(hào)發(fā)出和接收的時(shí)間差計(jì)算距離。由于GNSS衛(wèi)星是運(yùn)動(dòng)的，這里的測距值其實(shí)是接收機(jī)距離衛(wèi)星飛行后方某個(gè)點(diǎn)的距離，所以被稱作“偽距”。

　　當(dāng)接收機(jī)獲得多個(gè)衛(wèi)星測距后，就可以根據(jù)“星歷”(衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù))計(jì)算出飛機(jī)的位置。這個(gè)計(jì)算過程與原始導(dǎo)航中的DME/DME定位十分相似。

　　(1)平面雙臺(tái)定位

　　在二維平面中，根據(jù)兩個(gè)DME臺(tái)的測距值可以確定兩個(gè)點(diǎn)。

　　借助諸如VOR徑向線等其他定位手段，我們可以將錯(cuò)誤的點(diǎn)排除。FMC可以利用這種方法修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，得到精確的飛機(jī)位置(詳見文后說明)。

　　(2)平面三臺(tái)定位

　　在平面內(nèi)如果有三個(gè)DME臺(tái)進(jìn)行測距，即可得出唯一的位置點(diǎn)。

　　(3)立體三星定位

　　如果把DME臺(tái)“裝”在衛(wèi)星上，在三維空間內(nèi)定位的話，三個(gè)測距值能夠獲得兩個(gè)位置點(diǎn)。通過邏輯判斷法，系統(tǒng)可以排除錯(cuò)誤的位置點(diǎn)，因?yàn)殄e(cuò)誤位置點(diǎn)在太空中，比衛(wèi)星還高。這就是三星定位的基本原理。

　　三顆衛(wèi)星，三組測距數(shù)據(jù)，從理論上講我們已經(jīng)可以在三維空間中確定飛機(jī)的位置了。

　　(4)時(shí)間誤差導(dǎo)致的“第四變量”。

　　GNSS系統(tǒng)利用信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行測距。任何細(xì)微的時(shí)間誤差被放大30萬倍(光速)都將變得無法接受。所以GNSS系統(tǒng)要求衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)間必須保持嚴(yán)格的一致。

　　GNSS衛(wèi)星上使用的是原子鐘，同時(shí)還受地面站的監(jiān)控和校準(zhǔn)。原子鐘精度極高，但是造價(jià)高昂。機(jī)載GNSS接收機(jī)上使用的是“廉價(jià)的”石英鐘。(當(dāng)然這個(gè)“廉價(jià)”只是相對(duì)而言的。)機(jī)載石英鐘的精度遠(yuǎn)低于原子鐘。

　　“機(jī)載時(shí)鐘”與“衛(wèi)星時(shí)鐘”之間的誤差被稱作“接收機(jī)鐘差”。一旦“接收機(jī)鐘差”混入定位計(jì)算，就會(huì)被放大30萬倍(偽距=時(shí)間差×光速)。所以在GNSS定位過程中，除了經(jīng)度、緯度和高度以外，還存在一個(gè)必須解算的變量——“接收機(jī)鐘差”。

　　既然定位存在四個(gè)待解變量，那就必須至少引入四組數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。這就是我們通常所說的GNSS定位至少需要4顆衛(wèi)星的原因。

　　(二)RAIM(接收機(jī)自主完好性監(jiān)控)

　　前文講到，接收機(jī)至少需要4顆衛(wèi)星才能完成定位。那么就存在這樣一個(gè)問題：萬一某顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，定位數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。僅有4顆衛(wèi)星可用時(shí)，定位錯(cuò)誤無法被系統(tǒng)識(shí)別和糾正。

　　如果GNSS接收機(jī)能夠搜索到5顆可用的衛(wèi)星，按照“4顆衛(wèi)星定位一次”的原則排列組合，接收機(jī)可以做5次定位計(jì)算。通過5組數(shù)據(jù)的對(duì)比，接收機(jī)就能夠發(fā)現(xiàn)出衛(wèi)星故障了。這個(gè)對(duì)比/識(shí)別的功能，就是我們所說的RAIM(接收機(jī)自主完好性監(jiān)控)。

　　如果GNSS接收機(jī)能夠搜索到5顆以上衛(wèi)星，系統(tǒng)就能夠進(jìn)行更多次的定位計(jì)算。此時(shí)RAIM不僅能夠提供衛(wèi)星故障的警報(bào)，還能夠識(shí)別出是哪顆衛(wèi)星發(fā)生故障。在某些GNSS系統(tǒng)中，接收機(jī)可以根據(jù)RAIM結(jié)果將錯(cuò)誤的衛(wèi)星排除在外。

　　RAIM是GNSS接收機(jī)的一種功能，目的是監(jiān)控GNSS衛(wèi)星的可靠性。接收機(jī)必須搜索到至少5顆可用衛(wèi)星，RAIM才能夠工作。還需要注意的一點(diǎn)是，RAIM并不監(jiān)控GNSS接收機(jī)本身的故障。

　　所有航空用GNSS接收機(jī)都必須具備RAIM功能。只要可用衛(wèi)星不少于5顆，RAIM功能即自動(dòng)工作。RAIM是FMC評(píng)價(jià)導(dǎo)航精度的重要依據(jù)之一。機(jī)組不需要直接監(jiān)控RAIM結(jié)果，只需要監(jiān)控ANP值有沒有超過RNP值即可。

　　“RAIM 功能的輸出是對(duì)GPS 位置誤差的估值。自治完好性監(jiān)測值送給FMC，F(xiàn)MC 利用此自治完好性監(jiān)測數(shù)據(jù)決定GPS數(shù)據(jù)是否能用于導(dǎo)航。”——《B737NG飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)》

　　“ANP 是FMC 根據(jù)RAIM、更新方法以及其它因素計(jì)算的，它的值一直波動(dòng)。只要ANP 不超過RNP，沒有實(shí)際或可靠的方法幫機(jī)組解釋ANP 波動(dòng)。如果ANP 增加超過RNP，出現(xiàn)UNABLE REQD NAV PERF - RNP 警報(bào)。”——《B737機(jī)組訓(xùn)練手冊(cè)》

　　(三)RAIM HOLE (RAIM 空洞)

　　既然RAIM功能至少需要5顆衛(wèi)星才能完成，那飛行中會(huì)不會(huì)遇到湊不夠5顆可用衛(wèi)星的情況呢?這種情況是存在的。無法搜索到5顆可用衛(wèi)星的區(qū)域被稱之為“RAIM空洞”。

　　在RAIM空洞中，接收機(jī)無法對(duì)衛(wèi)星的可靠性進(jìn)行監(jiān)控。RAIM空洞的發(fā)生主要受下面三個(gè)因素的影響。

　　(1)星歷

　　星歷是GNSS衛(wèi)星運(yùn)行的軌道數(shù)據(jù)，說白了就是一張時(shí)間表，告訴我們衛(wèi)星什么時(shí)間在什么地點(diǎn)。以GPS系統(tǒng)為例，GPS一共有21顆正常工作衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星。衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，每12小時(shí)繞地球一圈。依照星歷計(jì)算在某一時(shí)間、某一區(qū)域，理論上就是湊不夠5顆衛(wèi)星的。

　　(2)MASK ANGLE (蔽遮高度角、截止高度角 )

　　當(dāng)接收機(jī)定位時(shí)，位置過低、距天地線過近的衛(wèi)星容易受到電離層和地形的干擾，造成定位誤差。所以系統(tǒng)會(huì)設(shè)定一個(gè)遮蔽高度角，低于這個(gè)角度的衛(wèi)星被視作不可靠。遮蔽高度角越大，視作不可靠的衛(wèi)星就越多，RAIM空洞出現(xiàn)的概率也就越大。

　　(3)衛(wèi)星故障通告

　　如果衛(wèi)星主控站發(fā)現(xiàn)某顆GNSS衛(wèi)星出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)外發(fā)出衛(wèi)星故障通報(bào)?？捎眯l(wèi)星數(shù)量減少也會(huì)增大RAIM 空洞出現(xiàn)的概率。

　　(四)RAIM預(yù)報(bào)

　　“不可靠，即不可用”是航空運(yùn)行中一個(gè)通行的準(zhǔn)則。并不是說在RAIM空洞中4星定位的數(shù)據(jù)就一定會(huì)出現(xiàn)偏差，問題在于定位數(shù)據(jù)的可靠性無從監(jiān)控。所以RAIM空洞中的GNSS數(shù)據(jù)不能被視作有效。

　　這就好比某機(jī)場宣布“盲降不提供使用”，但實(shí)際上盲降設(shè)備仍然處于開機(jī)狀態(tài)一樣。盲降信號(hào)可能準(zhǔn)確，也可能不準(zhǔn)確，我們無從證實(shí)。所以我們不會(huì)使用盲降進(jìn)近程序。

　　如果某條航路，或者某個(gè)飛行程序以GNSS定位作為唯一導(dǎo)航信息源，那我們就必須隨時(shí)監(jiān)控RAIM空洞的位置。當(dāng)飛行路線處于RAIM空洞的覆蓋范圍時(shí)，需要向機(jī)組發(fā)出預(yù)警。這就是我們所說的RAIM 預(yù)報(bào)。

　　“如果預(yù)測到計(jì)劃飛行的任何階段失去RAIM 持續(xù)超過5 分鐘，則此飛行應(yīng)推遲或取消，或者在滿足RAIM 要求的區(qū)域重新擬定飛行計(jì)劃。駕駛員應(yīng)評(píng)估在GPS 導(dǎo)航失效的情況下的導(dǎo)航能力(可能需要飛往備降場)?！薄对诤铰泛徒K端區(qū)實(shí)施RNAV1 和RNAV2 的運(yùn)行指南》

　　“如果預(yù)測連續(xù)5分鐘以上失去RAIM，RNP運(yùn)行應(yīng)被延遲、取消或采取其他運(yùn)行方法?！薄对诮K端區(qū)和進(jìn)近中實(shí)施RNP的運(yùn)行批準(zhǔn)指南》

　　以GNSS作為唯一導(dǎo)航信號(hào)源，常見于RNAV航路飛行和RNP進(jìn)近程序。RAIM空洞對(duì)于RNP進(jìn)近的影響尤為嚴(yán)重。在實(shí)際運(yùn)行中，在預(yù)報(bào)RAIM空洞的時(shí)段內(nèi)，RNP進(jìn)近都是被禁止的。

　　RAIM預(yù)報(bào)由一些專業(yè)公司提供給航空公司和機(jī)場當(dāng)局。RAIM預(yù)報(bào)的計(jì)算需要考慮GPS星歷、衛(wèi)星故障通告、機(jī)場截止高度角等因素。在報(bào)文中會(huì)給出RAIM不可用的時(shí)段。

　　在某些為航空公司提供的RAIM預(yù)報(bào)中可能還會(huì)考慮機(jī)載GNSS接收機(jī)性能特點(diǎn)，例如飛行路線、天線安裝位置、轉(zhuǎn)彎坡度等對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收的影響。這一類報(bào)文不光能夠預(yù)報(bào)RAIM空洞出現(xiàn)的時(shí)段，還能夠?qū)δ骋粫r(shí)段內(nèi)程序要求的RNP值是否可行提供預(yù)報(bào)。

　　(五)一個(gè)實(shí)例

　　筆者一次執(zhí)行浦東-仙臺(tái)航班，在航前閱讀航行通告時(shí)注意到：仙臺(tái)機(jī)場世界時(shí)0435z-0500z期間，用于進(jìn)近的“GPS RAIM ”中斷。航班預(yù)計(jì)在仙臺(tái)著陸時(shí)間恰好處于這一時(shí)段內(nèi)。

　　(1)是否存在備用飛行程序

　　根據(jù)氣象資料分析仙臺(tái)機(jī)場預(yù)計(jì)使用09號(hào)跑道著陸。09號(hào)跑道的主用進(jìn)近方式為RNP進(jìn)近，備用進(jìn)近方式為目視進(jìn)近。

　　(2)備用飛行程序是否可用

　　氣象資料顯示，仙臺(tái)機(jī)場符合目視進(jìn)近所需的氣象標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此筆者認(rèn)定航班可以正常執(zhí)行。

　　(3)兩手準(zhǔn)備

　　在東京管制區(qū)開始下降后，機(jī)組收聽仙臺(tái)機(jī)場通播。仙臺(tái)機(jī)場發(fā)布的進(jìn)近方式為“VISUAL APP”。

　　此時(shí)FMC顯示飛機(jī)到場時(shí)間剛好在RAIM失效期以外。但機(jī)組無法確定機(jī)場是否會(huì)在RAIM失效期過后立刻恢復(fù)RNP進(jìn)近。所以機(jī)組在進(jìn)近準(zhǔn)備時(shí)對(duì)RNP進(jìn)近和目視進(jìn)近都進(jìn)行了復(fù)習(xí)。FMC進(jìn)場程序按照RNP進(jìn)近輸入。

　　此外，為了避免臨時(shí)倉促改變進(jìn)近方式帶來的麻煩，筆者還放出了一手獨(dú)門必殺絕技——飛慢點(diǎn)兒。

　　聯(lián)系仙臺(tái)進(jìn)近后，得到指令“雷達(dá)引導(dǎo)，09號(hào)RNAV進(jìn)近”。機(jī)組使用09號(hào)RNP進(jìn)近正常落地。

　　(六)本文小結(jié)

　　(1)GNSS系統(tǒng)偽距法定位需要至少4顆衛(wèi)星。

　　(2)RAIM是GNSS接收機(jī)的一項(xiàng)功能，目的是監(jiān)控衛(wèi)星的可靠性。

　　(3)RAIM需要至少5顆衛(wèi)星才能工作。

　　(4)RAIM 空洞是指搜索不到5顆衛(wèi)星，無法使用RAIM功能的區(qū)域。

　　(5)RAIM 預(yù)報(bào)是對(duì)RAIM空洞位置和時(shí)段的預(yù)報(bào)。

　　(6)如果航路或進(jìn)近使用GNSS作為單一信號(hào)源，飛行計(jì)劃中必須提供RAIM預(yù)報(bào)。機(jī)組應(yīng)當(dāng)注意核對(duì)預(yù)報(bào)是否對(duì)飛行存在影響。

　　番外篇1：Baro-Aiding (高度支助方式)

　　“當(dāng)4 顆衛(wèi)星可用時(shí)，GPS 存貯ADIRS 的慣性高度和GPS 高度之間的差值。保存此高度差值是為了當(dāng)只有3顆衛(wèi)星可用時(shí)，可以估計(jì)出GPS高度。在高度支助方式下，GPS將從ADIRS 得到的飛機(jī)高度加上地球半徑的長度作為第4 個(gè)數(shù)據(jù)。只有在下列三個(gè)條件成立下，GPS進(jìn)入高度支助方式：

　　- GPS已在導(dǎo)航方式

　　- 只有3 顆衛(wèi)星可用，并且對(duì)定位有較好的幾何位置關(guān)系

　　- 在GPS 存貯器內(nèi)存貯著慣性高度和GPS 高度之間的差值

　　當(dāng)?shù)? 個(gè)衛(wèi)星重新在視野中見到后，GPS重新恢復(fù)正常工作。”

　　——《B737NG飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)》

　　Baro-Ading提供了一個(gè)很巧妙的思路。利用“ADIRUS高度+地球半徑”的方法，把地心作為“第四顆衛(wèi)星”。

　　那么在RAIM空洞中，能否用同樣的方法把地心作為“第五顆衛(wèi)星”呢?答案是肯定的。但是B737NG的導(dǎo)航系統(tǒng)能否利用Baro-Ading參與RAIM功能，筆者還沒有找到明確的文獻(xiàn)說法。如果有了解這方面知識(shí)的朋友，還望不吝賜教。

　　番外篇2：“DME / DME / IRU”定位

　　FMC可以利用DME/DME測距修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，得到精確的當(dāng)前位置。在DME臺(tái)的數(shù)量和精度滿足要求的情況下，“DME/DME/IRU”定位并不比GNSS定位的精度差。在RNAV1進(jìn)離場中“DME/DME/IRU”定位可以作為唯一的導(dǎo)航源使用。

　　B737NG安裝有裝有兩部頻掃DME系統(tǒng)。FMC自動(dòng)在“機(jī)組選定頻率”和“位置更新頻率”之間快速切換。所以FMC位置更新不會(huì)影響機(jī)組使用甚高頻導(dǎo)航。機(jī)組可以在CDU的NAV STATUS第一頁看到FMC位置更新所使用的導(dǎo)航臺(tái)。

　　“如果設(shè)備正在用于導(dǎo)航，識(shí)別碼高光，數(shù)據(jù)以大字體顯示。如果設(shè)備正在被接收但未用于導(dǎo)航，識(shí)別碼不為高光，但所顯示的數(shù)據(jù)為大字體。如果設(shè)備正在被調(diào)諧但未接收到，數(shù)據(jù)以小字體顯示。如果助航設(shè)備已失效，F(xiàn)AIL 將以小字體顯示?！薄禕737飛行機(jī)組操作手冊(cè)》

　　機(jī)組也可以在CDU的NAV STATUS第二頁人工抑制FMC位置更新。

　　在某些機(jī)場的RNAV進(jìn)離場程序中，會(huì)指定“關(guān)鍵DME臺(tái)”(Critical DME)。如果GNSS數(shù)據(jù)不可用，飛機(jī)完全依賴“DME/DME/IRU”定位，機(jī)組必須確認(rèn)關(guān)鍵DME臺(tái)工作正常才能執(zhí)行該進(jìn)離場程序。

　　番外篇3：GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)

　　出于國家安全目的，各個(gè)GNSS系統(tǒng)的所有國都對(duì)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度有所保留。民用GNSS系統(tǒng)的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軍用系統(tǒng)，其中既有衛(wèi)星信號(hào)頻率的原因，也有人為有意摻加誤差的原因。以美國的GPS 為例，民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)定位精度原本可以達(dá)到15~25米，但是被美國軍方干擾降為100米。軍方使用的精密定位服務(wù)(PPS)定位精度在95%概率小于18 米。

　　如何利用民碼的信號(hào)獲得更高的定位精度呢?人們陸續(xù)開發(fā)除了各種GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)。GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)分為三類：機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)(ABAS)、地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)。

　　(1)機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)(ABAS)

　　機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)通過機(jī)載設(shè)備來提高GNSS定位精度，例如我們上文提到過的RAIM就是是典型的機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)。機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)備簡單、成本低，是現(xiàn)在普及率最高的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)。但機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)也很明顯，只能被動(dòng)的回避低精度時(shí)段，不能主動(dòng)提高定位精度。

　　(2)地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)

　　地基增強(qiáng)系統(tǒng)在民航圈內(nèi)名聲不顯，但是在軍事領(lǐng)域卻是大名鼎鼎。地基增強(qiáng)系統(tǒng)還有另一個(gè)如雷貫耳的名字叫“差分GPS”。地基增強(qiáng)系統(tǒng)需要建立若干GPS基準(zhǔn)臺(tái)。GPS基準(zhǔn)臺(tái)利用事先測得精確位置與GPS位置進(jìn)行比較，然后利用空地?cái)?shù)據(jù)鏈將偏差修正數(shù)據(jù)傳遞給附近的用戶。

　　在中國的“北斗”系統(tǒng)還沒有建成的年代，我軍建設(shè)了大量的差分GPS臺(tái)。據(jù)說經(jīng)過差分GPS臺(tái)修正過的民碼數(shù)據(jù)能與美軍使用的軍碼相媲美。這個(gè)事情曾經(jīng)讓美軍大為光火。

　　(3)星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)

　　星基增強(qiáng)系統(tǒng)的修正原理與地基增強(qiáng)系統(tǒng)大致相同。只不過是利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈來代替空地?cái)?shù)據(jù)鏈傳遞修正數(shù)據(jù)。

（本文僅代表作者觀點(diǎn)，中國民用航空網(wǎng)保持中立。）