喻思琪，張小紅，郭斐，李昕，潘林，馬福建

武漢大學 測繪學院，武漢 430079

近年來，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，民用航空呈現(xiàn)出繁榮的景象。根據(jù)民航的十三五規(guī)劃，預計到2020年，運輸機場的數(shù)量增加至260個，通用機場將達到500個以上，通用航空器達到5 000架以上，飛行總量達到200萬小時[1-2]。終端進近技術(shù)是指通過儀器設備為飛機在著陸時提供精密的方位和下滑引導的技術(shù)。穩(wěn)定、可靠的終端進近技術(shù)是保障民航安全運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。當前，隨著高性能終端區(qū)對導航性能要求的進一步提升，以及有限的甚高頻(Very High Frequency, VHF)頻率飽和對機場吞吐量的制約，提升終端進近服務性能、降低頻率需求和運營成本已經(jīng)成為終端進近發(fā)展的重要目標，而當前的儀器儀表系統(tǒng)(Instrument Landing System, ILS) 難以滿足未來精密進近對導航性能和頻譜復用的需求，這對新的進近方式在頻譜效率，可靠性和成本控制等方面提出了巨大的挑戰(zhàn)。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)在終端進近中的研究，最早是由Braff和Shivel在1985年提出，首次將差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System, DGPS)和GPS完好性通道(GPS Integrity Channel, GIC)的概念結(jié)合起來[3]，并將廣域增強系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System, WAAS) 作為飛機導航精度和完好性性能提升的途徑[4]。1986年，文獻[5]提出了GPS的自主完好性增強的概念，利用GPS觀測信息的冗余或氣壓計等其他信息的冗余，在機載端對誤差進行監(jiān)測。文獻[6]提出了利用GPS偽距殘差來對GPS自主完好性進行增強，并通過蒙特卡羅方法驗證了通過這種方式引導進近可以獲得完好性性能上的提升。文獻[7-8]提出了局域增強系統(tǒng)(Local Area Augmentation System, LAAS)技術(shù)，該技術(shù)可以在局部區(qū)域內(nèi)通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路提供高精度的差分改正數(shù)，從而獲得完好性性能的提升。此后，基于WAAS，LAAS和RAIM的進近技術(shù)得到廣泛研究和應用[9-16]。

在終端進近的標準制定方面，國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization, ICAO) 標準和建議措施(Standards and Recommended Practices, SARPS) 和航空無線電技術(shù)組織(Radio Technical Commission for Aeronautics, RTCA) 提供了相關(guān)標準和建議措施。ICAO附件10 (無線電頻率導航) 提供了支持進近的GPS增強系統(tǒng)的國際標準。根據(jù)其規(guī)定，GNSS的增強系統(tǒng)包括星基增強系統(tǒng)(Satellite Based Augmentation System, SBAS),地基增強系統(tǒng)(Ground Based Augmentation System, GBAS) 和機載增強系統(tǒng)(Aircraft Based Augmentation System, ABAS)。其中ABAS包括兩類：接收機自主完好性監(jiān)測(Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM) 和飛機自主完好性監(jiān)測(Aircraft Autonomous Integrity Monitoring, AAIM),前者只使用GNSS的信息，后者使用其他機載傳感器(如氣壓高度計，時鐘和慣性導航系統(tǒng)等)。由于本文主旨為介紹衛(wèi)星導航在終端進近中技術(shù)的應用，后續(xù)章節(jié)側(cè)重于介紹ABAS中RAIM的研究現(xiàn)狀及應用。DO-229提供了GPS/WAAS機載設備最低可操作性能標準，DO-253提供了GPS LAAS機載設備最低可操作性能標準，DO-178，DO-254，DO-246和DO-257等文件分別提供進近中機載設備的軟硬件，接口控制和電子地圖中的航行信息等相關(guān)標準。截止到2018年5月，RTCA網(wǎng)站上公布的RTCA項目管理委員會會議報告中，對DO-253D，DO-246E，DO-257B等相應標準進行了進一步的修訂，分別對支持CAT-II/III的設計標準和OEM標準等相關(guān)部分進行了更新[17]。

根據(jù)空間信號性能要求，飛機在空中航行主要包括遠洋航路、本土航路、終端、非精密進近(Non-Precision Approach, NPA)、垂直引導進近(APproach operation with Vertical guidance, APV)和精密進近(Precision Approach, PA)6個不同階段[18]。其中NPA為有方位引導，但沒有垂直引導的進近，主要通過甚高頻全向無線電信標，無方向性信標等地面導航臺進行著陸引導。APV通過衛(wèi)星或者機載設備進行導航，輔助以地面臺增加精度，包含方位引導和垂直引導，但不滿足建立精密進近和著陸運行要求的進近。PA為使用精確方位和垂直引導，并根據(jù)不同的運行類型規(guī)定相應最低標準的進近。不同階段具有不同的導航性能要求，主要通過精度、完好性、連續(xù)性和可用性4類指標反映。其中，精度主要反映了系統(tǒng)為運載體所提供的實時位置與運載體當時的真實位置之間的重合度。完好性反映了導航系統(tǒng)在不能用于導航服務時及時向用戶提出告警的能力。連續(xù)性是作為一個向服務空域內(nèi)所有用戶提供連續(xù)導航系統(tǒng)服務的系統(tǒng)，必須明確告知用戶系統(tǒng)正常工作的持續(xù)能力。可用性是指導航系統(tǒng)在其服務空域內(nèi)能為運載體提供可用導航服務的時間百分比，是對滿足服務性能標準的時間累計效應的統(tǒng)計。

根據(jù)ICAO附件10，民航進近過程中所需空間信號性能要求如表1所示，其中精密進近中不同分類主要取決于不同的決斷高和跑道視程[18]。

表1 ICAO對民航進近中的空間信號性能要求Table 1 Navigation performance requirements for civil aviation from ICAO

根據(jù)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)和交通部(Department of Transportation, DOT)擬定的GPS WAAS性能標準[19]，WAAS空間信號性能需求可以分為遠洋、終端、水平導航(Lateral NAVigation, LNAV)、水平和垂直導航LNAV/VNAV (Vertical Navigation, VNAV)，垂直導航信標性能(Localizer Performance with Vertical guidance, LPV)和LPV-200 (200 ft以下LPV)。其標準定義如表2所示。

表2 WAAS空間信號性能需求Table 2 Requirements of WAAS navigation performance

衛(wèi)星導航精密進近技術(shù)發(fā)展脈絡如圖1所示。下面從SBAS、GBAS和RAIM等3個方面對GNSS的精密進近的研究進展和實際應用進行討論和分析。

1 SBAS

1.1 SBAS概述

SBAS的工作原理是由廣泛分布的監(jiān)測站對導航衛(wèi)星進行監(jiān)測，再通過地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO) 衛(wèi)星向用戶播發(fā)SBAS導航電文，包括改正數(shù)和完好性信息等信息，用戶利用播發(fā)的信息改正偏差并計算保護限值，從而實現(xiàn)對GNSS定位精度的改進和完好性性能的提升。其中，改正數(shù)的信息主要包括星歷誤差、衛(wèi)星鐘差及變化率和電離層延遲，完好性信息主要包括用戶差分距離誤差和格網(wǎng)電離層垂直誤差。SBAS的基本架構(gòu)如圖2所示。

當前，國際上已經(jīng)建成并提供服務的星基增強系統(tǒng)包括：美國的WAAS，歐洲地球同步衛(wèi)星導航系統(tǒng)(European Geostationary Navigation Overlay Service， EGNOS)，日本的多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)(Multi-functional Satellite Augmentation System， MSAS)和準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System, QZSS)，印度的GPS輔助GEO增強導航系統(tǒng)(GPS Aided GEO Augmented Navigation, GAGAN)。計劃建設的有俄羅斯的差分改正監(jiān)測系統(tǒng)(GLONASS System for Differential Correction and Monitoring, SDCM)和韓國增強衛(wèi)星系統(tǒng)(Korea Augmentation Satellite System, KASS)[20]。

1.2 SBAS應用現(xiàn)狀

當前正在運行的SBAS系統(tǒng)中，基于WAAS的精密進近應用中，截止到2018年，全美航空系統(tǒng)中采用WAAS進行進近的數(shù)量大概是采用ILS的2倍，且仍在逐漸增加。截止到2018年3月，有3 898個公開的WAAS垂直引導功能信標(Localizer Performance with Vertical guidance, LPV) 服務于1 898個機場，其中包括1 897組LPVs服務于1 135個無ILS的機場[21]。EGNOS生命安全(Safety of Life, SoL) 服務從2011年3月2日開始實施，支持民用航空最低達到LPV標準。中國也正在積極推進北斗SBAS(BDSBAS)建設的相關(guān)工作，當前BDS作為第4個增強對象已得到正式確認，BDSBAS也正在積極推進國際化的進程[20]。

1.3 SBAS技術(shù)研究進展

當前的SBAS系統(tǒng)均是單頻單系統(tǒng)，僅增強L1頻點，由于電離層異常問題，服務性能無法達到CAT-I的性能要求。未來的發(fā)展方向是從單頻單系統(tǒng)過渡到雙頻多系統(tǒng)(Dual Frequency Multiple Constellation, DFMC)，從而滿足CAT-I的性能要求[20]。SBAS性能提升主要包括3個方向：① 提升現(xiàn)有差分信息的改正精度；② 增加軌道改正數(shù)、分區(qū)綜合改正數(shù)等信息，提升星基增強用戶實時改正的精度，進而使得用戶能夠利用相位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行定位；③ 對播發(fā)協(xié)議中未定義的預留資源重新編排，實現(xiàn)新增參數(shù)的上行注入，從而用戶只需升級其軟件，就能實現(xiàn)分米級定位精度[22]。

圖1 精密進近技術(shù)發(fā)展Fig.1 Development of precision approach technology

圖2 SBAS基本架構(gòu)Fig.2 Basic infrastructure of SBAS

SBAS的主要優(yōu)點包括：① 連續(xù)覆蓋的區(qū)域范圍內(nèi)只需要提供一組修正值。② 基于分布范圍廣和穩(wěn)健可靠性高的SBAS監(jiān)測網(wǎng)計算GNSS衛(wèi)星星歷解和抑制衛(wèi)星鐘差的影響，使得SBAS在其覆蓋區(qū)域范圍很難收到這兩項異常風險的影響。③ 利用了GEO衛(wèi)星來進一步增強衛(wèi)星幾何和提升用戶的可用性。然而相應的，SBAS的局限性在于相對于GBAS,其能夠提供的改正數(shù)精度上限較低，難以滿足高要求的精密進近需求，更適用于遠洋和終端進近。

當前的SBAS完好性研究中，研究的主要內(nèi)容包括如下2個方面：監(jiān)測模型優(yōu)化和完好性性能評估。未來有價值的研究方向其中包括兩類：一類是不同服務范圍SBAS在全球范圍的切換組合，另一類是新體制下的SBAS完好性增強。

1.3.1 監(jiān)測模型優(yōu)化

現(xiàn)有的SBAS完好性的研究中，監(jiān)測模型優(yōu)化是其主要研究內(nèi)容之一。監(jiān)測算法主要包括3個部分：信號畸變監(jiān)測，噪聲和多徑監(jiān)測以及時鐘和星歷監(jiān)測。文獻[23]針對WAAS中的信號畸變監(jiān)測問題，綜合考慮了標準的二階階躍參數(shù)的擴展、二階的調(diào)幅模型和多徑的單反射模型，獲得了比現(xiàn)有的ICAO模型更優(yōu)的信號畸變監(jiān)測性能。文獻[24]提出了一種新的雙頻SBAS星鐘及星歷誤差的包絡算法，這種算法考慮了接收機異常情況。文獻[25]概述了雙頻SBAS的完好性計算模型，并且提供了緩解通訊中斷、周跳和電離層異常等情況下的WAAS完好性增強方式。文獻[26]提出了一種基于協(xié)方差的SBAS星鐘星歷誤差包絡方法，并對其性能進行了評估。文獻[27]提出了一種基于估計和分離SBAS中的星歷和星鐘誤差的方法，通過單差估計出星鐘和星歷誤差，并通過Kalman濾波遞推出結(jié)果。文獻[28]提出了一種改進的WAAS用戶位置監(jiān)測算法，針對多個小誤差同時產(chǎn)生引起的威脅，提出了解決方案，改進了保守的傳統(tǒng)膨脹算法的保護水平。

1.3.2 完好性性能評估

很多學者也對各SBAS系統(tǒng)的完好性性能進行了評估。通常情況下，WAAS可以在美國境內(nèi)的大部分和加拿大大部分區(qū)域及阿拉斯加地區(qū)能夠提供水平優(yōu)于1 m，垂直優(yōu)于1.5 m的定位精度[29-30]。文獻[31]分析了韓國境內(nèi)單頻SBAS的可用性，基線條件下70%的區(qū)域可以獲得APV-I 的服務，在中國和日本增設兩個基準站之后可以獲得韓國區(qū)域內(nèi)100%的APV-I服務覆蓋。文獻[32]分析了俄羅斯SDCM的發(fā)展現(xiàn)狀和服務性能，預計全球監(jiān)測站建站完畢后，可以提供水平1.5 m和高程3 m的服務精度。文獻[33]則給出了EGNOS的完好性計算模型，并評估了多頻多系統(tǒng)情況下的EGNOS完備性，雙頻GPS/Galileo雙系統(tǒng)的完好性在歐洲區(qū)域絕大部分地區(qū)水平保護水平(Horizontal Protection Level，HPL) 小于5 m，少數(shù)地區(qū)5～10 m，均能夠滿足CAT-I的性能要求。由于SBAS系統(tǒng)信號的覆蓋區(qū)域通常也包括鄰國區(qū)域，文獻[34-35]也分別評估了GAGAN和QZSS在中國境內(nèi)的完備性，中國大部分區(qū)域，尤其是東部沿海地區(qū)80%時間內(nèi)可以觀測到QZSS衛(wèi)星，其播發(fā)的L1-SAIF差分增強信息可以獲得和WAAS相當?shù)木龋琇EX增強信息可以實現(xiàn)分米級定位，而GAGAN則在北京地區(qū)實現(xiàn)了24小時全覆蓋，增強定位的精度水平為水平方向優(yōu)于5.9 m (95%)，高程方向優(yōu)于7.6 m (95%)。文獻[36]基于4年內(nèi)的實測數(shù)據(jù)對信號質(zhì)量監(jiān)測進行了評估。文獻[37]對近些年WAAS的可用性提升進行了進一步的分析和拓展。

1.3.3 不同服務范圍SBAS在全球范圍內(nèi)的組合

不同服務范圍SBAS在全球范圍內(nèi)的共有組合是未來的研究方向之一。當前，不同的SBAS衛(wèi)星具有獨立的服務覆蓋范圍。部分SBAS系統(tǒng)的覆蓋范圍有服務區(qū)域上的重疊。對于全球航空服務而言，民航飛機從一個SBAS服務區(qū)域飛出，切換到另外的SBAS服務區(qū)域中，在不降低服務標準的前提下，不同的SBAS的覆蓋范圍的無縫連接，對于提升航空服務的完好性具有十分重要的意義。

1.3.4 新體制下的SBAS完好性增強

通過提取出參考站的每顆衛(wèi)星相位殘差并建模播發(fā)給用戶，可以對高精度的相位觀測值加以利用，縮短相位定位收斂時間，是星基增強系統(tǒng)服務的一大拓展方向。文獻[22]表明，通過播發(fā)相位殘差給用戶接收機，可以在7 min內(nèi)實現(xiàn)精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP) 的快速收斂，收斂之后水平坐標精度達到0.1 m，垂直方向的坐標精度達到0.2 m。SDCM在設計報告中也包括向用戶增加播發(fā)偽距和載波相位觀測值，在基站周圍200 km內(nèi)可以達到厘米級的服務精度[32,38]。基于載波相位觀測值的星基增強服務是未來的發(fā)展方向，而其能夠達到的完好性以及基于相位和偽距的星基增強服務組合能夠達到的完好性尚需進一步分析。

2 GBAS

2.1 GBAS概述

GBAS的工作原理是通過地面參考站的形式將差分改正信息和誤差信息通過甚高頻數(shù)據(jù)廣播(VHF Data Broadcasting, VDB) 播發(fā)給用戶，從而對用戶的完好性進行增強。GBAS利用了衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲等誤差的空間相關(guān)性，通過位置精確已知的基準站計算誤差改正數(shù)并將其播發(fā)給流動站，改正流動站的偽距觀測值，進而提高定位精度。GBAS的基本架構(gòu)如圖3所示。

與SBAS不同，GBAS的優(yōu)點在于：①由于GBAS的基站距離和流動站相對接近，在基準站一定范圍內(nèi)的改正精度優(yōu)于SBAS，對局部大氣參數(shù)變化的敏感性也高于SBAS，在基準站一定范圍內(nèi)能夠獲得優(yōu)于SBAS的進近性能。② GBAS 有能夠滿足最嚴格的航空運作要求的潛力，并且相對傳統(tǒng)的ILS而言，不需要為每條跑道單獨配備設備，一套地基增強著陸引導系統(tǒng)(GBAS Landing System, GLS)可以滿足多條跑道的進近服務，進近成本較低。并且，GBAS用單一的VHF頻率服務多個跑道，使有限的導航頻率譜得以充分利用，相對于ILS而言，可以進一步增加機場的吞吐量。

圖3 GBAS基本架構(gòu)Fig.3 Basic infrastructure of GBAS

2.2 GBAS應用現(xiàn)狀

GBAS是當前精密進近方向的研究熱點，也是當前精密進近的主要發(fā)展方向之一。截止到2017年3月，GBAS在美國Newark Liberty國際機場和洲際機場獲得了公開運營批準，Honeywell的SLS-4000 Block II已經(jīng)于2015年獲得了設計許可，現(xiàn)正在獲取滿足CAT-III進近服務性能的SLS-5000的設計許可批準。GBAS現(xiàn)在也是大多數(shù)新型商業(yè)運輸飛機的標準或可選項。歐洲104條航線中8.5%的航線通過GBAS進行進近。7%的Boeing飛機和2%的Airbus裝載了GBAS，且這個數(shù)字正在逐年增加。在俄羅斯，基于GPS和GLONASS的由NPPF研發(fā)的LCCS-A-2000是機場主要的導航方式，可以提供CAT-I的精密進近服務。中國電子科技集團公司第二十研究所通過長期研究和開發(fā)，研制了基于GPS的GBAS系統(tǒng)樣機和設備，并先后進行了多次多地的跑車和飛行試驗，并于2014年在天津濱海國際機場安裝[39]。

2.3 GBAS技術(shù)研究進展

當前，GBAS已經(jīng)在美國、歐洲、亞洲和澳大利亞等多地的機場驗證了可以滿足CAT-I精密進近?，F(xiàn)在的研究目標主要集中推進其滿足CAT-II/III的精密進近，預計在2020年左右第一套系統(tǒng)投入使用。現(xiàn)今的GBAS研究中，GBAS的發(fā)展方向主要為從單頻單系統(tǒng)擴展到多頻多系統(tǒng)，從而進一步實現(xiàn)完好性性能的增強，從而滿足更高的進近標準要求。

GBAS性能提升主要包括3個方向：① 提升現(xiàn)有差分信息的改正精度；② 利用增設的位置監(jiān)視器(Position Domain Monitor, PDM)，對LAAS地面設施實時生成的位置精度執(zhí)行獨立的檢查[40]；③ 將基于載波相位平滑的差分定位方式改為基于高精度載波相位測量值的差分定位[41]。

當前，GBAS的研究熱點主要包括如下5個方面：GBAS監(jiān)測模塊和算法，電離層梯度影響，統(tǒng)計包絡，濾波處理以及空間信號質(zhì)量分析、輔助信號增強和干擾。

2.3.1 GBAS監(jiān)測模塊和算法

基于地基增強系統(tǒng)系統(tǒng)設計的研究由來已久。文獻[42]提出了差分GPS的完好性監(jiān)測系統(tǒng)設計的原型算法，從信號質(zhì)量監(jiān)測(Signal Quality Monitoring, SQM)、測量質(zhì)量監(jiān)測(Measurement Quality Monitoring, MQM)、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(Data Quality Monitoring, DQM)3個方面對數(shù)據(jù)觀測量進行質(zhì)量約束，并通過EXM-I和EXM-II排除邏輯，保證GBAS參考站的B值通過多參考一致性監(jiān)測、σ-μ監(jiān)測和信息域范圍監(jiān)測，確?；静グl(fā)的改正數(shù)符合統(tǒng)計理論，具有一定的內(nèi)符合性，滿足給定的精度、完好性、連續(xù)性和可用性指標的要求。

SQM模塊的目的是為了保障GBAS系統(tǒng)中GNSS系統(tǒng)的信號質(zhì)量，進而保障向用戶提供導航服務能力的技術(shù)。當衛(wèi)星自身硬件設備或空間傳播信號受到干擾的時候，會導致衛(wèi)星信號的波形失真，用戶接收機的偽碼相關(guān)器的相關(guān)峰會產(chǎn)生偏差，造成定位精度的下降，情況嚴重的時候，會使得用戶失去定位能力。1998年，Ndili分析了無線電頻率干擾(Radio Frequency Interference, RFI)導致的衛(wèi)星異常的3種實例，對比了RFI和非RFI存在情況下的寬帶干擾、脈沖和非脈沖干擾，并基于此提出了一種新的GPS信號質(zhì)量監(jiān)測方案[43]。Phelts對異常波形進行了建模，還分析了理論上的最小可探測誤差(Minimum Detectable Error, MDE)，并基于此設計了針對多徑的信號質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)[44]。Mitelman分析了GPS精密進近中的垂直位置誤差產(chǎn)生的原因、性質(zhì)和影響，并分析了差分情況下的理論誤差限值，并分析了多相關(guān)接收機在異常波形下的響應[45]。斯坦福大學的完好性監(jiān)測平臺(Integrity Monitor Testbed, IMT)在設計中將SQM包含為3個部分：相關(guān)峰對稱性監(jiān)測、接收信號強度監(jiān)測和碼載波偏差監(jiān)測[42]。

MQM模塊的主要目的是為了監(jiān)測GNSS星鐘異?；蛘叩鼗鰪娤到y(tǒng)中接收機異常導致的沖激性異?；螂A躍性異常，主要表現(xiàn)為載波觀測量或相位平滑偽距量的特征變化。其中，載波加速度-斜坡-階躍監(jiān)測(Carrier Acceleration-Ramp-Step Test, CARST)通過對載波觀測值的速度、加速度進行約束監(jiān)測，并基于短時間內(nèi)載波觀測值的變化擬合模型對當前歷元的離群程度進行檢驗，從而達到檢驗當前歷元載波相位觀測值是否發(fā)生沖激性異?；螂A躍性異常的目的。相位平滑偽距監(jiān)測(Carrier-Smoothed Code Innovation Test, CSCIT)的監(jiān)測量為相位平滑偽距的輸出量，結(jié)合CARST的結(jié)果，可以對原始偽距是否發(fā)生沖激性異常或階躍性異常進行監(jiān)測[42]。

為了保障GNSS接收到的星歷的可靠性，有必要對GNSS接收機星歷質(zhì)量進行監(jiān)測。DQM模塊的功能就是保障接收星歷不出現(xiàn)異常。對于新觀測到的衛(wèi)星，以接收到的衛(wèi)星歷書作為參考，當解算出的位置差不超過7 000 m的時候，視為正常。另外一種針對新觀測到的衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測方式是通過昨天同時間活動的星歷和今天同時間內(nèi)獲得的星歷進行對比，利用衛(wèi)星軌道的日周期性對星歷進行約束。而對于接收超過了一組時間內(nèi)的衛(wèi)星，可以將收到的相鄰時間的同衛(wèi)星星歷解算得到的衛(wèi)星位置進行比較，不超過250 m 的情況下視為正常[42]。

2.3.2 電離層梯度影響

電離層誤差是影響GBAS完好性性能的重要因素之一。在全球范圍內(nèi)，地球上不同位置的大氣密度和組成以及受到的太陽輻射均不相同，導致電離層電子含量的水平分布呈現(xiàn)出不均勻性。低緯度區(qū)域的電離層活躍，變化劇烈，對無線電用戶影響最大，存在赤道異?，F(xiàn)象；中緯度區(qū)域電離層較為平靜，季節(jié)變化，周日變化特征明顯；高緯度區(qū)域(特別是極區(qū))，由于受到極晝極夜的影響，電離層季節(jié)變化，周日變化并不明顯，但由于受到太陽風粒子等的影響，變化較為復雜。此外，電離層在不同區(qū)域和不同時間還存在一定的異常變化特征，如赤道異常、冬季異常、夜間異常等。電離層的此類特征給GBAS性能提升和建立全球和區(qū)域范圍內(nèi)的電離層異常梯度模型帶來了困難。

通常情況下，單頻載波電離層誤差影響大概為幾米到十幾米。但是，電離層風暴等極端條件下會顯著提升電離層誤差波動，此時電離層誤差達到30～50 m，嚴重影響定位精度，且極大的電離層梯度進而導致GBAS基準站和用戶站之間電離層誤差的相關(guān)性降低，進而影響GBAS的完好性[46-47]。文獻[48]基于WAAS和JPL預處理的連續(xù)運行參考站數(shù)據(jù)，分析得出了電離層正?；顒忧闆r下垂直電離層梯度方差(σvig)通常在1～3 mm/km。而在電離層風暴或者異?；钴S時期，極大的傾斜電離層空間梯度可以達到412 mm/km (觀測于USA 2003.11.20, UT2000-2200)，比常規(guī)狀態(tài)高出了兩個數(shù)量級[48-49]。極大的電離層梯度的影響在未改正的情況下，導致的垂直定位誤差可以達到幾十米。

針對于電離層梯度威脅影響對于GBAS用戶的影響，通常的處理方案有：① 建立異常電離層梯度威脅模型對電離層異常梯度進行監(jiān)測，找到受到衛(wèi)星電離層梯度影響的衛(wèi)星進行排除。② 通 過無電離層組合等方式從觀測數(shù)據(jù)層面對異常電離層影響進行消除。③ 對于無法檢測到的電離層梯度影響，采用衛(wèi)星星座幾何結(jié)構(gòu)進行約束的方式對其影響進行抑制。

為了分析LAAS用戶可能受到的極大電離層梯度威脅影響，基于區(qū)域范圍內(nèi)的長時間的歷史觀測數(shù)據(jù)進行LAAS電離層構(gòu)建異常模型是通用的解決方案?；贑ORS (Continuously Operating Reference Stations)站和WAAS (Wide Area Augmentation System)的數(shù)據(jù)，文獻[50]建立了適用于美國本土境內(nèi)的LAAS的電離層異常威脅模型。通過基于不同高度角范圍對最大前向斜率，前向?qū)挾龋跋蛩俣?，最大差分延遲等參數(shù)進行了建模。該模型已經(jīng)作為第一個被FAA批準的此類設施被用于Honeywell SLS-4000的系統(tǒng)設計，可在CONUS境內(nèi)使用。CONUS電離層異常威脅模型基于中緯度的觀測數(shù)據(jù)所建立，對于其他電離層特征不一樣的區(qū)域，不能作為通用的模型。基于位于2°～18°E和45°～58°N境內(nèi)的IGS站，EPN (EUREF Permanent Network), GREF (integrated German geodetic REFerence network)和SAPOS (SAtellite POSitioning service of the german state survey)的觀測數(shù)據(jù)，德國建立了適用于德國境內(nèi)的電離層異常威脅模型，該模型在低高度角的時候為40 mm/km (<30°)，進而增加到140 mm/km(>70°)[51]。澳大利亞空間氣象局也基于境內(nèi)的參考站觀測數(shù)據(jù)建立了適用于澳大利亞境內(nèi)的電離層異常威脅模型，且當前的研究表明LAAS CAT-I CONUS電離層異常衛(wèi)星模型同樣適用于澳大利亞境內(nèi)[52]。韓國基于2000—2004年韓國GNSS參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)也建立了適用于韓國境內(nèi)的電離層異常威脅模型，最大電離層梯度異常為160 mm/km，且同樣在CONUS異常模型的包絡范圍內(nèi)[53]。文獻[14]基于ICAO亞太區(qū)的成員組織和區(qū)域機構(gòu)的數(shù)據(jù)建立了適用于亞太區(qū)低地磁緯度的GBAS電離層梯度異常模型，觀測數(shù)據(jù)中最大的電離層延遲梯度值為518 mm/km，建議采取的保守梯度上界為600 mm/km。中國在地理緯度主要位于中緯度地區(qū)，電離層異常波動相對于赤道附近的地區(qū)較為平緩。當前，針對于中國境內(nèi)的電離層異常威脅模型分析目前還相對較少。

基于雙頻觀測數(shù)據(jù)，采用無電離層組合可以將電離層梯度影響進行消除，從而抑制異常電離層梯度所帶來的影響。文獻[54]提出了用雙頻GPS數(shù)據(jù)來通過消除電離層的影響進而改進相位平滑偽距的算法。該文獻首次提出了Divergence-free (Dfree) 和Iono-free (Ifree) 算法。文獻[55]基于廣義無偏差載波相位平滑框架，推導并分析了L1和L5載波上的無電離層組合載波相位平滑，無電離層組合輸入的載波相位平滑和整周模糊度組合的載波相位平滑。文獻[56]提出了一種適用于GAST-F的雙頻GBAS碼載波偏差監(jiān)測算法，通過單差、雙差、三差，四差等15種誤差模式進行監(jiān)測，在同等漏檢概率下能夠監(jiān)測出GAST-D方案下一半的偏差影響。這類方法仍然存在以下問題：一是無電離層組合造成了偽距和隨機噪聲的膨脹；而是傳統(tǒng)的無電離層組合對于高階電離層影響仍然不具有良好的抑制效果。

基于衛(wèi)星星座幾何結(jié)構(gòu)進行約束的主要步驟包括：① 枚舉所有條件范圍的GBAS地面設施定位幾何結(jié)構(gòu)；② 在約束的基礎上，GBAS地面設施建立所有可行的機載接收機可用衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)，③ 計算所有可用幾何結(jié)果的最壞情況保護閾值，排除掉超過閾值的幾何結(jié)構(gòu)[50]。文獻[57]提出了在電離層異常情況下的定位域幾何結(jié)構(gòu)約束方法。這種方法的缺點在于有些時候選出的定位子集是相對最“安全”的子集，而未必是定位精度最優(yōu)的子集。

2.3.3 統(tǒng)計包絡

在GBAS的完好性監(jiān)測中，通常假定實際情況中的差分修正量誤差分布滿足對稱性和單峰性等要求，比如服從高斯分布。實際情況中，由于受到多徑效應[58-59]、衛(wèi)星故障[60]和地面各參考站之間誤差相關(guān)性[61]的影響，修正誤差不僅包含高斯誤差，有些時候甚至還包括了非零均值高斯誤差和非高斯誤差的影響。在誤差分布上通常表現(xiàn)為鮮明的厚尾特征，在實際結(jié)果中如果用高斯分布進行包絡，往往會造成系數(shù)的過度膨脹，在完好性指標的計算中，導致保護限值的過于保守。針對傳統(tǒng)的高斯膨脹包絡模型容易造成門限過于保守的情況，解決方案通常包括兩類：一類是通過核和旁瓣分開估計進行包絡；另外一類是采用其他包絡模型進行整體包絡。

文獻[62]提出了一種高斯核高斯旁瓣(Gaussian Core Gaussian Sidelobes, GCGS) 的分布，通過分隔開中心和拖尾兩個部分并且用不同的分布進行建模，可以緩解厚尾特征帶來的影響，且操作簡便。類似的，文獻[63]提出了基于高斯核拉普拉斯尾(Gaussian Core Laplacian Tail, GCLT) 和高斯核指數(shù)尾(Gaussian Core Exponential Tail, GCET) 的包絡方式，能夠有效降低常規(guī)膨脹算法帶來的高膨脹因子影響。文獻[64]提出了一種基于整體逆高斯分布(Normal Inverse Gaussian, NIG) 的方式，通過選取合適的NIG分布族來抑制厚尾影響?；旌细咚鼓Ｐ屯瑯俞槍Ψ植记€兩端包絡不全面的問題，具有良好的抑制效果，并且能夠在短時間內(nèi)少量的數(shù)據(jù)中，獲得快速的膨脹系數(shù)估計[65]。

在當前的閾值包絡數(shù)據(jù)處理過程中，數(shù)據(jù)由于受到平滑效果的影響，平滑區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)具有一定的相關(guān)性。在仿真過程中，有時候由于數(shù)據(jù)量不足和抽樣方式的影響，相關(guān)性帶來的影響無法避免。在很多核與旁瓣分開包絡的算法中，核和旁瓣之間也具有強相關(guān)性，這種相關(guān)性在當前的研究中較少考慮到。另外一點是方差本身可能具有的統(tǒng)計不確定性和異方差等特性，使得實際應用中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的包絡仍然存在諸多限制。

2.3.4 濾波處理

針對非模型化多路徑和隨機噪聲影響，濾波處理是抑制其影響的有效方式。從濾波器設計的角度，濾波算法主要可以分為時域平滑，F(xiàn)IR濾波、小波濾波和頻域濾波。時域濾波包括傳統(tǒng)的滑動窗平均、Hatch濾波等多種方式，頻域濾波包括則通過將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，再進行濾波變換處理。文獻[66]提出的Hatch濾波具有簡單、方便實時處理的特點，被廣泛用于相位平滑偽距中。文獻[54-55]的濾波結(jié)構(gòu)中運用了FIR低通濾波對非模型化誤差進行平滑和削弱。文獻[67]提出了一種基于短時傅里葉變換的頻域濾波方法，通過自適應提取譜峰并抑制譜峰，從而達到對偽距多徑進行抑制的效果。文獻[68]提出了利用小波去噪處理雙差中的隨機噪聲偏差。文獻[69]則給出了一種頻域濾波，通過將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域再進行濾波處理，最后反變換回時域，從而達到對多徑和噪聲的抑制和削弱效果。

時域平滑的特點在于其濾波效果受到平滑系數(shù)的影響。相應的，F(xiàn)IR濾波器濾波效果同樣受到濾波截止頻率等濾波器參數(shù)設定的影響。小波去噪則依賴于小波基的選取。頻域濾波的處理首先要將時域濾波轉(zhuǎn)換為頻域，實現(xiàn)相對復雜。因此，建立能夠有效應對多種復雜環(huán)境和情況，自適應選取最優(yōu)參數(shù)的濾波方式更具有應用上的實際意義。

2.3.5 空間信號質(zhì)量分析、輔助信號增強和干擾

除此之外，GBAS的研究方向還包括空間信號質(zhì)量分析、輔助信息增強策略和干擾影響。文獻[70-71]基于大量實測數(shù)據(jù)，對多系統(tǒng)的空間信號質(zhì)量進行了系統(tǒng)的評估，并考慮了電離層方差影響的包絡問題。文獻[15]對北斗空間信號誤差的長周期特性和統(tǒng)計特征進行了監(jiān)測。

基于GBAS的精密進近中，輔助增強策略主要包括機載氣壓高度計和Doppler信息等。文獻[72]研究了氣壓高度計的測高值對GPS進近系統(tǒng)進行增強的策略。文獻[73]則研究了電離層閃爍情況下，利用Doppler信息輔助GNSS弱信號跟蹤的方法。

從干擾來源的角度，干擾分為被動干擾和主動干擾。文獻[74]則通過對Newark，New Jersey機場的GBAS站觀測數(shù)據(jù)和Leesburg的WAAS站觀測數(shù)據(jù)進行分析，得出了個人隱私設備(Personal Privacy Devices，PPD) 可能會對幾百米外的GNSS設備產(chǎn)生干擾，進而影響精密進近完好性的結(jié)論。

3 RAIM

3.1 RAIM概述

基于的GBAS和SBAS的完好性監(jiān)測算法需要從GEO衛(wèi)星端或者VDB端接收信息并處理，一則成本代價相對較高，而是在告警時間上有額外負擔，對于高完好性和有限告警時間要求的情況下，具有一定的限制。依靠RAIM可以在接收機端實現(xiàn)快速的衛(wèi)星故障識別和排除。RAIM是利用用戶端接收機內(nèi)部的冗余度信息，或者借助飛機上其他的輔助設備(氣壓高度表，慣導、偽衛(wèi)星等)[75-76]，實現(xiàn)衛(wèi)星故障檢測和故障識別的技術(shù)。RAIM的主要功能包括：檢測衛(wèi)星是否存在故障，辨別故障的衛(wèi)星并排除。RAIM雖然難以滿足較高的完好性標準，但是對衛(wèi)星故障反應迅速、對外界干預的依賴度較低，成本相對較低，且能夠?qū)Ρ镜毓收夏軌蚩焖俜磻透婢?/p>

3.2 RAIM技術(shù)研究進展

RAIM在現(xiàn)階段不適用于獨立進近著陸，通常作為機載接收機的必備功能輔助增強完好性。RAIM的主要研究內(nèi)容包括兩大類：一類是故障識別和探測方法，主要是對故障進行有效探測和排除；另外一類則是RAIM的完好性判定方法，主要包括當前歷元定位系統(tǒng)的完好性風險的超限判斷。當前，RAIM的前沿方向主要包括兩類：一是ARAIM (Advance RAIM, ARAIM)，目的是利用多星座和多頻信號的優(yōu)勢，盡可能少依賴地面監(jiān)測系統(tǒng)的前提下，提升系統(tǒng)完好性；二是基于載波的接收機自主完好性監(jiān)測方法(Carrier-phase RAIM, CRAIM)，在飛機進場著陸和CAT-II/III類艦載飛機著陸等高精度場合都有著廣泛的需求應用[77]。

3.2.1 連續(xù)性和離散型RAIM

從數(shù)據(jù)特征的角度，RAIM可以分為基于連續(xù)性的RAIM算法和基于離散型的RAIM算法。

基于連續(xù)型的RAIM算法包括偽距比較法、最小二乘殘差法和奇偶空間法[5-6，78]等。在偽距比較法中，假設至少觀測到5顆衛(wèi)星，隨機抽取其中4顆確定出用戶位置，用該位置預報剩余那顆星的偽距觀測值，將預報值和真實的偽距觀測值之差作為探測系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常的基本觀測量[79]。奇偶矢量法思路為基于均值漂移模型，構(gòu)造奇偶矢量進而構(gòu)造檢驗統(tǒng)計量，這種方式計算簡單、物理意義直觀，被RTCA推薦為基本算法[6]。最小二乘殘差法根據(jù)GNSS觀測方差計算出最小二乘解，得到偽距殘差構(gòu)造檢驗統(tǒng)計量[65]。這3種方式已經(jīng)被證明是等價的[79-80]。

基于離散型模型的RAIM主要為Kalman濾波法[81]。文獻[82]提出了一種基于Kalman濾波的RAIM方法，可以用于動態(tài)模型，主要基于Baarda異常探測和識別模型。文獻[83]提出了一種基于擴展Kalman濾波(Extended Kalman Filter, EKF) 的GNSS接收機自主完好性監(jiān)測方法，在階躍性誤差和斜坡誤差的基礎上，提出了界定EKF平均位置誤差的方法，并用于估計EKF的保護水平。文獻[84]在文獻[83]的基礎上，利用正交分解得到標量計算方程，在獲得高估計精度的Kalman濾波誤差的同時，降低了常規(guī)方式迭代求解和求逆的計算量。Kalman濾波法主要基于歷史觀測量進行參數(shù)估計和遞推計算，對先驗信息的依賴性較強，對于即時的誤差變化很難準確預測和及時反映。

3.2.2 RAIM故障識別方法

RAIM方法檢測出系統(tǒng)存在故障衛(wèi)星后，識別出故障衛(wèi)星并將其剔除的方法包括子集比較法、奇偶矢量法和最大似然估計法[80]。判斷RAIM是否可用的方法包括：近似徑向誤差保護法(Approximate Radial Protected, ARP)，最大精度因子法以及水平定位誤差保護限值(Horizontal Protected Level, HPL) 法[79，85-86]。ARP方法定義衛(wèi)星引起的水平誤差和距離殘差之比為該衛(wèi)星斜率，斜率最大的衛(wèi)星發(fā)生故障的時候最容易漏檢，對應的近似誤差保護限值超過限值則判定為RAIM不可用。最大精度因子方法通過剔除衛(wèi)星之后的精度因子變化情況對RAIM進行可用性判定。HPL方法通過將HPL與不同航段的HPL進行比較，來判斷RAIM的可用性。

3.2.3 多源信息輔助RAIM

RAIM傳統(tǒng)的方式主要是基于GNSS觀測量的冗余信息，來實現(xiàn)衛(wèi)星故障的識別和剔除，而冗余信息同時也包括其他信息來源，比如慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)、偽衛(wèi)星和鐘差等。

文獻[87]研究了基于預測殘差的Kalman濾波在GPS/INS組合導航中的完好性監(jiān)測方法。文獻[81]分析了GPS/INS組合導航系統(tǒng)中的RAIM算法，基于Gauss-Markov模型和Kalman濾波，給出了動態(tài)模型下的GNSS RAIM監(jiān)測方式。文獻[88]提出了一種在GNSS/INS組合導航中的自主完好性監(jiān)測算法，基于緊組合估計的Kalman濾波等價最小二乘方程，通過W檢驗對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的觀測信息進行誤差探測和剔除，結(jié)果表明高精度的INS能夠進一步提升系統(tǒng)的可靠性和故障區(qū)分能力，尤其是在大機動情況下保障系統(tǒng)的穩(wěn)定度。文獻[89]將偽衛(wèi)星作為信息補充，提出了一種基于加權(quán)奇偶矢量的偽衛(wèi)星輔助北斗定位完好性監(jiān)測算法。文獻[90]基于鐘差的歷史數(shù)據(jù)，建立鐘差的二次多項式模型，并基于此來判斷鐘差是否越界發(fā)生異常，降低了可用性的要求。

3.2.4 ARAIM

ARAIM是美國GNSS演化架構(gòu)小組(GNSS Evolutionary Architecture Study, GEAS) 設計的一種用戶端完好性監(jiān)測架構(gòu)，利用多頻和多星座的優(yōu)勢，在降低對地面監(jiān)測依賴的前提下，提供全球覆蓋的LPV-200服務的能力，也是先進RAIM發(fā)展的熱點方向之一。

3.2.5 基于穩(wěn)健估計的RAIM

接收機自主完好性監(jiān)測中，處理異常值的傳統(tǒng)方式主要是基于統(tǒng)計檢驗，超出臨界值則判定為異常。但是統(tǒng)計檢驗本身也是估計值的函數(shù)，在粗差的影響下會產(chǎn)生偏差。另外一個缺點是一旦觀測值被標記為異常，通常的處理方式是將其從觀測值中剔除，可能會損失其中的有用信息。為了有效抵抗異常觀測值帶來的影響，可以采用穩(wěn)健估計方法來進行抗差處理。

文獻[101]討論了M估計在GNSS接收機自主完好性監(jiān)測中的應用和影響，設計了基于M估計的RAIM粗差探測和剔除算法，并設計了水平保護水平和垂直保護水平的計算方式。文獻[102] 中基于S估計的估計初值，根據(jù)可用衛(wèi)星數(shù)實時調(diào)整參數(shù)，從而達到同時抑制多個粗差的效果。文獻[82]中提出了一種基于穩(wěn)健估計的自主完好性檢測算法，通過引入M估計，利用穩(wěn)健的等效加權(quán)矩陣進行控制，通過實測數(shù)據(jù)驗證了其對多誤差探測和排除的效果。

3.2.6 多頻多系統(tǒng)RAIM

雙頻和三頻組合可以有效抑制電離層帶來的影響，在電離層活躍的時候，相較于單頻系統(tǒng)，能夠獲得更高的導航性能，并且能夠應對更復雜的環(huán)境。

文獻[103]研究了雙頻組合和三頻組合的GPS RAIM誤差探測方法，并對比了雙頻和三頻相對于單頻GPS RAIM的增強。文獻[104]對GPS/BDS兼容接收機雙頻RAIM算法進行了研究，得出了由于雙頻點同時出現(xiàn)的偽距偏差降低了奇偶空間矩陣傳遞測距誤差敏感性，雙頻RAIM故障識別性能優(yōu)于單頻RAIM，由于優(yōu)化了星座構(gòu)型，組合雙頻RAIM故障識別性能優(yōu)于單系統(tǒng)雙頻RAIM。文獻[105]分析了同一顆衛(wèi)星的多頻信號在產(chǎn)生和傳輸過程中的相關(guān)性，提出了一種可以應用于三頻GNSS接收機RAIM算法，可以有效提高傳統(tǒng)單頻RAIM算法的故障檢測率和隔離率。

多系統(tǒng)組合帶來影響之一是衛(wèi)星數(shù)目的增加。隨著衛(wèi)星數(shù)目的增加，衛(wèi)星幾何構(gòu)型得到了優(yōu)化，但是隨之而來的是，衛(wèi)星的多故障問題需要進一步考慮。

針對多星故障問題，文獻[106]最早提出了一種針對同時出現(xiàn)兩顆衛(wèi)星故障的處理方法，然而，這種方法并沒有對單衛(wèi)星誤差和同時兩顆衛(wèi)星誤差發(fā)生的概率加以區(qū)分。文獻[107]提出了一種最優(yōu)加權(quán)平均解(Optimal Weighted Average Solution, OWAS) 算法，通過GPS/Galileo兩個星座的定位結(jié)果在位置域加權(quán)，提高了算法的可用性。文獻[108]在OWAS的基礎上，考慮了衛(wèi)星故障可能來自于同星座的可能性，提出了一種改進的OWAS算法，通過分為3組并迭代選擇最優(yōu)加權(quán)因子對組進行加權(quán)，極大化可用性，算法表明可以滿足99%的可用性支持APV-II飛行階段。NIORAIM算法針對兩個故障同時出現(xiàn)的問題情況，評估了最佳權(quán)重集合，通過使用測量值的不均勻加權(quán)，對測量的精度與完好性獲得了較好的平衡[109]。文獻[110]比較了單顆衛(wèi)星和兩顆衛(wèi)星故障的差異，并討論了特征坡斜率的計算問題，最后給出了垂直和水平方向的理論計算結(jié)果，并比較了雙星故障的特征斜率和單星故障的特征斜率?；趲缀畏纸M的二分法(DT-RAIM)通過將所有可見衛(wèi)星分為兩部分，可以用于快速同時檢測和識別兩顆故障衛(wèi)星，這種DT-RAIM對于識別單個故障衛(wèi)星的性能幾乎等于經(jīng)典快照RAIM，而對于雙故障，DT-RAIM誤檢率較低[111]。RANCO方法考慮具有正交性特征并符合給定幾何條件的4顆衛(wèi)星子集作為基礎子集，并將納入最多內(nèi)點的子集作為識別異常值的集合[112]。約束GLR方法由Nikiforov首次提出，通過直接分析每顆衛(wèi)星信道對定位精度的影響，旨在檢測/排除導致定位失敗的故障。這種方式不僅對非顯著的附加偽距偏差、多衛(wèi)星信號異常探測有較為顯著的效果，同時也對導致定位異常的偏差很敏感[113]。

4 GNSS進近發(fā)展趨勢

4.1 精度提升

當前的精密進近應用中，民用航空進近采用的定位方式主要基于DGPS，軍事應用中的陸基和海基聯(lián)合精密進近與著陸系統(tǒng)(Joint Precision Approach and Landing System, JPALS)中采用的定位方式主要基于載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic, RTK)。前者利用了基準站和流動站之間對流層、電離層等誤差的空間相關(guān)性，通過差分方式進行消除，提升定位精度。后者則主要利用站星雙差消除了大部分共有性誤差，再利用了高精度的載波相位觀測量，通過模糊度固定之后，使得定位精度達到厘米級。

從定位精度的角度上，DGPS測量值對精度的約束主要包括兩種：① 部分誤差的空間相關(guān)性隨著距離增加而降低，進而導致了差異；② 偽距中非模型化誤差比如隨機誤差和多路徑導致的差異影響。因此，分離出空間相關(guān)性誤差差異的主要來源，通過建立模型進行更精確的改正，是改進空間相關(guān)性差異的主要手段之一。中長基線情況下，對于高程差導致的基準站和機載接收機之間的差異，可以通過模型改正抑制這部分差異帶來的影響。由于電離層風暴的影響，中短基線上的電離層梯度差異導致了基準站和觀測站的電離層偏差的空間相關(guān)性顯著降低。這部分的影響可以通過雙頻無電離層組合進行抑制，但同時需要考慮組合帶來的噪聲系數(shù)放大的影響。

而針對于非模型化誤差的影響，由于多徑嚴重依賴于觀測環(huán)境、設備等因素，實際情況難以精確建模，是制約DGPS偽距定位精度的因素之一。實際應用中，硬件抑制多徑的方法可以分為從天線和接收機的角度，分別采用抑徑天線、接收機采用多徑消除技術(shù)和多徑估計鎖相環(huán)等方式，抑制多徑給定位帶來的影響。從軟件角度，可以采用基于高度角或者載噪比的方式，排除掉多徑影響較大的觀測量，抑制多徑誤差的影響；或者采用基于濾波器的方式，對多徑成分的干擾特征進行分析和研究，濾除其影響，進而改善定位精度。建立更精確的誤差模型，改善多徑影響對于提升基于DGPS的精密進近技術(shù)的精度具有十分重要的意義。針對于噪聲影響，尤其是在基于多頻多系統(tǒng)的精密進近中，分離出特定誤差以防止噪聲過量膨脹放大，選用合適的濾波方式，對于提升精度具有十分重要的實際意義。

站星雙差之后，RTK中的共有性誤差影響基本已經(jīng)完全消除，又加上采用了測量精度更高的載波相位觀測值，雖然中長基線帶來的誤差相關(guān)性降低也會對RTK的定位精度產(chǎn)生一定的影響，但是RTK理論上的精度能夠充分滿足CAT-III類進近的精度要求。雙頻和三頻觀測量的組合可以組成一系列具有長波長的寬巷和超寬巷組合，在短基線情況下實現(xiàn)模糊度的快速固定。實際應用中，基于RTK的精密進近方式的問題主要局限于單歷元RTK模糊度的快速固定技術(shù)和固定成功率，以及高速運動情況下RTK定位穩(wěn)定性。

4.2 完好性監(jiān)測性能提升

完好性約束的來源可以分為2類：一類是系統(tǒng)內(nèi)約束，一類是系統(tǒng)外約束。系統(tǒng)內(nèi)約束的方式主要包括完好性各模塊監(jiān)測量統(tǒng)計上的內(nèi)符合性建立的約束，部分模塊監(jiān)測量利用的結(jié)合時間變化模型建立的約束和定位采用的各偽距觀測量作為冗余信息的一致性約束。當前，基于測量域?qū)Ω髂K、各項特征進行約束的監(jiān)測方式已經(jīng)有不少研究，但是主要的監(jiān)測方式仍然是將總體的誤差概率分配到各個模塊，再從各個模塊進行特征監(jiān)測。這種誤差監(jiān)測方式相對松散，實現(xiàn)容易，各個模塊監(jiān)測獨立，但是忽略了各監(jiān)測模塊之間的相關(guān)性，容易造成定位域監(jiān)測的過度保守。當前，從定位域角度利用時間信息和空間信息作為約束信息的整體監(jiān)測方式仍然較少，尚值得進一步拓展。

系統(tǒng)外約束則考慮了利用其他儀器或者系統(tǒng)的觀測量作為約束信息，可選的約束信息包括機載氣壓高度計對高程的約束、INS對飛機運動特征和位置的約束、SBAS和GBAS之間的約束等對相關(guān)特征的約束、角度約束以及其他接收機的測量量和定位約束等。系統(tǒng)外約束可以給出其他形式的冗余信息，為完好性監(jiān)測提供另外一種尺度上的參考信息，也是提升進近系統(tǒng)完好性的發(fā)展方向之一。采用系統(tǒng)外信息進行約束的同時，不但需要考慮這些信息和GNSS相關(guān)信息之間一致性，同時也需要考慮系統(tǒng)外信息的準確性和穩(wěn)定性。

當前對于完好性特征的包絡和保護限值計算中，雖然對監(jiān)測量建模的方式包含多種，但是對于大部分監(jiān)測量主要采用的方式仍然是將非高斯模型采用高斯模型包絡來進行特征計算和分析。從各模塊角度選取最優(yōu)噪聲模型進行閾值計算、整體概率分配，不同接收機之間的噪聲特征差異分析，最終完好性性能綜合分析的論文當前仍然較少，值得進一步深入探討。

多頻可以為完好性監(jiān)測和保障提供了更多的觀測量。雙頻觀測量組合能夠有效地抑制由于基準站和流動站的電離層差異帶來的影響，三頻觀測量則為組合提供了更多的組合可能。多頻在DGPS系統(tǒng)中能夠有效輔助探測電離層梯度異常，根據(jù)不同的模式選擇相應的平滑算法，可以進一步增強系統(tǒng)的完備性。多頻還能夠有效地增強周跳探測，降低周跳帶來的風險。多模組合可以顯著增加衛(wèi)星的數(shù)量，在定位中改善星座構(gòu)型，提升系統(tǒng)定位的精度，并降低由于星座構(gòu)型較差而導致的保護水平上升進而導致系統(tǒng)的連續(xù)性和可用性的降低的影響。多頻多星座組合是GNSS精密進近的發(fā)展方向和趨勢。但是在精密進近中，也帶來了一些新的問題。多頻多星座給衛(wèi)星定位引入了系統(tǒng)間偏差、頻間偏差、頻內(nèi)偏差等一系列偏差，分析這些誤差在SBAS和GBAS中可能導致的影響，并相應調(diào)整處理方式，降低誤差給定位和完好性監(jiān)測帶來的影響，也是實際應用中需要注意的地方。

4.3 星座篩選

傳統(tǒng)的單系統(tǒng)下，隨著星座的運行，有些區(qū)域可觀測的GNSS衛(wèi)星密度不足，或者由于信號干擾或遮擋等原因，影響了定位系統(tǒng)的可用性。多系統(tǒng)組合的到來，使得傳統(tǒng)單系統(tǒng)中由于GNSS星座結(jié)構(gòu)不合理導致的低可用性進一步降低，增強了定位的精度和完好性監(jiān)測的可用性，我們面臨的問題也從傳統(tǒng)的衛(wèi)星不足轉(zhuǎn)為衛(wèi)星的篩選。

選取GNSS的定位子集的方法有很多種。最簡單的方式是通過截止高度角，當高度角低于某個特定點，將其剔除出定位集，這種方式也是通常采用的方式。高度角排序法將接收機的觀測量按照衛(wèi)星高度角進行排序，選取其中最高的k個，這種方式具有很好的跟蹤穩(wěn)健性，但是達不到最佳可用性。遍歷搜索可以獲得最優(yōu)子集但是計算效率非常低，在工程應用中隨著衛(wèi)星數(shù)目的增加，難以滿足告警時間需求，實用價值低。

當前基于DOP (Dilution of Precision, DOP) 性能的多星座選星方法已經(jīng)有一些研究[114-120]。隨著2018年全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的進一步完善，衛(wèi)星數(shù)量進一步增加，針對不同類型、不同系統(tǒng)、不同觀測質(zhì)量的多衛(wèi)星系統(tǒng)的選星算法具有一定的研究價值。從完好性的角度出發(fā)，找出保護級最小的定位子集，對于完好性性能角度的提升具有實用的價值[121]。隨著衛(wèi)星數(shù)目的增加，矩陣求逆的運算復雜度進一步上升，篩選出合適的定位子集能夠有效的降低計算復雜度，并提升系統(tǒng)性能，在完好性監(jiān)測和告警中對完好性精度和告警時間也具有重要的意義。當前的選星算法中大多數(shù)基于GDOP (Geometric Dilution of Precision, GDOP) 和定位精度，側(cè)重于從完好性角度的選星算法仍然較少，值得進一步深入研究和探討[107]。

4.4 進近的普適性

終端進近關(guān)乎機載人員的生命安全，具有極高的安全性能要求。實際情況中，電離層活躍和射頻干擾等因素對精密進近的性能仍然具有較高的制約性。在中緯度地區(qū)，電離層相對穩(wěn)定，在極地和赤道附近，電離層的活躍性較高，不同地區(qū)的電離層特征分析、梯度監(jiān)測、模型選擇與切換、參數(shù)選取、SBAS和GBAS的誤差改正模型的協(xié)方差包絡都將隨之而變化，尚需要進一步進行研究和分析。前述論文研究表明，手持設備對GNSS信號具有一定的干擾性。針對主動干擾和被動干擾等情況，提升設備的軟硬件可靠性，建立在不同的環(huán)境下可靠而穩(wěn)健且能夠因地制宜滿足所需性能要求的進近系統(tǒng)，也是終端進近的發(fā)展方向之一。

4.5 基于兼容和互操作的GNSS進近

兼容與互操作的概念最早由2014年美國的定位、導航與授時國家政策提出，其定義為：兼容是單獨或者聯(lián)合使用美國空基定位、導航以及授時系統(tǒng)和國外對應系統(tǒng)提供的服務時，不互相干擾各自的服務或信號，并且沒有惡意導致導航?jīng)_突；互操作是聯(lián)合使用美國民用空基定位、導航和授時系統(tǒng)以及國外相應系統(tǒng)提供的服務，從而在用戶層面提供較好的性能服務，而不是依靠單一系統(tǒng)的服務或者信號來獲得服務。

GNSS的兼容與互操作有助于降低GNSS應用的成本、提升GNSS性能，增強GNSS系統(tǒng)間的兼容性與互操作性也是未來GNSS的重要發(fā)展趨勢，而多頻多星座(Multiple Frequency Multiple Constellation, MFMC) 也是完好性發(fā)展的方向。分析不同系統(tǒng)間的信號的相關(guān)干擾問題，基于互操作性前提下降低GNSS終端設備的軟硬件成本、進一步提升GNSS定位性能，增強精密進近服務的性能，對于精密進近的工程應用具有重要的意義。

4.6 GNSS進近的政策性推動

民航業(yè)作為中國國民經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，將迎來廣闊的發(fā)展空間。十三五規(guī)劃指出，十三五期間將續(xù)建機場30個，新建機場44個，改擴建機場139個，遷建機場19個，在十三五末期完善東北、華北、西北、中南、華東、西南六大機場群，新增布局一批運輸機場，運輸機場總數(shù)達到260個左右。

終端進近技術(shù)作為保障民航安全運營的重要組成部分，隨著航空運輸業(yè)的繁榮發(fā)展將迎來廣闊的發(fā)展空間?；贕NSS的終端進近技術(shù)與傳統(tǒng)的進近技術(shù)相比，對于增進進近服務的性能、降低運營成本、保障飛行流量較大和高峰時段擁堵機場的空管能力具有十分重要的價值和意義。當前，發(fā)達國家應用的主要進近技術(shù)中，基于SBAS的進近技術(shù)占據(jù)著重要的一席之地，基于GBAS的精密進近技術(shù)正受到廣泛的發(fā)展，RAIM也作為機載接收機獨立監(jiān)測技術(shù)為機載保障提供了重要的參考和意義。成熟的GNSS進近技術(shù)作為保障民航安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，可以通過科學手段降低人為失誤影響，提供預警，控制進近風險，具有廣泛的需求和應用空間，推進產(chǎn)學研相結(jié)合，推動實用價值技術(shù)落地應用能夠促進相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展，從而給民航運營帶來顯著的經(jīng)濟價值和安全保障。

隨著民航和進近相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，技術(shù)、產(chǎn)品、專利和市場均需并重發(fā)展。面對發(fā)達國家企業(yè)在核心技術(shù)領(lǐng)域的全球?qū)＠季脂F(xiàn)狀，專利不僅是企業(yè)的無形資產(chǎn)，同時也是服務于戰(zhàn)略目的的競爭和合作的工具，對于相應企業(yè)的發(fā)展具有重大意義。從提升專利質(zhì)量，在關(guān)鍵核心技術(shù)專利形成布局，促進專利轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)社會經(jīng)濟效益角度，整合對應產(chǎn)業(yè)鏈，提升相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)國際競爭力提供保障，樹立專利保護意識和維權(quán)意識等多個角度進行推動和布局，對中國民航相應領(lǐng)域的順利發(fā)展具有十分重要的意義。

4.7 立法保護

根據(jù)《國務院關(guān)于促進民航業(yè)發(fā)展的若干意見》，意見從政策措施方面提出加強航空安全、空間交通、適航審定、通用航空等方面的立法工作，建立比較完善的民航法規(guī)和標準體系[122]。這方面在當前仍存在不足，亟需進一步完善。中國雖然在航空航天的技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的成果，但現(xiàn)在暫未形成完善成熟的航空航天知識產(chǎn)權(quán)的法律保護體系。在實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、建設知識產(chǎn)權(quán)強國的新時代下，倡導創(chuàng)新文化，強化知識產(chǎn)權(quán)構(gòu)造，保護和運用對于保護相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)健康發(fā)展并推動產(chǎn)業(yè)建設，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

5 北斗在民航進近中的應用、發(fā)展與挑戰(zhàn)

北斗的部署包括兩個階段：區(qū)域化和全球化。截止到2012年底，14顆BDS衛(wèi)星(5GEO+5IGSO+4MEO)在軌，初步實現(xiàn)了亞太區(qū)域服務覆蓋，2015年3月30日，新一代BDS衛(wèi)星發(fā)射，標志著中國BDS系統(tǒng)從區(qū)域化向全球化的擴展。我國現(xiàn)已全面啟動北斗系統(tǒng)第三步建設，即北斗三號系統(tǒng)，計劃到2020年完成30顆衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)任務，實現(xiàn)全球組網(wǎng)目標；計劃到2035年，完成下一代北斗系統(tǒng)星座組網(wǎng)，建成時空信息服務的備份增強系統(tǒng)，部署多源融合高可信的定位導航和授時(Positioning, Navigation, and Timing, PNT)終端，完成國家綜合PNT體系建設，提供體系化的PNT服務。北斗的全球組網(wǎng)也昭示著民航進近領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀嗟臋C遇和挑戰(zhàn)。

北斗作為全球第一個擁有三軌混合星座和三頻完整服務能力的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，不僅能夠帶來較為經(jīng)濟的導航星座構(gòu)型方案，并且增強了衛(wèi)星導航服務在復雜電磁環(huán)境環(huán)境下的魯棒性和健壯性，在高精度實時測量領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢。作為全球第一個基本導航與星基增強一體化設計的系統(tǒng)，北斗GEO衛(wèi)星在基本導航信號中同時播發(fā)差分與完好性廣域增強信息，GEO衛(wèi)星空間信號既是基本導航信號又是星基增強信號，同時兼具良好的測距性能和完整的差分增強能力，對北斗重點服務區(qū)提供了更多的測距可用衛(wèi)星數(shù)和更高的服務可用性。北斗的這些差異化特性，有效的增強了其在實時測量和導航應用領(lǐng)域的優(yōu)勢，給民航終端進近的推進和發(fā)展帶來了更多可能和挑戰(zhàn)[123]。

2017年8月，民航局發(fā)布了《民航局關(guān)于推進國產(chǎn)民航空管產(chǎn)業(yè)走出去的指導意見》，意見中特別提及重點考慮將雷達、空管自動化系統(tǒng)等成熟、優(yōu)質(zhì)裝備,以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品等自主創(chuàng)新技術(shù)作為推進空管技術(shù)產(chǎn)業(yè)國際化的切入點，集中優(yōu)勢，重點突破。這意味著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應用步伐將進一步加快，也為民航領(lǐng)域在加快北斗產(chǎn)業(yè)化進程，推動產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和完善提供了契機。

適航性是保證飛機安全飛行的必備品質(zhì)，也是飛機制造業(yè)工程發(fā)展的主要節(jié)點之一。中國航空總局對運輸類飛機的適航標準做了明確的規(guī)定，高標準精密進近的批準必須驗證飛機滿足適航性標準，達到性能、完好性、有效性的要求，投入使用后仍要滿足相關(guān)持續(xù)性適航要求，確保飛機持續(xù)處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。十三五規(guī)劃提出了要全面實施適航攻關(guān)，提升型號審定能力。2017年10月10-14日，中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)首次在ARJ21-700飛機 103 架機上進行了測試試飛，試驗按照相關(guān)國際民航標準及中國民航有關(guān)技術(shù)標準要求，完成了機載北斗衛(wèi)星導航接收機功能和性能試飛驗證，基于北斗的地基增強系統(tǒng)實現(xiàn)CAT-I的性能試飛驗證，以及北斗短報文功能試飛驗證。測試結(jié)果表明國產(chǎn)相關(guān)系統(tǒng)的性能達到國外同類系統(tǒng)水平，其中瞬態(tài)和快速定位指標居國際領(lǐng)先地位。2018年也是國產(chǎn)大飛機C919適航取證的關(guān)鍵一年，C919將在閻良和東營進行適航取證試驗飛行。進近系統(tǒng)適航性要求是適航性要求中的重要組成部分之一，有助于為加強適航審定和航空器運行評審能力建設、健全適航審定組織體系提供有力支撐。推進GNSS終端進近在大飛機適航取證方面對中國自主知識產(chǎn)權(quán)大飛機邁向世界，服務于大飛機戰(zhàn)略具有十分重要的價值和意義。

6 結(jié) 論

隨著民用航空的迅速發(fā)展，飛機進近服務的安全性保障問題尤為凸顯，對飛機終端進近提供穩(wěn)定、可靠、具有高完好性性能的服務是飛行安全技術(shù)保障的研究熱點之一。

GNSS增強系統(tǒng)通過提供全天候無間斷的衛(wèi)星導航信號，可以對飛機終端進近提供低成本、高完好性的服務。針對不同GNSS增強系統(tǒng)的特點、發(fā)展和應用方向，結(jié)合多頻多系統(tǒng)組合的發(fā)展趨勢，進一步分析不同環(huán)境下各GNSS增強系統(tǒng)的各類誤差模型特點，建立能夠滿足高性能要求的完好性監(jiān)測和進近服務系統(tǒng)，進而提升航空安全保障，是非常有意義的研究方向。