——四川航空 王碩 方程 包振中
一、飛機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分類及原理
1.1全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS: Global Navigation Satellite System)
1.2 GPS基本原理
如圖，GPS系統(tǒng)由空間部分（24顆衛(wèi)星）＋控制部分（由1個主控站，5個監(jiān)控站和3個注入站組成）＋用戶部分（包含GPS接收器及相關(guān)設(shè)備）構(gòu)成。
1.3 GPS定位原理
如何通過衛(wèi)星獲得飛機(jī)的空間坐標(biāo)（X、Y、Z) 以及時間坐標(biāo)T呢？有兩種方式：
1. 從衛(wèi)星的星歷（里面有此衛(wèi)星準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)（X1Y1Z1) , 以及準(zhǔn)確的時間T1) 算出GPS接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離。也就是上圖藍(lán)線的長度，通過勾股定理，使用坐標(biāo)計(jì)算距離。
2. 用時間乘信號傳送速度來算出飛機(jī)到衛(wèi)星的距離，信號傳輸?shù)乃俣纫簿褪枪馑?X10^8m/s。
這兩種方式算出的距離是相等的，故得到紅色方框這個等式。
但這個等式里，有4個XYZ和T都是未知數(shù)，無法解題。一般需要4個這樣的等式才可以解出XYZ和T.那么其他三個等式從何而來？答案是其他3個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。那么就可以和另外3個等式，解出XYZ和T。所以GPS接收機(jī)至少需要4顆衛(wèi)星，才能確定自己的空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)。
1.4接收機(jī)自主完好性監(jiān)控（RAIM: Receiver Autonomous Integrity Monitoring)
所有航空用 GNSS接收機(jī)都必須具備 RAIM功能。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，他不能監(jiān)控接收機(jī)本身的故障。所以需要第5顆衛(wèi)星完成此功能。RAIM是FMC評價導(dǎo)航精度的重要依據(jù)之一。說到此就要提及 RAIM 空洞（飛行中會遇到湊不夠5顆可用衛(wèi)星的情況，此情況被稱之為“RAIM空洞”） . 空洞的發(fā)生主要受下面三個因素的影響。
(1) 星歷
星歷是 GNSS 衛(wèi)星運(yùn)行的軌道數(shù)據(jù)，說白了就是一張時間表，告訴我們衛(wèi)星什么時間在什么地點(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小時繞地球一圈。依照星歷計(jì)算在某一時間、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，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)會設(shè)定一個遮蔽高度角，低于這個角度的衛(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，會對外發(fā)出衛(wèi)星故障通報?？捎眯l(wèi)星數(shù)量減少也會增大RAIM空洞出現(xiàn)的概率。
二、GPS故障案例分析
2.1 故障案例描述
某航2019年整年共發(fā)生與GPS有關(guān)故障共10起，表現(xiàn)的故障有 NAV FM/GPS POS DISAGREE、CHECK IRS2/FM POSITION、CHECK IRS3/FM POSITION、TERRAIN AHEAD PULL UP, NAV GPS1 PAULT+
NAV GPS2 FAULT、GPS PRIMARY LOST、 TOO LOW TERRAIN、NAV GPS1+2 FAULT等。2020年開年至今在某機(jī)場進(jìn)近區(qū)域10000英尺以下多起機(jī)組報告NAV ADS-B RPTG X FAULT.2019年7月4日至7月11日，共有19個機(jī)組報告某機(jī)場下降過程中出現(xiàn)機(jī)載GPS信號失效的情況，并出現(xiàn)“導(dǎo)航RNP不可用”和“地形位置”的告警信息。技術(shù)小組逐一進(jìn)行確認(rèn)和排查，最后判斷五邊進(jìn)近出現(xiàn)的GPS失效問題最大的可能還是干擾引起。經(jīng)過監(jiān)測車和無人機(jī)精準(zhǔn)定位了GPS的干擾源位置。確定干擾設(shè)備為聯(lián)通4G的GPS設(shè)備，因故障導(dǎo)致其發(fā)射干擾信號，聯(lián)通到現(xiàn)場進(jìn)行測試并關(guān)停故障設(shè)備，隨后GPS干擾信號消失。
2.2故障原因
發(fā)生故障的原因一：
由以上的系統(tǒng)原理及計(jì)算方法，我們可以得出結(jié)論，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都可能出現(xiàn) GPS故障以及信號精度下降。其中包括：
(1)空間部分：衛(wèi)星故障／關(guān)閉，RAIM空洞（星歷，MASKANGLE, 衛(wèi)星故障通告
(2)控制部分：設(shè)備故障，各星歷時間不一致
(3)用戶部分MMR故障，GPS接收器故障，F(xiàn)MS故障，MCDU故障，F(xiàn)MS/GPS位置不一致
發(fā)生故障的原因二：
無線電干擾，GPS信號是低功率信號。它相當(dāng)于距離地球表面2萬多公里的一個60w燈泡所發(fā)出的能量。這意味著，信號很容易受到位于飛機(jī)附近的任何在GPSL1頻帶（1575. 42MHz+/-10MHz) 內(nèi)發(fā)射的地面源的干擾，從而導(dǎo)致 GPS 數(shù)據(jù)丟失。
1.個人私設(shè)裝置 Personal Privacy Devices (PPD) : 當(dāng)機(jī)場附近的這些裝置被激活時，這些裝置會為避免跟蹤干擾附近區(qū)域的GPS信號，導(dǎo)致GPS信號丟失，機(jī)場的運(yùn)行中斷。
2.敏感場所和貴賓的保護(hù) Protection of sensitive sites and VIPs出于安全原因，某些敏感地點(diǎn)可能會使用GNSS無線電干擾來保護(hù)，例如監(jiān)獄設(shè)施、政要或政治人物居住或訪問的地點(diǎn)。在這些地點(diǎn)附近作業(yè)的飛機(jī)可能受到GPS信號干擾的影響。
3.GPS中繼器GPS repeater: 是用于在機(jī)庫內(nèi)在飛機(jī)維修期間，使GPS信號仍可用的裝置，它的信號干擾了實(shí)際的 GPS信號，導(dǎo)致靠近機(jī)庫的飛機(jī)出現(xiàn)接收問題。
4.電視廣播電臺故障TV broadcast station malfunction: 電視臺故障，頻率干擾了GPS信號，影響了飛的運(yùn)行。
5.沖突地區(qū)軍用GPS無線電干擾 Military GPS RFI in conflict zones: 如果距離軍事沖突地區(qū)太近，GPS無線電干擾也會導(dǎo)致飛行中GPS信號丟失。這些區(qū)域通常是已知的，通過NOTAMs告知飛行機(jī)組，它們可能在這些區(qū)域附近遇到干擾?？赡艿那闆r是，也有可能活動事先不知道，或未事先通知，導(dǎo)致GPS信號丟失。
空客官方文件中，當(dāng)GPS故障或者受到干擾時，跟我們飛行相關(guān)的關(guān)鍵系統(tǒng)都有可能發(fā)生故障，間接影響我們的航空安全?，F(xiàn)象如下：GPWS地形探測故障，ADS-B報告故障，ROW/ROP失去，TCAS ATSAW功能失去，超出當(dāng)前階段RNP精度失去TAWS地形預(yù)警功能，氣象雷達(dá)不可用等等重大故障。作為機(jī)組，我們要引起相當(dāng)?shù)闹匾暋５珡哪壳暗恼{(diào)查來看，普遍重視程度不高。
三、GPS故障處置方案
通過非正常情況下的SOP, 結(jié)合以上的理論知識我們可以得到以下的處置方案，供飛行機(jī)組參考：
1. 做好航前準(zhǔn)備工作，注意查閱放行單和NOTAMs: 當(dāng)?shù)弥憴C(jī)場RAIM中斷不可用或者有干擾信號時，查看是否有備用程序，并且是否可用，做好兩手準(zhǔn)備。
2. 飛行中ECAM故障不會及時顯示出來，從巡航階段開始 PF 需要一直保持監(jiān)控進(jìn)展頁面，其他界面操作完成后立馬回到進(jìn)展頁面（遵守SOP) 隨時監(jiān)控導(dǎo)航精度。
3. 識別判定：先識別具體是什么故障，再判定是精度下降／設(shè)備故障。
4. 飛行，導(dǎo)航，通訊
5. 有無OEB以及記憶項(xiàng)目
6. 執(zhí)行ECAM 并完成
7. 再具體判定：如精度下降，那么監(jiān)控精度，有報告以往假地形警告，精度不滿足所在階段可考慮關(guān)閉 TERR/設(shè)備故障，那么關(guān)閉 TERR, 進(jìn)入降級導(dǎo)航模式。
8．做短期決策，并查看是否可以復(fù)位GPS或相關(guān)部件。
9. 評估風(fēng)險：是否可以安全飛向目的地。
10. 若是海洋，極地或者高高原地區(qū)，考慮返航或者備降。
11. 聯(lián)系一切可用資源尋找?guī)椭∕CCAOC; 附近飛機(jī)，ATC等等）。
12. 實(shí)施備用方案，落地后填寫故障本并報告機(jī)務(wù)詳細(xì)信息。
作為飛行員“戰(zhàn)略上藐視敵人，戰(zhàn)術(shù)上重視敵人”，由于GPS故障是屬于次要故障，機(jī)組很可能從戰(zhàn)略上藐視它的存在。還有句話，知己知彼百戰(zhàn)不殆，我們只有在平時多了解GPS關(guān)聯(lián)的故障，并補(bǔ)充自己相關(guān)知識的空白，才能更重視他，在突發(fā)故障時才會有備無患，安全飛行。
——本文源自《飛行員》雜志2020年第1期 總第101期
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