GPS在航海航空導航中的應用
發布日期: 2009-6-9 信息(xi)來源: 網(wang)上摘錄 作者: 衛通達
1. GPS航海導航應用
衛星技術用于海上導航可以追溯到60年代的第一代衛星導航系統TRANSIT，但這種衛星導航系統最初設計主要服務于極區，不能連續導航，其定位的時間間隔隨緯度而變化。在南北緯度 70度以上，平均定位間隔時間不超過30分鐘，但在赤道附近則需要90分鐘，80年代發射的第二代和第三代TRANSIT衛星NAVARS和OSCARS彌補了這種不足，但仍需10至15分鐘。此外 采用的多仆勒測速技術也難以提高定位精度（需要準確知道船舶的速度），主要用于 2維導航。
GPS系統的出現克服了TRANSIT系統的局限性，不僅精度高、可連續導航、有很強的抗干擾能力； 而且能提供七維的時空位置速度信息。在最初的實驗性導航設備測試中，GPS就展示了其能代替 TRANSIT和路基無線電導航系統，在航海導航中發揮劃時代的作用。今天很難想象哪一條船舶 不裝備GPS導航系統和設備，航海應用已名副其實成為GPS導航應用的最大用戶，這是其他 任何領域的用戶都難以比擬的。
GPS航海導航用戶繁多，其分類標準也各不相同，若按照航路類型劃分、GPS航海導航可以分為五大類：
遠洋導航；
海岸導航；
港口導航；
內河導航；
湖泊導航。
不同階段或區域，對航行安全要求也因環境不同而各異,但都是為了保證最小航行交通沖突，最有效地利用日益擁擠的航路，保證航行安全，提高交通運輸效益，節約能源。
按照導航系統的功能劃分大致有以下幾類：
1.1 自主導航
自主導航系統適于上述五種航路的任何一種，它基本上是一種單純的導航系統，其主要特征 是僅向用戶提供位置、航速、航向和時間信息，也可包括海圖航跡顯示，不需通信系統。 適應于任何海面、湖面和內河上航行的船舶，從大型遠洋貨輪到私人游艇。
1.2 港口管理和進港引導
這種系統主要用在港口/碼頭的船舶調度管理、進港船舶引導，以確保港口/碼頭航行的 安全和秩序。該系統需要雙向數據/話音通信，以便于領航員引導船舶；港區情境/海圖顯示，以表明停泊的船舶和可利用的進港航線，避免沖撞。這種系統對導航系統的精度要求高，要采用差分GPS和其他增強技術。
1.3 航路交通管理系統
這類系統與2類似，但主要用于近海和內陸河航路上的船舶導航和管理，通常需要衛星通訊 系統支持，如INMARSAT等。
1.4 跟蹤監視系統
這類系統主要用于海上巡邏艇、緝私艇及各種游艇，特別是私人游艇以防盜。根據具體的使用對象， 有些系統需要給出導航參量和雙向數據/話音通訊，如緝私艇。而有時則不需要給出 導航參量，如用于私人游艇防盜，僅需要單向數據通訊，一旦發生被盜，游艇上的導航系統 不斷把自己的位置和航向送到有關中心，以便于跟蹤。
1.4 緊急救援系統
系統也包括兩棲飛機，直升機和陸地車輛。它適應于所有五類航路，用于搜尋和救援各種 海面、湖面、內河上的遇險、遇難船舶和人員。這類系統需要雙向數據/話音通信，要求響應時間快、定位精度高。
1.5 GPS/聲納組合用于水下機器人導航
該類組合系統可用于水下管道鋪設和維修（需要視覺系統），水文測量以及其它海下作業，如用于港口/碼頭水下勘測，以便于進場航道阻塞物清除，保證航道暢通，也可用于遠洋捕撈，漁船作業引導等。
1.6 其它應用
所采用的導航技術主要有：
GPS（GNSS）；
聲納技術；
INS；
航海圖
無線電導航技術；
圖象匹配技術；
其它技術。
所采用通信技術主要有：
FM和TV副載波單向數據/話音通信；
信標臺網雙向數據通信；
集群通信；
蜂窩通信；
陸基移動數字通信；
衛星移動通信；
流量余跡通信等。
前5種通信技術主要用于近海、內河和湖泊區域。
2.GPS航空導航應用
盡管從純技術革新和進步的意義上講，第一代TRANSIT衛星導航系統開創了導航技術的新紀元。但TRANSIT并未在航空導航領域得到應用，衛星導航技術 真正用于航空導航可以說是始于GPS系統。70年代初期，當GPS計劃正在醞釀和方案論證階段，有人就提出用有限的GPS衛星和高度表組合實現飛機導航、 進場和起飛，并進行了大量的仿真研究。80年代初，即1983年，在當時僅有5顆 GPS衛星的情況下，ROCKWELL的商用飛機SABRELINER（軍刀）就載著《航空周刊 和空間技術》的公正觀測員和幾名客人，從美國的衣阿華州首航大西洋到達法國的巴黎，其導航系統使用一臺單通道雙頻軍用GPS接收機和一臺單通道單頻民用GPS接收機進行全程 GPS導航，中途有四次著陸主要是為了等待GPS衛星信號。這次GPS導航是成功的，但 FAA的官員對于利用GPS進行航空導航仍持保留態度和疑慮，這些疑慮主要表現在以下幾方面：
選擇可用性問題；
5顆衛星覆蓋的連續性和可用性問題；
完善性問題；
費用（包括用戶系統價格和GPS收費）；
選擇可用性影響GPS導航系統的精度、完善性、可用性和服務連續性，影響GPS用于航空導航可靠性和航行安全，而用戶GPS導航系統和設備的價格以及GPS的收費標準直接關系到 用戶的承受能力。
80年代后期年代初，GPS用戶設備價格逐年下降，體積也越來越小；各種增強技術，差分技術和組合技術日趨成熟，GLONASS也完全安裝并投入使用，這些都為GPS在航空導航中的應用 帶來了廣闊的前景。
可以預見：GPS將使全球無間隙導航和監視成為可能，這將是航空導航史上的一次劃時代的 革命。
今天，GPS在航空導航中的應用可謂無孔不入，如果按航路類型或飛機階段劃分，則涉及到：
洋區空域航路
內陸空域航路
終端區導引
進場/著陸
機場場面監視和管理
特殊區域導航，如農業、林業等。
在不同的航路段及不同的應用場合，對導航系統的精度、完善性、可用性、服務連續性 的要求不盡相同，但都要保證飛機飛行安全和有效利用空域。
按照機載導航系統的功能劃分，GPS在航空導航中的應用以下幾個方面：
2.1 航路導航
航路主要指洋區和大陸空域航路。各種研究和實驗已經證明，GPS和一種 稱之為接收機自主完善性監測（RAIM）的技術能滿足洋區航路對GPS的導航精度、完善性 和可用性的要求，而且精度也能滿足大陸空域航路的要求。GPS和廣域增強系統也能滿足大陸空域航路 精度、完善性和可用性的要求。GPS的精度遠優于現有任何航路用導航系統，這種精度的提高 和連續性服務的改善有助于有效利用空域，實現最佳的空域劃分和管理、空中交通流量 管理以及飛行路徑管理，為空中運輸服務開辟了廣闊的應用前景，同時也降低了營運成本， 保證了空中交通管制的靈活性。
GPS的全球、全天候、無誤差積累的特點，更是中、遠程航線上目前最好的導航系統。 按照國際民航組織的部署，GPS將逐漸替代現有的其他無線電導航系統。GPS不依賴于 地面設備、可與機載計算機等其他設備一起進行航路規劃和航路突防，為軍用飛機的導航 增加了許多靈活性。
2.2 進場/著陸
包括非精密進場/著陸、CAT-1、2、3類精密進場/著陸。GPS及其廣域增強系統完全 滿足非精密進場/著陸對清度、完善性和可用性的要求；再用局域偽距差分技術/系統增強，能滿足CAT-1、2類精密進場的要求。目前實驗表明，采用載波相位差分技術，精度可達到 CAI-3b類的要求。可以肯定，各種增強和組合系統（如LAAS、WAAS、INS等）與GPS將成為進場/ 著陸的主要手段，儀表著陸將最終被取代。由于GPS著陸系統設備簡單、無需復雜的地面支持 系統，它將適合于任何機場，包括私人機場和山區機場。理論上，GPS著陸系統可以引導 飛機沿著任意一條飛行剖面和進場路徑著陸，這就增強了各種機場著陸的靈活性和盲降能力。
2.3 場面監視和管理
包括終端飛行管理和機場場面監視/管理。場面監視和管理的目的就是 要減少起飛和進場滯留時間，監視和調度機場的飛機、車輛和人員，最大效率地利用終端 空間和機場，以保證飛行安全。GPS、數字地圖和數字通信鏈為開發先進的場面導航、通信和 監視系統提供了全新的技術，可以確信基于GPS/數字地圖的場面監視和管理將為機場帶來很大 效益。
2.4 航路監視
目前的監視是一種非相關監視系統，主要是利用各種雷達系統，可以和機載 導航系統互成備份。但這種監視系統地面和機載設備復雜、價格高、監視精度隨距離而 變化，作用距離有限，不可能實現全球覆蓋和全球無間隙監視。GPS和航空移動衛星系統的出現 ，將改變這種傳統的監視方法，機載GPS導航系統通過通信自動報告自己的位置這種"自動 相關監視系統ADS"已經提出，目前的演示和實驗已經證明ADS為飛行各階段的監視都會帶 來益處，特別是為了洋區和內陸邊遠地區空域實現自動自動監視業務提供了可能。這將杉其有 效地減輕飛行員/管制人員的工作負擔，同時也增加了ATM的靈活性。
2.5 飛行試驗與測試
在新機型、新機載設備、機載武器系統或地面服務系統設計、定型、測試中， 基于GPS的飛行狀態參數測量系統或可作為基準，可比較的輔助設備將使飛行試驗及數據 處理和飛行測試變的簡單和節省開支。
2.6 特種飛機的應用
航空母艦上飛機著艦/起飛導引系統，直升機臨時起降導引、軍用飛機的編隊、 突防、空中加油、空中搜索與救援等。
2.7 航測
除了一般飛機要求的導航、起降功能外，用于航測的飛機還需要提供記載測量 或攝影設備的位置及時信息交聯、數據記錄及事后處理。
2.8 其他應用
如飛行訓練、校驗ILS系統等。盡管在目前的DGPS進場/著陸演示飛行中，大都用 ITS作為基準系統來評估DGPS著陸系統的能力，但事實上，DGPS的精度要優于ILS系統。在 ILS沒有關閉之前，用DGPS校驗，是一種價格低、精度完全滿足校驗ILS的基準系統。目前， 用光測和雷達價格高、設備龐大、復雜。 當然，以上并未包括GPS在航空中應用的所有方面，并且新的應用途徑仍在試驗與開發之中。
衛星技術用于海上導航可以追溯到60年代的第一代衛星導航系統TRANSIT，但這種衛星導航系統最初設計主要服務于極區，不能連續導航，其定位的時間間隔隨緯度而變化。在南北緯度 70度以上，平均定位間隔時間不超過30分鐘，但在赤道附近則需要90分鐘，80年代發射的第二代和第三代TRANSIT衛星NAVARS和OSCARS彌補了這種不足，但仍需10至15分鐘。此外 采用的多仆勒測速技術也難以提高定位精度（需要準確知道船舶的速度），主要用于 2維導航。
GPS系統的出現克服了TRANSIT系統的局限性，不僅精度高、可連續導航、有很強的抗干擾能力； 而且能提供七維的時空位置速度信息。在最初的實驗性導航設備測試中，GPS就展示了其能代替 TRANSIT和路基無線電導航系統，在航海導航中發揮劃時代的作用。今天很難想象哪一條船舶 不裝備GPS導航系統和設備，航海應用已名副其實成為GPS導航應用的最大用戶，這是其他 任何領域的用戶都難以比擬的。
GPS航海導航用戶繁多，其分類標準也各不相同，若按照航路類型劃分、GPS航海導航可以分為五大類：
遠洋導航；
海岸導航；
港口導航；
內河導航；
湖泊導航。
不同階段或區域，對航行安全要求也因環境不同而各異,但都是為了保證最小航行交通沖突，最有效地利用日益擁擠的航路，保證航行安全，提高交通運輸效益，節約能源。
按照導航系統的功能劃分大致有以下幾類：
1.1 自主導航
自主導航系統適于上述五種航路的任何一種，它基本上是一種單純的導航系統，其主要特征 是僅向用戶提供位置、航速、航向和時間信息，也可包括海圖航跡顯示，不需通信系統。 適應于任何海面、湖面和內河上航行的船舶，從大型遠洋貨輪到私人游艇。
1.2 港口管理和進港引導
這種系統主要用在港口/碼頭的船舶調度管理、進港船舶引導，以確保港口/碼頭航行的 安全和秩序。該系統需要雙向數據/話音通信，以便于領航員引導船舶；港區情境/海圖顯示，以表明停泊的船舶和可利用的進港航線，避免沖撞。這種系統對導航系統的精度要求高，要采用差分GPS和其他增強技術。
1.3 航路交通管理系統
這類系統與2類似，但主要用于近海和內陸河航路上的船舶導航和管理，通常需要衛星通訊 系統支持，如INMARSAT等。
1.4 跟蹤監視系統
這類系統主要用于海上巡邏艇、緝私艇及各種游艇，特別是私人游艇以防盜。根據具體的使用對象， 有些系統需要給出導航參量和雙向數據/話音通訊，如緝私艇。而有時則不需要給出 導航參量，如用于私人游艇防盜，僅需要單向數據通訊，一旦發生被盜，游艇上的導航系統 不斷把自己的位置和航向送到有關中心，以便于跟蹤。
1.4 緊急救援系統
系統也包括兩棲飛機，直升機和陸地車輛。它適應于所有五類航路，用于搜尋和救援各種 海面、湖面、內河上的遇險、遇難船舶和人員。這類系統需要雙向數據/話音通信，要求響應時間快、定位精度高。
1.5 GPS/聲納組合用于水下機器人導航
該類組合系統可用于水下管道鋪設和維修（需要視覺系統），水文測量以及其它海下作業，如用于港口/碼頭水下勘測，以便于進場航道阻塞物清除，保證航道暢通，也可用于遠洋捕撈，漁船作業引導等。
1.6 其它應用
所采用的導航技術主要有：
GPS（GNSS）；
聲納技術；
INS；
航海圖
無線電導航技術；
圖象匹配技術；
其它技術。
所采用通信技術主要有：
FM和TV副載波單向數據/話音通信；
信標臺網雙向數據通信；
集群通信；
蜂窩通信；
陸基移動數字通信；
衛星移動通信；
流量余跡通信等。
前5種通信技術主要用于近海、內河和湖泊區域。
2.GPS航空導航應用
盡管從純技術革新和進步的意義上講，第一代TRANSIT衛星導航系統開創了導航技術的新紀元。但TRANSIT并未在航空導航領域得到應用，衛星導航技術 真正用于航空導航可以說是始于GPS系統。70年代初期，當GPS計劃正在醞釀和方案論證階段，有人就提出用有限的GPS衛星和高度表組合實現飛機導航、 進場和起飛，并進行了大量的仿真研究。80年代初，即1983年，在當時僅有5顆 GPS衛星的情況下，ROCKWELL的商用飛機SABRELINER（軍刀）就載著《航空周刊 和空間技術》的公正觀測員和幾名客人，從美國的衣阿華州首航大西洋到達法國的巴黎，其導航系統使用一臺單通道雙頻軍用GPS接收機和一臺單通道單頻民用GPS接收機進行全程 GPS導航，中途有四次著陸主要是為了等待GPS衛星信號。這次GPS導航是成功的，但 FAA的官員對于利用GPS進行航空導航仍持保留態度和疑慮，這些疑慮主要表現在以下幾方面：
選擇可用性問題；
5顆衛星覆蓋的連續性和可用性問題；
完善性問題；
費用（包括用戶系統價格和GPS收費）；
選擇可用性影響GPS導航系統的精度、完善性、可用性和服務連續性，影響GPS用于航空導航可靠性和航行安全，而用戶GPS導航系統和設備的價格以及GPS的收費標準直接關系到 用戶的承受能力。
80年代后期年代初，GPS用戶設備價格逐年下降，體積也越來越小；各種增強技術，差分技術和組合技術日趨成熟，GLONASS也完全安裝并投入使用，這些都為GPS在航空導航中的應用 帶來了廣闊的前景。
可以預見：GPS將使全球無間隙導航和監視成為可能，這將是航空導航史上的一次劃時代的 革命。
今天，GPS在航空導航中的應用可謂無孔不入，如果按航路類型或飛機階段劃分，則涉及到：
洋區空域航路
內陸空域航路
終端區導引
進場/著陸
機場場面監視和管理
特殊區域導航，如農業、林業等。
在不同的航路段及不同的應用場合，對導航系統的精度、完善性、可用性、服務連續性 的要求不盡相同，但都要保證飛機飛行安全和有效利用空域。
按照機載導航系統的功能劃分，GPS在航空導航中的應用以下幾個方面：
2.1 航路導航
航路主要指洋區和大陸空域航路。各種研究和實驗已經證明，GPS和一種 稱之為接收機自主完善性監測（RAIM）的技術能滿足洋區航路對GPS的導航精度、完善性 和可用性的要求，而且精度也能滿足大陸空域航路的要求。GPS和廣域增強系統也能滿足大陸空域航路 精度、完善性和可用性的要求。GPS的精度遠優于現有任何航路用導航系統，這種精度的提高 和連續性服務的改善有助于有效利用空域，實現最佳的空域劃分和管理、空中交通流量 管理以及飛行路徑管理，為空中運輸服務開辟了廣闊的應用前景，同時也降低了營運成本， 保證了空中交通管制的靈活性。
GPS的全球、全天候、無誤差積累的特點，更是中、遠程航線上目前最好的導航系統。 按照國際民航組織的部署，GPS將逐漸替代現有的其他無線電導航系統。GPS不依賴于 地面設備、可與機載計算機等其他設備一起進行航路規劃和航路突防，為軍用飛機的導航 增加了許多靈活性。
2.2 進場/著陸
包括非精密進場/著陸、CAT-1、2、3類精密進場/著陸。GPS及其廣域增強系統完全 滿足非精密進場/著陸對清度、完善性和可用性的要求；再用局域偽距差分技術/系統增強，能滿足CAT-1、2類精密進場的要求。目前實驗表明，采用載波相位差分技術，精度可達到 CAI-3b類的要求。可以肯定，各種增強和組合系統（如LAAS、WAAS、INS等）與GPS將成為進場/ 著陸的主要手段，儀表著陸將最終被取代。由于GPS著陸系統設備簡單、無需復雜的地面支持 系統，它將適合于任何機場，包括私人機場和山區機場。理論上，GPS著陸系統可以引導 飛機沿著任意一條飛行剖面和進場路徑著陸，這就增強了各種機場著陸的靈活性和盲降能力。
2.3 場面監視和管理
包括終端飛行管理和機場場面監視/管理。場面監視和管理的目的就是 要減少起飛和進場滯留時間，監視和調度機場的飛機、車輛和人員，最大效率地利用終端 空間和機場，以保證飛行安全。GPS、數字地圖和數字通信鏈為開發先進的場面導航、通信和 監視系統提供了全新的技術，可以確信基于GPS/數字地圖的場面監視和管理將為機場帶來很大 效益。
2.4 航路監視
目前的監視是一種非相關監視系統，主要是利用各種雷達系統，可以和機載 導航系統互成備份。但這種監視系統地面和機載設備復雜、價格高、監視精度隨距離而 變化，作用距離有限，不可能實現全球覆蓋和全球無間隙監視。GPS和航空移動衛星系統的出現 ，將改變這種傳統的監視方法，機載GPS導航系統通過通信自動報告自己的位置這種"自動 相關監視系統ADS"已經提出，目前的演示和實驗已經證明ADS為飛行各階段的監視都會帶 來益處，特別是為了洋區和內陸邊遠地區空域實現自動自動監視業務提供了可能。這將杉其有 效地減輕飛行員/管制人員的工作負擔，同時也增加了ATM的靈活性。
2.5 飛行試驗與測試
在新機型、新機載設備、機載武器系統或地面服務系統設計、定型、測試中， 基于GPS的飛行狀態參數測量系統或可作為基準，可比較的輔助設備將使飛行試驗及數據 處理和飛行測試變的簡單和節省開支。
2.6 特種飛機的應用
航空母艦上飛機著艦/起飛導引系統，直升機臨時起降導引、軍用飛機的編隊、 突防、空中加油、空中搜索與救援等。
2.7 航測
除了一般飛機要求的導航、起降功能外，用于航測的飛機還需要提供記載測量 或攝影設備的位置及時信息交聯、數據記錄及事后處理。
2.8 其他應用
如飛行訓練、校驗ILS系統等。盡管在目前的DGPS進場/著陸演示飛行中，大都用 ITS作為基準系統來評估DGPS著陸系統的能力，但事實上，DGPS的精度要優于ILS系統。在 ILS沒有關閉之前，用DGPS校驗，是一種價格低、精度完全滿足校驗ILS的基準系統。目前， 用光測和雷達價格高、設備龐大、復雜。 當然，以上并未包括GPS在航空中應用的所有方面，并且新的應用途徑仍在試驗與開發之中。
