苏幸君

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710089）

目前，空客A380、波音B787 及我国自主研发的C919 和ARJ 等飞机均安装了柯林斯公司生产的GPS 接收机。然而，2019 年7 月，中国民航局对柯林斯GPS 接收机失效事件进行了通报，有两型GPS 接收机存在设计缺陷，在GPS 系统进行常规时间校准后无法锁定GPS 卫星，从而导致飞机上与GPS 系统存在交联关系的多个相关系统故障，引发飞行隐患。基于此，本文将研究GPS 系统在民机中的应用，结合我国北斗卫星导航系统和民机发展现状，提出卫星接收机的发展趋势。

1 卫星接收机的功能

卫星接收机作为卫星导航系统的机载用户设备，其功能主要是：（1）接收卫星发送的导航信号，恢复卫星载波信号及卫星钟，解调出卫星星历，卫星钟校正数据；（2）利用本地时钟和卫星钟差测量接收天线到卫星伪距；（3）利用恢复的载波频率计算伪距变化率；（4）利用伪距、伪距变化率卫星钟相关数据计算飞机的经度、纬度、高度、速度等导航信息及时间信息。

此外，机载卫星接收机一般还具备自主卫星完整性监控能力。虽然不同类型的卫星接收机接收的卫星信号和观测量不同，提供的导航信息存在差异，但其主要功能均为接收卫星信号并进行解算，以提供时间信息和导航信息。

2 GPS 系统在民机中的应用

一般民机上安装两套独立的GPS 系统，每套系统包含一台GPS 接收机和一个相应的接收天线。GPS 系统作为机上重要的导航源，与飞机定位导航系统，自动监视系统及飞行管理系统等多个重要系统均存在交联关系，下面将具体分析GPS 系统在民机中的应用。

2.1 飞机时钟

飞机时钟为飞行员提供当前的当地时间及日期，协调世界时间（UTC），飞行时间，并提供计时功能。GPS 卫星接收机为系统时钟提供时间和日期信息，并发送给航电系统供机上其他系统使用。

2.2 惯性导航系统

惯性导航系统不需要借助外部信号，仅利用自身传感器数据就可以完成导航数据解算，具有完全的自主性，在民机中有广泛的应用。但是惯导系统解算原理是积分体制，造成了短时精度高而长时间导航误差累积的问题。卫星导航具有长时间导航精度高的优点，因此飞机上经常利用GPS 卫星导航结果对惯导数据进行修正，惯性/卫星组合导航可为飞机提供更精确的导航信息。

2.3 广播式自动相关监视系统（ADS-B）

自动相关监视（ADS）是指被监视目标测定自身位置并主动发报给监视者，使监控者掌握被监视目标当前位置及运行意图。自动监视系统根据工作模式可分为寻址式（ADS-A），广播式（ADS-B）及合约式（ADS-C）[1]。

广播式自动相关监视系统（ADS-B）利用视距广播数据链将载机精确位置周期性的报告给地面航管中心及飞机之间，使得飞机之间能够掌握对方的位置，保持飞行间隔及时实施避让。ADS-B 采用全向广播方式可进行空对空、空对地及地对地的自我监视。ADS-B 的机载部分主要由GPS 卫星接收机，ADS-B 位置报告的收发机及驾驶舱交通信息显示器组成。GPS 是ADS-B获取自身位置数据的信息源。

2.4 地形防撞告警系统

地形防撞告警系统主要用于防止飞机可控撞地，系统内部有全球机场位置数据库和全球地形数据库[2]。地形防撞告警系统利用GPS 或IRS 发送的定位数据，大气数据系统发送的气压高度，无线电高度表提供的无线电高度，下滑道偏离及飞机配置状态等信息预测飞机的三维飞行轨迹，并与内部地形数据库中航线前方地形资料进行对比，计算出接近速度或高度数据与告警门限进行比较，利用灯光及语音告警提醒飞行员及时规避潜在危险。

2.5 进近着陆系统

地基增强着陆系统（GLS）基于地基增强系统（GBAS）可为飞机提供精密进近和着陆服务，是目前飞机上广泛使用的一种新型着陆技术[3]。GLS 利用地面设备对卫星信号进行差分处理，产生差分校正，完好性校验及进近路基基准信息，这些信息经过编码后通过甚高频广播至进近飞机的机载端。GPS 接收机利用卫星信号和地面系统发送的校正信息，解算出高精度的定位信息、进近航路信息及系统完好性信息，用于引导飞行完成进近着陆。

由于GLS 具有对机场环境要求宽松、地面设备安装灵活、一套地面可为多条跑道提供服务并且可提供曲线及折线进近等多种进近程序的优势，在民机中的应用趋于广泛，GLS 提供的进近着陆能力与卫星导航的状态密切相关。

2.6 飞行管理系统（FMS）

飞行管理系统（FMS）是现代民机和大型运输机中重要的电子设备，FMS 可综合导航系统及性能管理系统，对通信、导航、监视、显示、发动机系统及飞行控制系统进行管理。飞行管理系统利用各种传感器和数据源获取输入信息，通过飞管计算机的处理实现导航及性能计算功能，以最佳性能为机组提供飞行管理能力，可以减少飞行员的工作负担提高工作效率实现自动飞行。其主要功能有：

导航管理功能：FMS 使用GPS、VOR/DME、DMEDME、惯导系统、大气数据系统等数据，经过滤波处理获得最佳位置估计，并评估导航精度实现综合导航功能，完成飞机横向剖面管理，按照预定航线将飞机准时引导至目的地[4]；性能管理功能：利用飞行员输入的特定参数或飞行成本计算飞机的巡航高度、速度、爬升及下降率纵向剖面参数，控制飞机按预定的纵向剖面飞行实现性能管理；制导功能：利用飞机当前位置信息，计算当前位置与预定航迹的偏差，产生操纵指令控制飞机沿所选剖面飞行，帮助飞行员实施飞行计划，按照最优计划航线控制飞机的航迹；显示功能：显示导航信息及飞行计划等信息，便于飞行员监控飞机的飞行状态。

3 卫星接收机的发展趋势

3.1 具备GPS/北斗双模接收功能

2019 年12 月16 日，中国在西昌卫星发射中心成功发射了两颗北斗三号卫星，所有中圆地球轨道卫星全部发射完毕，核心星座搭建完成，北斗已具备全球服务能力[5]。北斗导航系统的建成提高了我国卫星导航系统的自主性，克服了以往卫星导航受制于人的问题。因此，也对民机的卫星接收机提出了新的要求。应当具备GPS/北斗双模接收功能，既能够接收GPS 卫星信号，也可利用北斗信号为飞机提供高精度的卫星导航数据，并将导航信息用于其他交联系统，为飞机提供更加稳定可靠的导航数据。

3.2 国产化需求

科林斯的接收机事件，反映出使用非国产机载设备存在技术壁垒，接收机内部出现问题难以排查。卫星接收机负责接收卫星信号并解算卫星导航数据，供机上其他系统使用，一旦发生故障将导致飞机报告的位置错误，使飞行员失去情景意识，造成飞机突破指令高度或飞行冲突，也可能造成延迟真实告警而是机组应急处置措施延误，从而引发一些飞行隐患。因此民机及机载设备的国产化是目前我国民机的主要发展趋势，卫星接收机作为飞机上重要的导航源，为了保证卫星导航的安全性和自主性，接收机适航取证是必然需求。

基于我国北斗卫星导航系统的发展现状，民机卫星接收机的发展趋势是具备GPS/北斗双模接收功能，为飞机提供高精度稳定可靠的导航数据，保证相关系统稳定工作。科林斯的接收机事件表明卫星接收机国产化势在必行，未来应加快我国接收机自主研发及适航取证进程，尽快实现卫星导航的全面自主性。