接收机自主完整性监控

  前边两篇文章讲了RNAV(GPS)进近的各类最低着陆标准,中间提到了RAIM。它是什么?怎么工作?对我们来说意味着什么?这次我们来说一说RAIM,在开始讨论RAIM之前,我们先了解一下GPS的基本工作原理。

  GPS定位原理

  GPS卫星向外发射信号,该信号以光速传播,GPS接收机接收该信号。在卫星发射的信号中包括了该卫星发射信号的精确时刻,该卫星的工作状态,还有该卫星的位置。当接收机收到卫星信号时,它可以通过接收到信号的时刻和信号的发射时刻计算出信号传输的时间,再用光速乘以信号传输的时间就可以算出接收机距离该卫星的距离。

  一个卫星的信号当然不能确定接收机的位置,但是当我们接收多个卫星的信号时就可以判断出接收机(飞机)的位置,这个过程与原始导航中DME/DME定位十分相似。当我们接收4个卫星的信号时就可以判断出一个准确的3D位置(经度、纬度、高度),如何做到的?

  每当接收机接收到一个卫星信号,就可以计算出距离这颗卫星的距离,卫星位置通过星历已知,那么接收机的位置就处于以卫星为球心,以接收机卫星间距离为半径的球面上。两个卫星信号,就可以确定两个球体,两个球体相交,可以确定一个圆,接收机的位置就在这个圆上;再引入第三个卫星信号,确定一个球体,球体和这个圆相交会有两个交点,那么我们的飞机位置就是这两个交点中的一个。由于这两个交点中有一个交点的位置比卫星的高度还高,我们的飞机位置不可能那么高,所以通过逻辑判断排除那个高度很高的点,就确定了我们飞机的位置。(请原谅作者拙劣的绘图技巧,无法用生动形象的画面把这一过程体现出来)

  不是说需要4个卫星信号才能确定3D位置吗?这里怎么用了3个就确定了位置?

  从前有一个很伟大的科学家名叫爱因斯坦,他提出了一个伟大理论叫做《相对论》,根据这个伟大科学家的伟大理论,卫星上的时间过地比地球上快。那么即使我们使用很精准的原子时钟,我们计算出来的信号传播时间也是不准确的,这个就是卫星的钟差,所以我们需要引入第4颗卫星来修正钟差,最后才能得出一个精确的位置信息。也就是说4颗卫星,我们获得了经度、纬度、高度、时间。

  GPS提供的位置信息一直都会很准确吗?不一定!会有一些因素造成卫星信号被干扰、不完整,例如无线电干扰、太阳风暴、卫星维护等都会造成一些影响,这些影响或多或少的存在。如果我们的接收机接收的卫星信号是被干扰的不完整的那么接收机计算出来的位置也就是不可信的,为了保证我们的接收机接收到了完整的卫星信号,能够计算出精确的位置,RAIM应运而生!

  RAIM简介

  Receiver Autonomous Integrity Monitoring 简称RAIM,中文叫做接收机自主完整性监控,它是一种能够自我判断卫星信号完整性的设备。简单来说,RAIM可以告诉我们,接收机接收到的卫星信号是否是完整的,我们是否可以相信现在GPS接收机计算出来的位置。

  我们确定一个3D位置(经度、纬度、高度)最少需要4颗卫星的信号,拥有RAIM能力最少需要5颗卫星的信号。由于多了一颗卫星的信号,GPS接收机用5个卫星信号,可以计算出来五个飞机位置,相互比较这5个位置,如果差异超出了标准范围,那么我们接收的某个卫星信号的完整性就是有问题的,如果差异在标准范围内,那么卫星信号的完整性就是好的,GPS位置信息也就是可用的。这种发现问题卫星信号的功能叫做故障检测(FD-Fault Detection),当我们的GPS接收机能够接收到6个卫星信号时,有些接收机还会有故障检测与排除功能(FDE -Fault Detection and Exclusion)。就是当我们的RAIM发现了问题卫星信号以后,把它排除出去,继续使用其他5个卫星信号,GPS可能会自己悄悄完成这个工作没有任何提醒。

  有一些RAIM GPS拥有Baro-Aiding的功能,这时GPS接收机可以不使用卫星信号而获得飞机的高度,从而降低GPS接收机对所需卫星数量的要求。有了Baro-Aiding,FD功能只需4颗卫星,FDE只需5颗卫星。

  RAIM只能检测发现卫星信号的问题,对于接收机本身的故障,是没有办法进行检测和处理的。

  RAIM预测

  要使用GPS进行IFR飞行,不仅是我们的接收机拥有RAIM设备就可以的,我们还需要确保有足够的卫星信号可以使用RAIM。进行RAIM预测可以保证我们飞行过程中RAIM可以使用,保证了接收到卫星信号的完整性,GPS接收机定位的准确性。如果只使用GPS进行非精密进近,那么只需要预测对预计到达时刻目的地机场RAIM的可用性进行预测;如果使用RAIM GPS来完全满足RNAV的要求的话,那么RAIM必须在整个飞行阶段都可用。如果连续5分钟RAIM不可用,我们应该使用其他种类的导航和进近系统,选择其他的航路或者目的地,或者延迟、取消飞行。

  美国飞行时一般有三种方法来预测RAIM:

  1.使用接收机制造商提供的RAIM预测工具,例如下图,G1000的RAIM预测工具。

  2.FAA RAIM预测网站:https://sapt.faa.gov

  RAIM告警

  RAIM一般会发出两种不同的告警信号,第一种:没有接收到足够的卫星信号,不能完成计算,判断不出来所接收的卫星信号完整性;第二种:接收到了足够的卫星信号,并且完成了计算,判断出来了有问题的卫星信号。RAIM出现第一种告警后,GPS接收机有可能还是正常工作的,但是这个时候GPS提供的信息,仅能作为参考。

  在航路、终端区飞行时,出现RAIM告警,我们仍可以选择使用GPS进行导航,但是必须持续监视另外一种导航系统;进近时,如果在FAWP(Final Approach Waypoint)之前如果出现了告警,飞行员不能够开始进近,如果在FAWP之后出现了告警,飞行员应该立即复飞,并尽快联系管制员。

  RAIM应用

  拥有RAIM,我们可以申报RNAV飞行计划,飞RNAV离场程序,航路,进场程序以及GPS进近。我们可以在目的地机场或者备降场使用以GPS为基础的仪表进近程序,但是不能两个都计划使用GPS进近。如果计划在目的地机场使用GPS进近,在法规要求飞行计划中必须填写备降场时,我们不能填写只有GPS进近的机场作为备降场。

  最后,RAIM GPS是一个附加性的导航工具。当我们在使用RAIM GPS进行IFR航路和终端区飞行时,飞机必须拥有使用传统地面导航系统的能力,并且必要的地面导航台要处于工作状态。

  近期更新缓慢,在这里向各位道歉,但是请大家放心,一定会坚持更新下去,与大家一起学习,讨论,进步。如文中有任何纰漏,还望各位不吝赐教。

  A Good Pilot Never Stop Learning!