基于GPS技术应用中产生的故障分析及处置方法

彬DJ_ 2023-04-20 发布于北京

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——四川航空王硕方程包振中

随着航班量的不断增加，全球定位系统（GPS)成为了航空公司大多数飞机用于定位，通信、导航和监视功能的时间基准的主要输入源之一。近几年GPS相关的不安全事件也在层出不穷。其中由于无线电干扰（RFI) 或故障导致的 GNSS信号丢失事件占了绝大多数，把人们的视线都拉向了解除干扰方向，那么除了RFI还会不会有其他导致 GPS故障或信号下降的可能性呢？本文通过介绍卫星导航系统的分类，原理出发，分析了故障产生的原因，并向机组推荐出了一套可行的处置方案。

一、飞机的卫星导航系统分类及原理

1.1全球导航卫星系统（GNSS: Global Navigation Satellite System)

它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的 Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS (广域增强系统）、欧洲的EGNOS (欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS (多功能运输卫星增强系统）等。国际 GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。按功能可分为三类机载增强系统（ABAS) 、地基增强系统（GBAS) 和星基增强系统（SBAS) 。其中GPS使用时间最长稳定性最高，故成为了各大公司所青睐的系统。

1.2 GPS基本原理

如图，GPS系统由空间部分（24颗卫星）＋控制部分（由1个主控站，5个监控站和3个注入站组成）＋用户部分（包含GPS接收器及相关设备）构成。

1.3 GPS定位原理

如何通过卫星获得飞机的空间坐标（X、Y、Z) 以及时间坐标T呢？有两种方式：

1. 从卫星的星历（里面有此卫星准确的空间坐标（X1Y1Z1) , 以及准确的时间T1) 算出GPS接收机与卫星之间的距离。也就是上图蓝线的长度，通过勾股定理，使用坐标计算距离。

2. 用时间乘信号传送速度来算出飞机到卫星的距离，信号传输的速度也就是光速3X10^8m/s。

这两种方式算出的距离是相等的，故得到红色方框这个等式。

但这个等式里，有4个XYZ和T都是未知数，无法解题。一般需要4个这样的等式才可以解出XYZ和T.那么其他三个等式从何而来？答案是其他3个卫星的数据。那么就可以和另外3个等式，解出XYZ和T。所以GPS接收机至少需要4颗卫星，才能确定自己的空间坐标和时间坐标。

1.4接收机自主完好性监控（RAIM: Receiver Autonomous Integrity Monitoring)

所有航空用 GNSS接收机都必须具备 RAIM功能。RAIM 是GNSS接收机的一种功能，目的是监控GNSS卫星的可靠性，他不能监控接收机本身的故障。所以需要第5颗卫星完成此功能。RAIM是FMC评价导航精度的重要依据之一。说到此就要提及 RAIM 空洞（飞行中会遇到凑不够5颗可用卫星的情况，此情况被称之为“RAIM空洞”） . 空洞的发生主要受下面三个因素的影响。

(1) 星历

星历是 GNSS 卫星运行的轨道数据，说白了就是一张时间表，告诉我们卫星什么时间在什么地点。以GPS系统为例，GPS一共有21颗正常工作卫星和3颗备份卫星。卫星围绕地球运转，每12小时绕地球一圈。依照星历计算在某一时间、某一区域，理论上就是凑不够5颗卫星的。

(2) MASK ANGLE (蔽遮高度角、截止高度角）

当接收机定位时，位置过低、距天地线过近的卫星容易受到电离层和地形的干扰，造成定位误差。所以系统会设定一个遮蔽高度角，低于这个角度的卫星被视作不可靠。遮蔽高度角越大，视作不可靠的卫星就越多，RAIM 空洞出现的概率也就越大。

(3) 卫星故障通告

如果卫星主控站发现某颗GNSS卫星出现故障，会对外发出卫星故障通报。可用卫星数量减少也会增大RAIM空洞出现的概率。

二、GPS故障案例分析

2.1 故障案例描述

某航2019年整年共发生与GPS有关故障共10起，表现的故障有 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年开年至今在某机场进近区域10000英尺以下多起机组报告NAV ADS-B RPTG X FAULT.2019年7月4日至7月11日，共有19个机组报告某机场下降过程中出现机载GPS信号失效的情况，并出现“导航RNP不可用”和“地形位置”的告警信息。技术小组逐一进行确认和排查，最后判断五边进近出现的GPS失效问题最大的可能还是干扰引起。经过监测车和无人机精准定位了GPS的干扰源位置。确定干扰设备为联通4G的GPS设备，因故障导致其发射干扰信号，联通到现场进行测试并关停故障设备，随后GPS干扰信号消失。

2.2故障原因

发生故障的原因一：

由以上的系统原理及计算方法，我们可以得出结论，任何一个环节出现故障都可能出现 GPS故障以及信号精度下降。其中包括：

(1)空间部分：卫星故障／关闭，RAIM空洞（星历，MASKANGLE, 卫星故障通告

(2)控制部分：设备故障，各星历时间不一致

(3)用户部分MMR故障，GPS接收器故障，FMS故障，MCDU故障，FMS/GPS位置不一致

发生故障的原因二：

无线电干扰，GPS信号是低功率信号。它相当于距离地球表面2万多公里的一个60w灯泡所发出的能量。这意味着，信号很容易受到位于飞机附近的任何在GPSL1频带（1575. 42MHz+/-10MHz) 内发射的地面源的干扰，从而导致 GPS 数据丢失。

2.３无线电干扰的主要已知来源：

1.个人私设装置 Personal Privacy Devices (PPD) : 当机场附近的这些装置被激活时，这些装置会为避免跟踪干扰附近区域的GPS信号，导致GPS信号丢失，机场的运行中断。

2.敏感场所和贵宾的保护 Protection of sensitive sites and VIPs出于安全原因，某些敏感地点可能会使用GNSS无线电干扰来保护，例如监狱设施、政要或政治人物居住或访问的地点。在这些地点附近作业的飞机可能受到GPS信号干扰的影响。

3.GPS中继器GPS repeater: 是用于在机库内在飞机维修期间，使GPS信号仍可用的装置，它的信号干扰了实际的 GPS信号，导致靠近机库的飞机出现接收问题。

4.电视广播电台故障TV broadcast station malfunction: 电视台故障，频率干扰了GPS信号，影响了飞的运行。

5.冲突地区军用GPS无线电干扰 Military GPS RFI in conflict zones: 如果距离军事冲突地区太近，GPS无线电干扰也会导致飞行中GPS信号丢失。这些区域通常是已知的，通过NOTAMs告知飞行机组，它们可能在这些区域附近遇到干扰。可能的情况是，也有可能活动事先不知道，或未事先通知，导致GPS信号丢失。

空客官方文件中，当GPS故障或者受到干扰时，跟我们飞行相关的关键系统都有可能发生故障，间接影响我们的航空安全。现象如下：GPWS地形探测故障，ADS-B报告故障，ROW/ROP失去，TCAS ATSAW功能失去，超出当前阶段RNP精度失去TAWS地形预警功能，气象雷达不可用等等重大故障。作为机组，我们要引起相当的重视。但从目前的调查来看，普遍重视程度不高。

三、GPS故障处置方案

通过非正常情况下的SOP, 结合以上的理论知识我们可以得到以下的处置方案，供飞行机组参考：

1. 做好航前准备工作，注意查阅放行单和NOTAMs: 当得知着陆机场RAIM中断不可用或者有干扰信号时，查看是否有备用程序，并且是否可用，做好两手准备。

2. 飞行中ECAM故障不会及时显示出来，从巡航阶段开始 PF 需要一直保持监控进展页面，其他界面操作完成后立马回到进展页面（遵守SOP) 随时监控导航精度。

3. 识别判定：先识别具体是什么故障，再判定是精度下降／设备故障。

4. 飞行，导航，通讯

5. 有无OEB以及记忆项目

6. 执行ECAM 并完成

7. 再具体判定：如精度下降，那么监控精度，有报告以往假地形警告，精度不满足所在阶段可考虑关闭 TERR/设备故障，那么关闭 TERR, 进入降级导航模式。

8．做短期决策，并查看是否可以复位GPS或相关部件。

9. 评估风险：是否可以安全飞向目的地。

10. 若是海洋，极地或者高高原地区，考虑返航或者备降。