浅谈中国民航RAIM预测系统

NWCIA 2023

一、RAIM预测系统定义

　　接收机自主完整性监测（RAIM）是一项评估GPS接收机系统中全球定位系统（GPS）信号完整性的技术。该技术对于GPS应用（如航空或航海导航）尤为重要。GPS本身可通过导航电文向用户发送完好性信息，但对民航应用而言，电文信息滞后时间过长，因此需要通过其他方式为机载设备提供及时的导航完好性信息。而RAIM预测技术就是一种重要的、不可或缺的监测卫星导航系统故障和其完好性的方法。

二、RAIM预测背景及原理

　　卫星导航一般定位存在四个变量，必须引入四组数据进行解算，也就是说航空器卫星导航接收机至少需要4颗卫星才能准确定位。若其中一颗卫星出现故障，而接收机不能识别系统错误和自动纠正，那么定位数据就会发生错误，导致定位发生错误。而RAIM预测通过引进一颗新的卫星，总计5颗卫星，从5颗卫星中分组抽取4颗卫星进行测试得出数据，通过5组数据的对比，接收机就能够发现出卫星故障了。这个对比／识别的功能，就是我们所说的RAIM。而RAIM预测在很多情况下会存在RAIM黑洞，导致GPS卫星导航系统的可用性得不到保证。如果某条航路，或者某个飞行程序以卫星导航定位作为唯一导航信息源，同时该区域无法满足卫星覆盖的要求，无法使用RAIM功能，形成RAIM空洞，那我们就必须随时监控RAIM空洞的位置。当飞行航路处于RAIM空洞的覆盖范围时，需要向机组发出预警。这就是RAIM预测，按照民航局相关规范的要求如果预测连续5分钟以上失去RAIM,RNP运行应被延迟、取消或采取其他运行方法。

　　GNSS（全球导航卫星系统Global Navigation Satellite System，又称全球卫星导航系统，是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统）。与传统导航系统不同，由于卫星和覆盖范围退化的区域处于不断运动状态，因此，如果卫星发生故障或停止维修，则无法立即确定空域的哪些区域会受到影响。可以借助计算机分析预测这些中断的位置和持续时间，并在飞行前规划过程中向飞行员报告。预测工具通常是保守的，因此RAIM预测对设备的要求要高于飞行中实际遇到的情况，以便为最低端接收机模型提供保护。由于RAIM自主运行，即没有外部信号的辅助，因此需要冗余伪距测量。通常，视野中有7到12颗卫星。使用的测试统计量是伪距测量残差（预期测量值和观察到的测量值之间的差值）和冗余量的函数。将测试统计值与阈值进行比较，该阈值基于对虚警概率（Pfa）和预期测量噪声的要求来确定。在航空系统中，Pfa固定为1/15000。水平完整性限制（HIL）或水平保护限制（HPL）是一个数字，表示以GPS位置解决方案为中心的圆的半径，并保证包含接收器的真实位置，使其符合RAIM的规范计划（即符合Pfa和Pmd）。HPL计算为RAIM阈值和测量时卫星几何的函数。将HPL与水平警报限制（HAL）进行比较，以确定RAIM是否可用。

三、我国的RAIM可用性预测系统情况

　　我国PBN运行起步晚，而美国、澳大利亚及欧洲等国家自上世纪90年代就相继研发了RAIM预测系统，这些系统也都应用于民航，大大提高了空管运行效率。美国针对区域的RAIM预测可达到每一分钟，而欧洲也可以持续预测48小时内的可用性。

　　我国的RAIM可用性预测系统从2006年开始研制，5月完成了机场NPA的RAIM预测及区域预测的初步功能，2008年1月完善了RAIM预测客户端软件，实现了全国所有航线的RAIM预测功能。预测结果通过两种形式进行发布，一种是通过网站为航空公司签派提供航班的RAIM预测结果，另一种是通过设置发布计算机为民航空管部门提供机场的RAIM预测结果，实现RAIM的机场预测。

四、西北国际货运航空使用RAIM情况

　　我司目前主要经营757机队，并且已获批一部分PBN程序，包括RNAV1、RNAV2、RNAV5、RNAV10，以及RNP1、RNP2、RNP4。在我司选择GNSS作为导航源时，为了提高导航精度，我们将采用ABAS（机载增强系统：是安装在飞机上的增强系统，能够提供更准确的位置和导航信息）对导航精度进行提升。为了保证导航精度，在使用ABAS期间，我们将使用航科院的RAIM（接收机自主完整性监测）预测结合航空领域需求和GNSS系统特点，对导航精度进行评估和预测。通过采用RAIM预测手段，我司能够在飞行前对GNSS导航完整性进行评估，并做出相应决策，以确保飞机在使用GNSS导航时具备足够的精度和可靠性。这将有助于提高航班的安全性和准确性。航科院的RAIM预测一般有两种推送方式，分别为：每日10点左右通过邮箱推送或者每日8点30分左右出最新结果，需进入网站自行查看。若未及时收到RAIM预测，运行控制部相关人员将电话联系航科院及时推送，以确保能及时获知当日航班导航源是否具有足够的精度和可靠性。

五、RAIM预测的未来前景

　　基于陆基导航系统的传统空中交通管理方式，精度低，所需保护区大，浪费了空域资源，而且陆基导航系统的误差随飞机离导航台的距离增大而增大。目前中国民航在积极推进新技术的实施工作，卫星导航系统在民航的应用也必将受益广泛，国际民航组织和中国民航均要求在当航空器使用GNSS作为主用导航手段时，在起飞前应进行航路和终端区的预测。

　　由于卫星导航系统是由美军方控制的，预测仅考虑到卫星历书和预计的卫星故障信息，这些信息均为美国军方发布，我国民航缺乏必要的实时监测手段。因此，中国民航在积极推进“北斗”卫星导航系统在民航中的应用，逐步摆脱目前这种完全依赖美国卫星导航系统的状态。中国民航首先开展了民航对北斗技术需求的研究工作，保持与系统建设和运行管理机构的充分沟通和协调，为北斗在我国民航领域的应用打好基础；后续，中国民航将在航路建设中有计划的为北斗卫星导航系统安排一批试验工程；借助C919大飞机等项目，为北斗机载终端提供相应的验证平台和实现环境。

撰稿：吴吉安/杨超