浅析GPS信号干扰对飞机运行的影响

2022-03-11 12:07叶文涛米冀生王荆穗裴琼阁

航空维修与工程 2022年1期

叶文涛 米冀生 王荆穗 裴琼阁

摘要：现代飞机GPS系统的作用越来越重要，同时GPS信号干扰的相关报告也越来越多，GPS信号干扰严重影响飞机运行和航空安全。本文通过实例剖析了GPS信号干扰产生的原因、对其他功能的影响及相关的驾驶舱效应，并提出建议处置措施，以帮助相关人员及时识别和排除干扰信息，提高排故效率、缩短排故时间，保障飞行安全。

关键词：GPS信号干扰；驾驶舱效应；工程措施

Keywords：GPS signal interference；cockpit effect；engineering action

0 引言

GNSS（全球卫星导航系统）1978年发射第一颗GPS（全球定位系统）卫星，1995年提供全球定位服务，自2000年开始授权民用系统使用其定位服务后，应用范围和用户数量快速增长。随着GNSS技术的推广以及科学技术的不断发展，越来越多的交通工具和移动设备开始依赖GNSS定位來辅助实现其自身功能，如飞机、船舶、汽车、无人机和户外定位装置等，其中以飞机最为普遍。伴随着GNSS技术的普及，飞机运行受GNSS信号干扰的相关报告案例也逐年增多，且信号干扰出现的区域往往较集中，仅2020年一年国内某航空公司就收到相关报告141起，其中涉及地形假警告问题18起。

1 实例剖析

2020年9月8日，某航一架A350飞机执行恩德培至成都航班，在乌干达卡培拉机场短停，出现“GNSS1+2”信息，执行MMR（多模式接收机）测试正常，怀疑机位卫星信号弱或信号受干扰，综合判断认为非系统故障原因，飞机放行，起飞后机组空中反映GNSS位置数据正常，飞机后续正常落地成都。

1.1 原理简介

A350飞机装有两套彼此独立的GNSS系统，通过GNSS天线接收卫星导航数据，并将导航数据通过同轴电缆发送给MMR进行接收和处理，处理后的数据发送给ADIRS（大气数据惯性基准系统）进行合成，最终通过AFDX（航空电子全双工以太网）网络发送到CDS（控制和显示系统）和其他飞机系统供用户使用（见图1）。当系统故障或GNSS信号不佳时，可能产生类似于本次事件中的GNSS故障信息。

1.2 故障原因

A350的GNSS系统组成并不复杂，排故措施指向性也比较明确，在MMR和IR（惯性导航）测试均通过后，故障原因大致指向当地的GNSS信号受干扰或失效，且故障现象为双套GNSS系统同时失效又同步短时恢复正常，更加验证了GNSS信号问题是导致故障的最可能原因。下载CMS（中央维护系统）DUMP和SAR99报文数据发给空客分析，空客确认故障确为GNSS信号干扰导致。

2 航空公司的普遍困扰

GNSS信号功率较低，相当于一个60W的灯泡在位于地球表面20000km远的位置发射出的能量，因此任何附近的频带范围为（1575.42±10）MHz左右的地表信号源都极易对GNSS信号产生干扰，导致GNSS数据丢失或降级。近年来该问题已经成为航空公司的普遍困扰，越来越被各地民航局方所关注。

已知的信号干扰源包括为防止位置追踪的个人隐私设备、特定防护地点、GPS信号放大器、军事干扰设备等（见图2）。

3 对飞机功能的影响

飞机的位置性能（精确性、完整性、可用性和连续性）很大程度上取决于其外部的GNSS信号，但GNSS信号干扰可能导致GNSS位置和时间信息的丢失或降级，因此，虽然GNSS在飞机定位系统中作用重大，但是空客飞机在设计时还是充分考虑了针对GNSS信号受干扰的鲁棒性，以增强和弥补飞机的位置性能。本文以空客飞机为例进行分析，波音飞机系统原理与空客飞机基本相同，仅驾驶舱效应略有区别。由于空客飞机的GNSS系统只使用美国GPS系统作为信号源，下文对于空客飞机的介绍中用GPS代替GNSS。

空客飞机一般装有2部MMR、3部ADIRU（大气数据惯性基准组件）、 2套（A320/A330/A340/A380）或3套（A350）FMS（飞行管理系统）来计算飞机的位置，FMS使用飞机位置信息进行导航。当GPS信号丢失时，MCDU（多功能控制显示组件，A320和A330飞机）或者MFD（多功能显示，A350和A380飞机）的GPS数据显示为短横线（即无数据），此时FMS可按照优先顺序将位置计算方式由GPS/IRS模式转为IRS-DME/ DME模式或IRS-VOR/DME模式或纯IRS模式，从而确保飞机不会发生位置偏离或FMS计算出错误位置的情况。

当GPS信号丢失时，对GPS数据性能有要求的部分导航和监视功能或运行能力可能失效，从而触发相应的驾驶舱效应，触发顺序取决于不同系统的响应时间和GPS信号的受干扰时间。在报告的大部分事件中，GPS信号丢失和相应驾驶舱效应的出现都是暂时的，在飞机离开干扰区域后，相应功能或运行能力会很快恢复。受GPS信号丢失影响的功能分为以下两大类。

3.1 对导航功能的影响

当GPS信号丢失时，飞机的PBN（基于性能的导航）运行受影响较大。PBN运行包括RNP运行和RNAV运行，对定位的精确性和完整性都有相应要求。以RNP2运行为例，要求在海洋/偏远陆地航路或中低交通密度的陆地航路运行时，在95%的飞行时间内导航误差不能超过2海里，因此GPS信号丢失时无法完成RNP2运行。类似受影响的PBN运行还包括RNP4、RNP1、RNP APPCH以及RNP AR运行等。GPS信号丢失并影响到PBN运行时的驾驶舱效应如表1所示。

表1中，“GPS PRIMARY LOST”信息表示GPS系统故障时GPS已无法作为飞机首选位置源。在新型飞机A350上还会根据GNSS故障情况显示RNP AR受影响情况：当“NAVGNSS 1（2）FAULT”时，ECAM上显示“NAV RNP AR CAPABILITY DOWNGRADED”；当“NAV GNSS 1+2 FAULT”时，ECAM上则显示“NAV RNP AR CAPABILITY LOST”，同时在ECAM不工作系统区显示“RNP AR”。

此外，由于GLS功能（GBAS着陆系统）和SLS功能（SBAS着陆系统，仅A350飞机）都是基于对GPS位置的差分修正而实现的，GLS和SLS功能会因GPS信号丢失而失效。GLS功能失效时驾驶舱效应如表2所示。

SLS功能失效时，驾驶舱效应类似，而FLS功能（FMS着陆系统）在GPS失效时可以选用其他数据源（如NDB或VOR）作为位置源，因此该功能会发生降级，即在FMA（飞行模式指示器）由“F-APP”模式降级为“F-APP+RAW”模式，同时给出ECAM指示“FLS LIMITED TO F-APP+RAW”，其中RAW模式取决于所选位置源。

最后，依靠GPS位置实现的OANS功能（机载机场导航系统，A330和A380飞机）或ANF（机场导航功能，仅A350飞机）功能也会因GPS信号丢失而发生失效，在ND上给出指示“ARPT NAV POS LOST”信息。

3.2 对于监视功能的影响

GPS信号失效对GPWS（近地警告系统）的影响主要集中在影响增强的TERR（地形）功能，包括TAD（地形意识和显示）和TCF（越障基底）功能。TERR功能以世界范围内的数据库为基础，通过比较当前飞机位置（GPS位置）和数据库内的地形信息，给飞行员以提醒和警戒信息。TERR功能失效时驾驶舱效应如表3所示。

需要说明的是，GPS位置是GPWS的首选位置源，当GPS位置失效时，GPWS可以短时间使用ADIRU位置作为其位置源，但时间不能超过15min，15min后若仍不能获得有效的GPS信号，TERR功能将失效。而且，GPWS对于GPS位置的判断主要基于GPS是否在短时间内发生跳变，若GPS位置未发生跳变，那么GPWS对于GPS有效性的判断则基于GPS自身的有效性参数（HFOM和VFOM），当GPS的有效性参数未报异常时，GPWS只能认为GPS位置是有效的而继续使用GPS数据。此时即有可能发生如下情况：GPS位置受干扰导致位置信息错误但GPS有效性参数未报告异常，从而触发假地形警告信息（国内波音787飞机和737NG飞机均触发过假警告）。

此外，由于应答机ADS-B功能的位置源为GPS位置，GPS信号丢失将直接导致ADS-B OUT功能失效。ADS-B OUT功能失效时驾驶舱效应如表4所示。

ADS-B OUT失效时，ADS-B IN功能也会失效，原因是飞机无法比较自身位置与所接收的其他飞机位置的关系，导致ECAM给出指示“NAV ADS-B FAULT”（A320和A330飞机）或“SURV ADS-B TRAFFIC x FAULT”（仅A350飞机），同时ECAM不工作系统区将显示“ADS-B”（A320和A330飞机）或“ADS-B TRAFFIC x”（仅A350飞机）。

最后，ROPS（跑道超限预防系统）功能通过GPS位置计算飞机相对于跑道位置以及跑道剩余距离，若跑道剩余距离不足而存在冲出跑道风险时则产生相应警告，因此，当GPS信号失效时ROPS功能自动抑制，同时产生ECAM指示“SURV ROW/ROP LOST”，且ECAM不工作系统区显示“ROW/ROP”和“BTV”（A350和A380飞机）。

4 处置措施

4.1 建议措施

GPS信号干扰或丢失时将对飞机诸多系统造成影响，建议采取如下应对措施。

1）对机组人员的建议

起飞前，机组应及时关注航行通告，若发现所飞航路存在受干扰地区，需要提前确认其他导航设备（DME/VOR/ ILS）的工作状况。飞行中若出现上述驾驶舱效应，机组应按照FCOM手册进行操作。考虑到GPS信号干扰一般影响时间较短，暂无必要立即转换位置源。但若所飞区域有“ADS-B OUT”要求，则需要及时通知空管ADS-B OUT功能失效的原因为GPS信号丢失。落地后，机组需要及时告知机务人員，并记录事件情况和驾驶舱效应，以便机务人员及时排除故障。

2）对机务人员的建议

飞机落地后，机务人员需要及时确认GNSS系统故障的原因是否为GPS信号受干扰或丢失而非系统或设备原因。

若确认飞行航路中有GPS信号受干扰区域，首先应重置系统并进行MMR测试，若机组报告飞机其他系统有故障现象，需同时进行相应的系统测试，测试不通过时需根据相应的排故措施完成排故。若GPS干扰始终存在，需考虑按照MEL项目完成飞机放行。若无法确认飞行航路中是否有GPS信号受干扰区域，在完成相关系统测试未发现异常时，可按照空客要求将相关系统的故障记录发给空客进行深度分析，空客会根据飞机故障记录和各运营人的报告情况给出综合分析结果。具体需提供的数据可参照空客ISI 34.36.00049。

4.2 国内航司的相关措施

针对GPS受干扰事件发生时往往具有规模性即该时段该区域所有运行飞机都可能遇到干扰情况这一特点，为了避免部件大量拆换造成不必要的成本浪费，国内部分航司机务人员探索建立了较为有效的故障管控措施。

1）在收到有关单套或双套GPS系统故障的报告时，按AMM手册进行系统测试。若测试不通过，及时更换故障件并送修；若测试通过，在最近的合适维修时机执行串件。执行串件的具体做法是：如另一飞机故障重现，则更换此故障件并送修，如另一飞机没有故障重现，则将相关事件记录并上报，汇总成信息库进行共享，以便在遇到相关情况时帮助快速判断GPS信号受干扰情况。

2）增加对GPS信号质量参数的监控（HFOM/VFOM等），以辅助判断GPS信号受干扰情况。GPS系统一般通过某些参数判断所接收信号的质量，如通过参数HFOM（Horizontal Figure of Merit）和VFOM（Vertical Figure of Merit）判断定位精度，或通过参数HPL（Horizontal Protection Limit）判断定位完整性。机务人员通过监控发现，在部分机队上这类参数在QAR（快速接近记录器）数据中可以抓取到。机务人员通过汇总归纳某一机型历史运行数据中发生GPS信号干扰时的相关参数情况，结合大数据方法建立“GPS信号质量监控”模型，可在后续类似事件再次发生时根据该模型迅速判断GPS信号情况，从而锁定故障源，减少排故时间，降低维修成本。

参考文献

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[2]田秀云，白杰.飞机故障诊断与监控技术[M].北京：兵器工业出版社，2006：26-32.

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[4] AIRBUS.GNSS loss and GNSS Interferences on Airbus [EL/OL]. [2019-2-22]. https：//w3.airbus.com/.

[5] AIRBUS.Airbus Flight OperationsGetting to grips with Surveillance [EL/OL].[2019-12]. https：//w3.airbus.com/.

作者简介

叶文涛，工程师，研究方向为电子系统工程管理。

米冀生，工程师，研究方向为电子系统工程管理。

王荆穗，工程师，研究方向为电子系统工程管理。

裴琼阁，工程师，研究方向为电子系统工程管理。