GPS瓦特了

文摘   2024-06-13 17:18   北京  

随着俄乌以哈胡大乱斗,近期GPS故障多发,导致不少机组怀疑飞机的导航能力,频频呼唤雷达引导,甚至误导空管和机场启动应急状态。那么,GPS故障的情况下,哪些程序是没影响的,哪些程序是不可用的呢?

要回答这个问题,我们需要先回到没有GPS的古典飞行时代,搞清楚什么是基于性能的导航(PBN),什么是区域导航(RNAV)。


RNAV

这是传统导航的样例图,可以看到,过A台后的飞行,侧向误差呈扩散态势,向C台飞行侧向误差则呈收敛态势,当在两个导航台之间飞行时,飞行员很难说准当前的误差范围是多少,于是在制作飞行程序、飞行计划时,只能考虑最大误差,用于地形避障、飞机防相撞等,势必造成空域资源的极大浪费。

随着技术进步,出现了飞行管理计算机(FMS)、测距仪(DME)等设备,可以利用多点测距,得出飞机较为准确的位置以及误差范围,上图中黄圈范围内即可实现基于DME的导航,区域内导航误差可量化,航路可以灵活设计,极大的提高了空域使用效率。这就是为什么区域导航RNAV的全称是Area Navigation,因为只管一片儿。

如果再有惯导(INS)的加持,则可能扩大区域导航的范围,因为惯导的误差随时间的增加而增大,在一定时间(例如1小时)内误差的上限是确定的,所以可以知道这段时间内的最大误差范围,上图中如果黄圈内最大误差范围是2NM,圈外一定时间内最大误差范围设定为5NM是没问题的,前者可称为RNAV2,后者可称为RNAV5。

飞机实时的误差范围,可以认为是ANP值(Actual Navigation Performance),它可通过FMS计算得出,代表了系统在特定时间内能够达到的导航精度水平,ANP值越小,精度越高。

所谓基于性能导航,说人话就是可量化的导航,任何时候问飞行员,你距离航路中心线的侧向误差最多是多少,他们都可以告诉你规范是多少,ANP是多少,而不像传统导航那样难以回答。这对飞行程序、飞行计划带来了极大的便利。同样的,基于性能的通信、基于性能的监视(PBCS),也都是对延迟时间的量化,便于在不同数值下的间隔控制,目的还是对空域资源的最大化利用。

没有GPS的年代,除了DME、INS,还有其他导航资源可参与导航计算,例如LORAN C、TACAN等系统,上图A、B是DME台,D是LORAN C系统,区域间是INS负责,这样实现全程RNAV导航,只不过不同阶段精度有所不同。

用过OMEGA系统的举个手。


而对于远程飞行,还可以继续扩展误差范围,最大到RNAV10。注意这是飞向偏远地区、洋区的示意图,如果航路上再次出现DME/DME区域或LORAN C等区域,导航计算机会及时更新位置,消除惯导的累积误差,所以飞跃荒原、大海的时候,飞机的ANP值会逐渐增加,路过机场、城镇的时候又开始减小。

DME还有一个特性,脑瓜顶上和地平倾角40度以下支持的不好,所以表现为航路上的DME可以帮我们有效的降低ANP值,进离场的时候可就不一定了。

于以上历史知识,我们可以知道,GPS完全故障的情况下,如果ANP值满足RNAV1的要求,便可实施RNAV1+ILS的进场着陆程序。

至于RNAV进场图上标注的“GNSS,DME/DME,DME/DME/IRU”,意思是此阶段如果做位置更新,可以用哪些信号源。如果只标注了GNSS,就说明只能用卫星,DME各种原因不靠谱。不过GPS失效的话,大不了咱不更新位置了,只要累积ANP值小于1,就不影响RNAV1进场。

B-737手册:

A-320手册:

DA-40:

因为GARMIN1000仪表设备没有惯导,机场又不允许DME模式更新位置,所以失去GPS就失去了实时位置,在这个机场不能使用RNAV1进离场程序。

即便精度不满足RNAV1的要求,机组申请雷达引导即可,也不必宣布而引发应急程序。

另外,ANP值是FMS算出来的,并没经过Cross Check,所以RNAV1进离场的时候,必须雷达监视,雷达的作用就是来弥补Cross Check的。不存在没有雷达的RNAV1进离场。

到了进近一般都是程序管制,雷达服务终止,所以此阶段不能用RNAV,而RNP却可以,它是怎么做到的呢?


RNP

大家还记得FAA航图右上角上的RNAV(GPS)吧,这里RNAV(GPS)=RNP。老美简单粗暴的告诉我们,RNP就是加持了GPS的RNAV,属于RNAV的一个变种。在ICAO这边,就变成了基于GNSS的RNAV,意思还是那个意思,就是不得罪中俄欧。

1.2.1 RNP 4 为海洋和偏远空域运行而制定,因此,无需任何陆基导航基础设施。全球导航卫星系统(GNSS)是支持 RNP 4 的主要导航传感器,它既可作为一个独立导航系统,亦可作为多传感器系统的一个部分。
2.2.1.1 RNP 2 规范以全球导航卫星系统(GNSS)为基础
3.2.1.1 RNP 1 规范以全球导航卫星系统(GNSS)为基础。尽管基于测距仪/测距仪的 RNAV 系统能够保证 RNP 1 的精度,但本导航规范主要用于测距仪基础设施无法支持测距仪/测距仪区域导航达到所需性能的环境。测距仪基础设施的要求和评估变得越来越复杂,这就意味着其广泛应用是不现实或成本太高的

5.2.1.1  RNP APCH导航规范需要全球导航卫星系统来支持整个RNP APCH运行

以上是ICAO文件中关于RNP4、RNP2、RNP1、RNP APCH的摘编,强调了GNSS在RNP的主导地位,并顺便鄙视了DME。

RNP实现了两个RNAV所不具备的重要功能:

1、时时放心不下的态度:RNP本质上不依赖惯导,也不依赖DME覆盖区,但依靠卫星却做到了随时位置更新;RNAV只是趁机更新;

2、交叉检查的优良作风:利用更多的卫星进行交叉检查,检测并排除(FDE)问题卫星,实现自我监视;RNAV只能靠监视雷达。

这第二个功能,叫做RAIM,中文意思准确讲是用卫星接收设备进行自检,确保位置准确,摆脱了对监视雷达的依赖。很多小机场没有雷达,可以用RNP1实现进离场。

用卫星设备自检就需要更多颗卫星,应运而生了“RAIM预测”这件事,就是飞行前利用星历算一下飞机头顶上是不是都有额外的卫星来进行RAIM;现在GPS星座很丰满,对于RNP APCH、RNP1、2、4,根据DOC9613,如果有足够的卫星可能就无需进行预测”。只有RNP AR,需要的星星实在太多,才要每次航前都做RAIM预测。

某些机型还具备AAIM功能,意思是用惯导设备进行自检,来代替RAIM功能,看上去没什么用,但在RNP飞行中,可能偶发卫星不足的情况,比如战区等原因,RAIM不可用,AAIM就派上了用场。

如果GPS全挂了,所有RNP程序也就都不能用;对于有雷达的机场,一般是RNAV进离场,只要性能够,就没什么影响;对于没有雷达的机场,RNP进离场均不可用,要回到传统方式;有几个机场有雷达却只公布了RNP进离场,这就尴尬了,理论上RNP可以降级到RNAV,但因为没有相关规则,只能继续尴尬。

深入理解卫星导航(下)有卫星导航的详细介绍。


ADS-B

ADS-B会读取GPS位置并直接而频繁的发送出去,所以它并不做任何处理,一旦GPS故障,ADS-B随即故障。


EGPWS

EGPWS也会读取GPS位置信息,还会读取其他来源位置信息,然后独立计算,来排除错误信息,它并不相信RAIM、AAIM的输出。所以当GPS故障后,EGPWS的反应和FMS不一定相同。

EGPWS的E部分原理是使用DEM数据库,读取位置信息,判断地形障碍,如果GPS故障后发现EGPWS地形位置不对,说明只是E部分出了问题,核心部分GPWS是根据RA来报警的,不受影响。

有关DEM的详细介绍,见地形和DEM

小结

对于大飞机:

可以把RNAV简单理解为基于惯导、不依赖卫星的导航,时间越长,误差越大;一旦路过DME覆盖区,立马可以更新位置,减小误差;虽然不依赖卫星导航,但有卫星导航时可以随时更新位置,减小误差

RNP可以简单理解为基于卫星、不依赖惯导的导航,随时更新,自带监控,一旦GPS瓦特了,RNP不复存在。希望北斗、伽利略能早点儿上来。

RNP AR则是既要卫星、又要惯导、还要EGPWS的导航,有时候甚至要求各种双套,就是为了防止万一;由于需要的卫星数量比RNP更多,所以飞行前都要做RAIM预测。

对于小飞机:

因为没有惯导,所以失去卫星的话,RNAV和RNP基本都没了,唯一的例外,是航路上的局部区域被DME覆盖,可能让飞机保持RNAV能力。


simpler is safer
越简单,越安全



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