GPS在航海航空导航中的应用
发布日期: 2009-6-9 信息来源: 网上摘录 作者: 卫通达
1. GPS航海导航应用
卫星技术用于海上导航可以追溯到60年代的第一代卫星导航系统TRANSIT，但这种卫星导航系统最初设计主要服务于极区，不能连续导航，其定位的时间间隔随纬度而变化。在南北纬度 70度以上，平均定位间隔时间不超过30分钟，但在赤道附近则需要90分钟，80年代发射的第二代和第三代TRANSIT卫星NAVARS和OSCARS弥补了这种不足，但仍需10至15分钟。此外 采用的多仆勒测速技术也难以提高定位精度（需要准确知道船舶的速度），主要用于 2维导航。
GPS系统的出现克服了TRANSIT系统的局限性，不仅精度高、可连续导航、有很强的抗干扰能力； 而且能提供七维的时空位置速度信息。在最初的实验性导航设备测试中，GPS就展示了其能代替 TRANSIT和路基无线电导航系统，在航海导航中发挥划时代的作用。今天很难想象哪一条船舶 不装备GPS导航系统和设备，航海应用已名副其实成为GPS导航应用的最大用户，这是其他 任何领域的用户都难以比拟的。
GPS航海导航用户繁多，其分类标准也各不相同，若按照航路类型划分、GPS航海导航可以分为五大类：
远洋导航；
海岸导航；
港口导航；
内河导航；
湖泊导航。
不同阶段或区域，对航行安全要求也因环境不同而各异,但都是为了保证最小航行交通冲突，最有效地利用日益拥挤的航路，保证航行安全，提高交通运输效益，节约能源。
按照导航系统的功能划分大致有以下几类：
1.1 自主导航
自主导航系统适于上述五种航路的任何一种，它基本上是一种单纯的导航系统，其主要特征 是仅向用户提供位置、航速、航向和时间信息，也可包括海图航迹显示，不需通信系统。 适应于任何海面、湖面和内河上航行的船舶，从大型远洋货轮到私人游艇。
1.2 港口管理和进港引导
这种系统主要用在港口/码头的船舶调度管理、进港船舶引导，以确保港口/码头航行的 安全和秩序。该系统需要双向数据/话音通信，以便于领航员引导船舶；港区情境/海图显示，以表明停泊的船舶和可利用的进港航线，避免冲撞。这种系统对导航系统的精度要求高，要采用差分GPS和其他增强技术。
1.3 航路交通管理系统
这类系统与2类似，但主要用于近海和内陆河航路上的船舶导航和管理，通常需要卫星通讯 系统支持，如INMARSAT等。
1.4 跟踪监视系统
这类系统主要用于海上巡逻艇、缉私艇及各种游艇，特别是私人游艇以防盗。根据具体的使用对象， 有些系统需要给出导航参量和双向数据/话音通讯，如缉私艇。而有时则不需要给出 导航参量，如用于私人游艇防盗，仅需要单向数据通讯，一旦发生被盗，游艇上的导航系统 不断把自己的位置和航向送到有关中心，以便于跟踪。
1.4 紧急救援系统
系统也包括两栖飞机，直升机和陆地车辆。它适应于所有五类航路，用于搜寻和救援各种 海面、湖面、内河上的遇险、遇难船舶和人员。这类系统需要双向数据/话音通信，要求响应时间快、定位精度高。
1.5 GPS/声纳组合用于水下机器人导航
该类组合系统可用于水下管道铺设和维修（需要视觉系统），水文测量以及其它海下作业，如用于港口/码头水下勘测，以便于进场航道阻塞物清除，保证航道畅通，也可用于远洋捕捞，渔船作业引导等。
1.6 其它应用
所采用的导航技术主要有：
GPS（GNSS）；
声纳技术；
INS；
航海图
无线电导航技术；
图象匹配技术；
其它技术。
所采用通信技术主要有：
FM和TV副载波单向数据/话音通信；
信标台网双向数据通信；
集群通信；
蜂窝通信；
陆基移动数字通信；
卫星移动通信；
流量余迹通信等。
前5种通信技术主要用于近海、内河和湖泊区域。
2.GPS航空导航应用
尽管从纯技术革新和进步的意义上讲，第一代TRANSIT卫星导航系统开创了导航技术的新纪元。但TRANSIT并未在航空导航领域得到应用，卫星导航技术 真正用于航空导航可以说是始于GPS系统。70年代初期，当GPS计划正在酝酿和方案论证阶段，有人就提出用有限的GPS卫星和高度表组合实现飞机导航、 进场和起飞，并进行了大量的仿真研究。80年代初，即1983年，在当时仅有5颗 GPS卫星的情况下，ROCKWELL的商用飞机SABRELINER（军刀）就载着《航空周刊 和空间技术》的公正观测员和几名客人，从美国的衣阿华州首航大西洋到达法国的巴黎，其导航系统使用一台单通道双频军用GPS接收机和一台单通道单频民用GPS接收机进行全程 GPS导航，中途有四次着陆主要是为了等待GPS卫星信号。这次GPS导航是成功的，但 FAA的官员对于利用GPS进行航空导航仍持保留态度和疑虑，这些疑虑主要表现在以下几方面：
选择可用性问题；
5颗卫星覆盖的连续性和可用性问题；
完善性问题；
费用（包括用户系统价格和GPS收费）；
选择可用性影响GPS导航系统的精度、完善性、可用性和服务连续性，影响GPS用于航空导航可靠性和航行安全，而用户GPS导航系统和设备的价格以及GPS的收费标准直接关系到 用户的承受能力。
80年代后期年代初，GPS用户设备价格逐年下降，体积也越来越小；各种增强技术，差分技术和组合技术日趋成熟，GLONASS也完全安装并投入使用，这些都为GPS在航空导航中的应用 带来了广阔的前景。
可以预见：GPS将使全球无间隙导航和监视成为可能，这将是航空导航史上的一次划时代的 革命。
今天，GPS在航空导航中的应用可谓无孔不入，如果按航路类型或飞机阶段划分，则涉及到：
洋区空域航路
内陆空域航路
终端区导引
进场/着陆
机场场面监视和管理
特殊区域导航，如农业、林业等。
在不同的航路段及不同的应用场合，对导航系统的精度、完善性、可用性、服务连续性 的要求不尽相同，但都要保证飞机飞行安全和有效利用空域。
按照机载导航系统的功能划分，GPS在航空导航中的应用以下几个方面：
2.1 航路导航
航路主要指洋区和大陆空域航路。各种研究和实验已经证明，GPS和一种 称之为接收机自主完善性监测（RAIM）的技术能满足洋区航路对GPS的导航精度、完善性 和可用性的要求，而且精度也能满足大陆空域航路的要求。GPS和广域增强系统也能满足大陆空域航路 精度、完善性和可用性的要求。GPS的精度远优于现有任何航路用导航系统，这种精度的提高 和连续性服务的改善有助于有效利用空域，实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量 管理以及飞行路径管理，为空中运输服务开辟了广阔的应用前景，同时也降低了营运成本， 保证了空中交通管制的灵活性。
GPS的全球、全天候、无误差积累的特点，更是中、远程航线上目前最好的导航系统。 按照国际民航组织的部署，GPS将逐渐替代现有的其他无线电导航系统。GPS不依赖于 地面设备、可与机载计算机等其他设备一起进行航路规划和航路突防，为军用飞机的导航 增加了许多灵活性。
2.2 进场/着陆
包括非精密进场/着陆、CAT-1、2、3类精密进场/着陆。GPS及其广域增强系统完全 满足非精密进场/着陆对清度、完善性和可用性的要求；再用局域伪距差分技术/系统增强，能满足CAT-1、2类精密进场的要求。目前实验表明，采用载波相位差分技术，精度可达到 CAI-3b类的要求。可以肯定，各种增强和组合系统（如LAAS、WAAS、INS等）与GPS将成为进场/ 着陆的主要手段，仪表着陆将最终被取代。由于GPS着陆系统设备简单、无需复杂的地面支持 系统，它将适合于任何机场，包括私人机场和山区机场。理论上，GPS着陆系统可以引导 飞机沿着任意一条飞行剖面和进场路径着陆，这就增强了各种机场着陆的灵活性和盲降能力。
2.3 场面监视和管理
包括终端飞行管理和机场场面监视/管理。场面监视和管理的目的就是 要减少起飞和进场滞留时间，监视和调度机场的飞机、车辆和人员，最大效率地利用终端 空间和机场，以保证飞行安全。GPS、数字地图和数字通信链为开发先进的场面导航、通信和 监视系统提供了全新的技术，可以确信基于GPS/数字地图的场面监视和管理将为机场带来很大 效益。
2.4 航路监视
目前的监视是一种非相关监视系统，主要是利用各种雷达系统，可以和机载 导航系统互成备份。但这种监视系统地面和机载设备复杂、价格高、监视精度随距离而 变化，作用距离有限，不可能实现全球覆盖和全球无间隙监视。GPS和航空移动卫星系统的出现 ，将改变这种传统的监视方法，机载GPS导航系统通过通信自动报告自己的位置这种"自动 相关监视系统ADS"已经提出，目前的演示和实验已经证明ADS为飞行各阶段的监视都会带 来益处，特别是为了洋区和内陆边远地区空域实现自动自动监视业务提供了可能。这将杉其有 效地减轻飞行员/管制人员的工作负担，同时也增加了ATM的灵活性。
2.5 飞行试验与测试
在新机型、新机载设备、机载武器系统或地面服务系统设计、定型、测试中， 基于GPS的飞行状态参数测量系统或可作为基准，可比较的辅助设备将使飞行试验及数据 处理和飞行测试变的简单和节省开支。
2.6 特种飞机的应用
航空母舰上飞机着舰/起飞导引系统，直升机临时起降导引、军用飞机的编队、 突防、空中加油、空中搜索与救援等。
2.7 航测
除了一般飞机要求的导航、起降功能外，用于航测的飞机还需要提供记载测量 或摄影设备的位置及时信息交联、数据记录及事后处理。
2.8 其他应用
如飞行训练、校验ILS系统等。尽管在目前的DGPS进场/着陆演示飞行中，大都用 ITS作为基准系统来评估DGPS着陆系统的能力，但事实上，DGPS的精度要优于ILS系统。在 ILS没有关闭之前，用DGPS校验，是一种价格低、精度完全满足校验ILS的基准系统。目前， 用光测和雷达价格高、设备庞大、复杂。 当然，以上并未包括GPS在航空中应用的所有方面，并且新的应用途径仍在试验与开发之中。
卫星技术用于海上导航可以追溯到60年代的第一代卫星导航系统TRANSIT，但这种卫星导航系统最初设计主要服务于极区，不能连续导航，其定位的时间间隔随纬度而变化。在南北纬度 70度以上，平均定位间隔时间不超过30分钟，但在赤道附近则需要90分钟，80年代发射的第二代和第三代TRANSIT卫星NAVARS和OSCARS弥补了这种不足，但仍需10至15分钟。此外 采用的多仆勒测速技术也难以提高定位精度（需要准确知道船舶的速度），主要用于 2维导航。
GPS系统的出现克服了TRANSIT系统的局限性，不仅精度高、可连续导航、有很强的抗干扰能力； 而且能提供七维的时空位置速度信息。在最初的实验性导航设备测试中，GPS就展示了其能代替 TRANSIT和路基无线电导航系统，在航海导航中发挥划时代的作用。今天很难想象哪一条船舶 不装备GPS导航系统和设备，航海应用已名副其实成为GPS导航应用的最大用户，这是其他 任何领域的用户都难以比拟的。
GPS航海导航用户繁多，其分类标准也各不相同，若按照航路类型划分、GPS航海导航可以分为五大类：
远洋导航；
海岸导航；
港口导航；
内河导航；
湖泊导航。
不同阶段或区域，对航行安全要求也因环境不同而各异,但都是为了保证最小航行交通冲突，最有效地利用日益拥挤的航路，保证航行安全，提高交通运输效益，节约能源。
按照导航系统的功能划分大致有以下几类：
1.1 自主导航
自主导航系统适于上述五种航路的任何一种，它基本上是一种单纯的导航系统，其主要特征 是仅向用户提供位置、航速、航向和时间信息，也可包括海图航迹显示，不需通信系统。 适应于任何海面、湖面和内河上航行的船舶，从大型远洋货轮到私人游艇。
1.2 港口管理和进港引导
这种系统主要用在港口/码头的船舶调度管理、进港船舶引导，以确保港口/码头航行的 安全和秩序。该系统需要双向数据/话音通信，以便于领航员引导船舶；港区情境/海图显示，以表明停泊的船舶和可利用的进港航线，避免冲撞。这种系统对导航系统的精度要求高，要采用差分GPS和其他增强技术。
1.3 航路交通管理系统
这类系统与2类似，但主要用于近海和内陆河航路上的船舶导航和管理，通常需要卫星通讯 系统支持，如INMARSAT等。
1.4 跟踪监视系统
这类系统主要用于海上巡逻艇、缉私艇及各种游艇，特别是私人游艇以防盗。根据具体的使用对象， 有些系统需要给出导航参量和双向数据/话音通讯，如缉私艇。而有时则不需要给出 导航参量，如用于私人游艇防盗，仅需要单向数据通讯，一旦发生被盗，游艇上的导航系统 不断把自己的位置和航向送到有关中心，以便于跟踪。
1.4 紧急救援系统
系统也包括两栖飞机，直升机和陆地车辆。它适应于所有五类航路，用于搜寻和救援各种 海面、湖面、内河上的遇险、遇难船舶和人员。这类系统需要双向数据/话音通信，要求响应时间快、定位精度高。
1.5 GPS/声纳组合用于水下机器人导航
该类组合系统可用于水下管道铺设和维修（需要视觉系统），水文测量以及其它海下作业，如用于港口/码头水下勘测，以便于进场航道阻塞物清除，保证航道畅通，也可用于远洋捕捞，渔船作业引导等。
1.6 其它应用
所采用的导航技术主要有：
GPS（GNSS）；
声纳技术；
INS；
航海图
无线电导航技术；
图象匹配技术；
其它技术。
所采用通信技术主要有：
FM和TV副载波单向数据/话音通信；
信标台网双向数据通信；
集群通信；
蜂窝通信；
陆基移动数字通信；
卫星移动通信；
流量余迹通信等。
前5种通信技术主要用于近海、内河和湖泊区域。
2.GPS航空导航应用
尽管从纯技术革新和进步的意义上讲，第一代TRANSIT卫星导航系统开创了导航技术的新纪元。但TRANSIT并未在航空导航领域得到应用，卫星导航技术 真正用于航空导航可以说是始于GPS系统。70年代初期，当GPS计划正在酝酿和方案论证阶段，有人就提出用有限的GPS卫星和高度表组合实现飞机导航、 进场和起飞，并进行了大量的仿真研究。80年代初，即1983年，在当时仅有5颗 GPS卫星的情况下，ROCKWELL的商用飞机SABRELINER（军刀）就载着《航空周刊 和空间技术》的公正观测员和几名客人，从美国的衣阿华州首航大西洋到达法国的巴黎，其导航系统使用一台单通道双频军用GPS接收机和一台单通道单频民用GPS接收机进行全程 GPS导航，中途有四次着陆主要是为了等待GPS卫星信号。这次GPS导航是成功的，但 FAA的官员对于利用GPS进行航空导航仍持保留态度和疑虑，这些疑虑主要表现在以下几方面：
选择可用性问题；
5颗卫星覆盖的连续性和可用性问题；
完善性问题；
费用（包括用户系统价格和GPS收费）；
选择可用性影响GPS导航系统的精度、完善性、可用性和服务连续性，影响GPS用于航空导航可靠性和航行安全，而用户GPS导航系统和设备的价格以及GPS的收费标准直接关系到 用户的承受能力。
80年代后期年代初，GPS用户设备价格逐年下降，体积也越来越小；各种增强技术，差分技术和组合技术日趋成熟，GLONASS也完全安装并投入使用，这些都为GPS在航空导航中的应用 带来了广阔的前景。
可以预见：GPS将使全球无间隙导航和监视成为可能，这将是航空导航史上的一次划时代的 革命。
今天，GPS在航空导航中的应用可谓无孔不入，如果按航路类型或飞机阶段划分，则涉及到：
洋区空域航路
内陆空域航路
终端区导引
进场/着陆
机场场面监视和管理
特殊区域导航，如农业、林业等。
在不同的航路段及不同的应用场合，对导航系统的精度、完善性、可用性、服务连续性 的要求不尽相同，但都要保证飞机飞行安全和有效利用空域。
按照机载导航系统的功能划分，GPS在航空导航中的应用以下几个方面：
2.1 航路导航
航路主要指洋区和大陆空域航路。各种研究和实验已经证明，GPS和一种 称之为接收机自主完善性监测（RAIM）的技术能满足洋区航路对GPS的导航精度、完善性 和可用性的要求，而且精度也能满足大陆空域航路的要求。GPS和广域增强系统也能满足大陆空域航路 精度、完善性和可用性的要求。GPS的精度远优于现有任何航路用导航系统，这种精度的提高 和连续性服务的改善有助于有效利用空域，实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量 管理以及飞行路径管理，为空中运输服务开辟了广阔的应用前景，同时也降低了营运成本， 保证了空中交通管制的灵活性。
GPS的全球、全天候、无误差积累的特点，更是中、远程航线上目前最好的导航系统。 按照国际民航组织的部署，GPS将逐渐替代现有的其他无线电导航系统。GPS不依赖于 地面设备、可与机载计算机等其他设备一起进行航路规划和航路突防，为军用飞机的导航 增加了许多灵活性。
2.2 进场/着陆
包括非精密进场/着陆、CAT-1、2、3类精密进场/着陆。GPS及其广域增强系统完全 满足非精密进场/着陆对清度、完善性和可用性的要求；再用局域伪距差分技术/系统增强，能满足CAT-1、2类精密进场的要求。目前实验表明，采用载波相位差分技术，精度可达到 CAI-3b类的要求。可以肯定，各种增强和组合系统（如LAAS、WAAS、INS等）与GPS将成为进场/ 着陆的主要手段，仪表着陆将最终被取代。由于GPS着陆系统设备简单、无需复杂的地面支持 系统，它将适合于任何机场，包括私人机场和山区机场。理论上，GPS着陆系统可以引导 飞机沿着任意一条飞行剖面和进场路径着陆，这就增强了各种机场着陆的灵活性和盲降能力。
2.3 场面监视和管理
包括终端飞行管理和机场场面监视/管理。场面监视和管理的目的就是 要减少起飞和进场滞留时间，监视和调度机场的飞机、车辆和人员，最大效率地利用终端 空间和机场，以保证飞行安全。GPS、数字地图和数字通信链为开发先进的场面导航、通信和 监视系统提供了全新的技术，可以确信基于GPS/数字地图的场面监视和管理将为机场带来很大 效益。
2.4 航路监视
目前的监视是一种非相关监视系统，主要是利用各种雷达系统，可以和机载 导航系统互成备份。但这种监视系统地面和机载设备复杂、价格高、监视精度随距离而 变化，作用距离有限，不可能实现全球覆盖和全球无间隙监视。GPS和航空移动卫星系统的出现 ，将改变这种传统的监视方法，机载GPS导航系统通过通信自动报告自己的位置这种"自动 相关监视系统ADS"已经提出，目前的演示和实验已经证明ADS为飞行各阶段的监视都会带 来益处，特别是为了洋区和内陆边远地区空域实现自动自动监视业务提供了可能。这将杉其有 效地减轻飞行员/管制人员的工作负担，同时也增加了ATM的灵活性。
2.5 飞行试验与测试
在新机型、新机载设备、机载武器系统或地面服务系统设计、定型、测试中， 基于GPS的飞行状态参数测量系统或可作为基准，可比较的辅助设备将使飞行试验及数据 处理和飞行测试变的简单和节省开支。
2.6 特种飞机的应用
航空母舰上飞机着舰/起飞导引系统，直升机临时起降导引、军用飞机的编队、 突防、空中加油、空中搜索与救援等。
2.7 航测
除了一般飞机要求的导航、起降功能外，用于航测的飞机还需要提供记载测量 或摄影设备的位置及时信息交联、数据记录及事后处理。
2.8 其他应用
如飞行训练、校验ILS系统等。尽管在目前的DGPS进场/着陆演示飞行中，大都用 ITS作为基准系统来评估DGPS着陆系统的能力，但事实上，DGPS的精度要优于ILS系统。在 ILS没有关闭之前，用DGPS校验，是一种价格低、精度完全满足校验ILS的基准系统。目前， 用光测和雷达价格高、设备庞大、复杂。 当然，以上并未包括GPS在航空中应用的所有方面，并且新的应用途径仍在试验与开发之中。
