王鸿睿 杨庆国 李格
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摘要：新时期随着我国GPS技术的发展，几十年来全球卫星导航系统和全球定位系统的发展使得GPS在原有的基础上越来越完善。卫星导航是飞机上重要的导航方式，可以为飞机提供高精度的位置、速度和时间数据。作为卫星导航系统的重要机载设备，卫星接收机的稳定性和可靠性与飞行安全紧密相关。目前，空客A380、波音B787及我国自主研发的C919和ARJ等飞机均安装了柯林斯公司生产的GPS接收机。然而，2019年7月，中国民航局对柯林斯GPS接收机失效事件进行了通报，有两型GPS接收机存在设计缺陷，在GPS系统进行常规时间校准后无法锁定GPS卫星，从而导致飞机上与GPS系统存在交联关系的多个相关系统故障，引发飞行隐患。本文就卫星接收机在民航中的应用及发展趋势展开探讨。
关键词：卫星接收机；民机；自主性
引言
由于卫星导航接收机在实际运行期间经常会出现时间频率偏差，这需要在此基础上合理应用卫星导航接收机时频校准技术，这有助于提升技术处理效率。考虑到时频生成与保持系统往往会对可用的时频信号产生根本性影响，这一特点在我国自主建设的北斗卫星导航系统中表现得尤为明显。此外，时频生成与保持技术弥补了北斗导航系统在星载原子钟方面与国外相关导航系统上存在的不足，并在此基础上改善了铷原子钟的各项性能指标，从而在最大限度上降低了原子钟性能不足给整个导航系统带来的影响。
1卫星接收机的功能
卫星接收机作为卫星导航系统的机载用户设备，其功能主要是：（1）接收卫星发送的导航信号，恢复卫星载波信号及卫星钟，解调出卫星星历，卫星钟校正数据；（2）利用本地时钟和卫星钟差测量接收天线到卫星伪距；（3）利用恢复的载波频率计算伪距变化率；（4）利用伪距、伪距变化率卫星钟相关数据计算飞机的经度、纬度、高度、速度等导航信息及时间信息。此外，机载卫星接收机一般还具备自主卫星完整性监控能力。虽然不同类型的卫星接收机接收的卫星信号和观测量不同，提供的导航信息存在差异，但其主要功能均为接收卫星信号并进行解算，以提供时间信息和导航信息。
2高精度卫星导航接收机的常见受干扰类别
民用卫星导航信号的数据和调制方式大部分是公开的，生成很容易。即使是对于非公开的信号，也可以在通过直接转发的方式产生。所以，一台欺骗机是很容易做出来的。而欺骗信号一旦盖住正常的卫星信号被接收机捕获和接收，最终的定位结果就完全错误了。所以未加抗欺骗措施的接收机的安全性是很堪忧的。而卫星导航系统中的干扰问题根据干扰源条件的不同可以划分为两类。通常来说干扰的类型主要包括环境干扰和人为干扰。人为干扰的主要原因有很多，环境干扰与人力干扰的主要区别在于是否存在人为因素参与其中。因此，卫星导航接收机的抗干扰能力主要取决于接收信号处理环境和技术人员的专业水平。从卫星导航技术的干扰原理来看，GPS干扰的方式主要分为两种：压制式和欺骗式。而欺骗式的干扰大体上又可分为两种：一种叫做自主式欺骗干扰，就是指干扰系统不依赖GPS系统，直接自己产生假的导航信号发送给用户接收机，让用户接收机得到错误的伪距从而计算出错误的位置速度信息以达到欺骗的目的。从战术应用的层面来看，自主式干扰具有良好的可操作性。然而现实总是残酷的，自主式欺骗干扰必须完全掌握GPS信号结构，包括码结构、导航信息内容等，而这些正是GPS系统的核心技术，难以得到相应的技术资料。目前一般仅可以掌握GPS的C/A码的结构、帧格式及部分导航电文内容等,因此对于GPS的自主式欺骗干扰仅限于对C/A码的欺骗干扰（也就是针对普通用户的民码），对于军用GPS接收机的自主欺骗干扰则不具备实现条件。另一种就是前面说的镜像式干扰，我们一般称作为转发式欺骗干扰。
但是GPS系统（包括COMPASS和GLONASS）的原理并不是直接给出需要到达的目标地点位置信息，GPS卫星给出的是卫星的坐标以及卫星钟的时刻，用户接收机自己通过多颗卫星的这些信息和本机时间来解算自身的位置（定位）和自身的时间（授时）。这两种类型的干扰具有不同的影响，并且每种类型的干扰都有不同的解决方案。所以，技术人员为了有效解决不同类型的干扰问题，则必须对每种干扰形式都有深刻的了解。
3卫星接收机在民航中的应用及发展趋势
3.1广播式自动相关监视系统（ADS-B）
自动相关监视（ADS）是指被监视目标测定自身位置并主动发报给监视者，使监控者掌握被监视目标当前位置及运行意图。自动监视系统根据工作模式可分为寻址式（ADS-A），广播式（ADS-B）及合约式（ADS-C）。广播式自动相关监视系统（ADS-B）利用视距广播数据链将载机精确位置周期性的报告给地面航管中心及飞机之间，使得飞机之间能够掌握对方的位置，保持飞行间隔及时实施避让。ADS-B采用全向广播方式可进行空对空、空对地及地对地的自我监视。ADS-B的机载部分主要由GPS卫星接收机，ADS-B位置报告的收发机及驾驶舱交通信息显示器组成。GPS是ADS-B获取自身位置数据的信息源。
3.2信号模拟器
信号模拟器可以提供各种准确或重复的模拟信号。卫星时频信号生成和维护系统主要包括一个频率源和一个频率切换部件、一个频率相位部件和CPU类的控制处理子系统。这一系统通过保持与卫星和地面的信息交换，并支持生成信号的补偿处理，促使维护系统连接到其他卫星用户，从而为北斗系统的数据信号生成单元提供准确的时基信号，并提升L波段载频频率源时频信号的准确性和稳定性。
3.3地形防撞告警系统
地形防撞告警系统主要用于防止飞机可控撞地，系统内部有全球机场位置数据库和全球地形数据库。地形防撞告警系统利用GPS或IRS发送的定位数据，大气数据系统发送的气压高度，无线电高度表提供的无线电高度，下滑道偏离及飞机配置状态等信息预测飞机的三维飞行轨迹，并与内部地形数据库中航线前方地形资料进行对比，计算出接近速度或高度数据与告警门限进行比较，利用灯光及语音告警提醒飞行员及时规避潜在危险。
4日常维护注意事项
（一）按照标准规范安装卫星接收机天线，因地制宜，定期检查卫星天线接地电阻。（二）卫星信号从天线进入机房到卫星接收机，做好接地处理工作，屏蔽静电干扰；功分器未用口安装上假负载，提高信号的强度与质量。（三）定期检查传输信号线的是否存在老化破损，检查高频头的工作环境。（四）确保机房各个设备已接地，屏蔽静电干扰。（五）定期检查接收天线电缆表皮是否存在老化和破损，加强对接收天线的屏蔽保护，减少干扰。（六）接收机调试时避免快速大量的删除或者改动节目，避免接收机内部出现程序紊乱导致数据丢失或者死机现象。
结语
基于我国北斗卫星导航系统的发展现状，民机卫星接收机的发展趋势是具备GPS/北斗双模接收功能，为飞机提供高精度稳定可靠的导航数据，保证相关系统稳定工作。科林斯的接收机事件表明卫星接收机国产化势在必行，未来应加快我国接收机自主研发及适航取证进程，尽快实现卫星导航的全面自主性。
参考文献
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