三分钟教你读懂RAIM预报

（一）GNSS定位原理

GNSS是Global Navigation Satellite System（全球卫星导航系统）的缩写。现在投入使用的GNSS系统主要有四套：美国的GPS、俄罗斯的“格洛纳斯”、欧洲的“伽利略”和中国的“北斗”。其中以美国的GPS系统使用最为广泛。

这四套GNSS系统的定位原理基本相同，都是依靠接收机与多个卫星间的测距来进行定位。GNSS常用的测距方法有两种：伪距测距和载波相位测距。机载GNSS系统属于单点定位，只能使用伪距测距。

伪距测距利用卫星信号发出和接收的时间差计算距离。由于GNSS卫星是运动的，这里的测距值其实是接收机距离卫星飞行后方某个点的距离，所以被称作“伪距”。

当接收机获得多个卫星测距后，就可以根据“星历”（卫星轨道数据）计算出飞机的位置。这个计算过程与原始导航中的DME/DME定位十分相似。

（1）平面双台定位

在二维平面中，根据两个DME台的测距值可以确定两个点。

借助诸如VOR径向线等其他定位手段，我们可以将错误的点排除。FMC可以利用这种方法修正惯性导航系统的误差，得到精确的飞机位置（详见文后说明）。

（2）平面三台定位

在平面内如果有三个DME台进行测距，即可得出唯一的位置点。

（3）立体三星定位

如果把DME台“装”在卫星上，在三维空间内定位的话，三个测距值能够获得两个位置点。通过逻辑判断法，系统可以排除错误的位置点，因为错误位置点在太空中，比卫星还高。这就是三星定位的基本原理。

三颗卫星，三组测距数据，从理论上讲我们已经可以在三维空间中确定飞机的位置了。

（4）时间误差导致的“第四变量”。

GNSS系统利用信号的时间差进行测距。任何细微的时间误差被放大30万倍（光速）都将变得无法接受。所以GNSS系统要求卫星和接收机的时间必须保持严格的一致。

GNSS卫星上使用的是原子钟，同时还受地面站的监控和校准。原子钟精度极高，但是造价高昂。机载GNSS接收机上使用的是“廉价的”石英钟。（当然这个“廉价”只是相对而言的。）机载石英钟的精度远低于原子钟。

“机载时钟”与“卫星时钟”之间的误差被称作“接收机钟差”。一旦“接收机钟差”混入定位计算，就会被放大30万倍（伪距＝时间差×光速）。所以在GNSS定位过程中，除了经度、纬度和高度以外，还存在一个必须解算的变量——“接收机钟差”。

既然定位存在四个待解变量，那就必须至少引入四组数据进行解算。这就是我们通常所说的GNSS定位至少需要4颗卫星的原因。

（二）RAIM（接收机自主完好性监控）

前文讲到，接收机至少需要4颗卫星才能完成定位。那么就存在这样一个问题：万一某颗卫星出现故障，定位数据就会发生错误。仅有4颗卫星可用时，定位错误无法被系统识别和纠正。

如果GNSS接收机能够搜索到5颗可用的卫星，按照“4颗卫星定位一次”的原则排列组合，接收机可以做5次定位计算。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（接收机自主完好性监控）。

如果GNSS接收机能够搜索到5颗以上卫星，系统就能够进行更多次的定位计算。此时RAIM不仅能够提供卫星故障的警报，还能够识别出是哪颗卫星发生故障。在某些GNSS系统中，接收机可以根据RAIM结果将错误的卫星排除在外。

RAIM是GNSS接收机的一种功能，目的是监控GNSS卫星的可靠性。接收机必须搜索到至少5颗可用卫星，RAIM才能够工作。还需要注意的一点是，RAIM并不监控GNSS接收机本身的故障。

所有航空用GNSS接收机都必须具备RAIM功能。只要可用卫星不少于5颗，RAIM功能即自动工作。RAIM是FMC评价导航精度的重要依据之一。机组不需要直接监控RAIM结果，只需要监控ANP值有没有超过RNP值即可。

“RAIM 功能的输出是对GPS 位置误差的估值。自治完好性监测值送给FMC，FMC 利用此自治完好性监测数据决定GPS数据是否能用于导航。”——《B737NG飞机维护手册》

“ANP 是FMC 根据RAIM、更新方法以及其它因素计算的，它的值一直波动。只要ANP 不超过RNP，没有实际或可靠的方法帮机组解释ANP 波动。如果ANP 增加超过RNP，出现UNABLE REQD NAV PERF - RNP 警报。”——《B737机组训练手册》

（三）RAIM HOLE （RAIM 空洞）

既然RAIM功能至少需要5颗卫星才能完成，那飞行中会不会遇到凑不够5颗可用卫星的情况呢？这种情况是存在的。无法搜索到5颗可用卫星的区域被称之为“RAIM空洞”。

在RAIM空洞中，接收机无法对卫星的可靠性进行监控。RAIM空洞的发生主要受下面三个因素的影响。

（1）星历

星历是GNSS卫星运行的轨道数据，说白了就是一张时间表，告诉我们卫星什么时间在什么地点。以GPS系统为例，GPS一共有21颗正常工作卫星和3颗备份卫星。卫星围绕地球运转，每12小时绕地球一圈。依照星历计算在某一时间、某一区域，理论上就是凑不够5颗卫星的。

（2）MASK ANGLE （蔽遮高度角、截止高度角）

当接收机定位时，位置过低、距天地线过近的卫星容易受到电离层和地形的干扰，造成定位误差。所以系统会设定一个遮蔽高度角，低于这个角度的卫星被视作不可靠。遮蔽高度角越大，视作不可靠的卫星就越多，RAIM空洞出现的概率也就越大。

（3）卫星故障通告

如果卫星主控站发现某颗GNSS卫星出现故障，会对外发出卫星故障通报。可用卫星数量减少也会增大RAIM 空洞出现的概率。

（四）RAIM预报

“不可靠，即不可用”是航空运行中一个通行的准则。并不是说在RAIM空洞中4星定位的数据就一定会出现偏差，问题在于定位数据的可靠性无从监控。所以RAIM空洞中的GNSS数据不能被视作有效。

这就好比某机场宣布“盲降不提供使用”，但实际上盲降设备仍然处于开机状态一样。盲降信号可能准确，也可能不准确，我们无从证实。所以我们不会使用盲降进近程序。

如果某条航路，或者某个飞行程序以GNSS定位作为唯一导航信息源，那我们就必须随时监控RAIM空洞的位置。当飞行路线处于RAIM空洞的覆盖范围时，需要向机组发出预警。这就是我们所说的RAIM 预报。

“如果预测到计划飞行的任何阶段失去RAIM 持续超过5 分钟，则此飞行应推迟或取消，或者在满足RAIM 要求的区域重新拟定飞行计划。驾驶员应评估在GPS 导航失效的情况下的导航能力（可能需要飞往备降场）。”——《在航路和终端区实施RNAV1 和RNAV2 的运行指南》

“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。”——《在终端区和进近中实施RNP的运行批准指南》

以GNSS作为唯一导航信号源，常见于RNAV航路飞行和RNP进近程序。RAIM空洞对于RNP进近的影响尤为严重。在实际运行中，在预报RAIM空洞的时段内，RNP进近都是被禁止的。

RAIM预报由一些专业公司提供给航空公司和机场当局。RAIM预报的计算需要考虑GPS星历、卫星故障通告、机场截止高度角等因素。在报文中会给出RAIM不可用的时段。

在某些为航空公司提供的RAIM预报中可能还会考虑机载GNSS接收机性能特点，例如飞行路线、天线安装位置、转弯坡度等对卫星信号接收的影响。这一类报文不光能够预报RAIM空洞出现的时段，还能够对某一时段内程序要求的RNP值是否可行提供预报。

（五）一个实例

笔者一次执行浦东-仙台航班，在航前阅读航行通告时注意到：仙台机场世界时0435z-0500z期间，用于进近的“GPS RAIM ”中断。航班预计在仙台着陆时间恰好处于这一时段内。

（1）是否存在备用飞行程序

根据气象资料分析仙台机场预计使用09号跑道着陆。09号跑道的主用进近方式为RNP进近，备用进近方式为目视进近。

（2）备用飞行程序是否可用

气象资料显示，仙台机场符合目视进近所需的气象标准。据此笔者认定航班可以正常执行。

（3）两手准备

在东京管制区开始下降后，机组收听仙台机场通播。仙台机场发布的进近方式为“VISUAL APP”。

此时FMC显示飞机到场时间刚好在RAIM失效期以外。但机组无法确定机场是否会在RAIM失效期过后立刻恢复RNP进近。所以机组在进近准备时对RNP进近和目视进近都进行了复习。FMC进场程序按照RNP进近输入。

此外，为了避免临时仓促改变进近方式带来的麻烦，笔者还放出了一手独门必杀绝技——飞慢点儿。

联系仙台进近后，得到指令“雷达引导，09号RNAV进近”。机组使用09号RNP进近正常落地。

（六）本文小结

（1）GNSS系统伪距法定位需要至少4颗卫星。

（2）RAIM是GNSS接收机的一项功能，目的是监控卫星的可靠性。

（3）RAIM需要至少5颗卫星才能工作。

（4）RAIM 空洞是指搜索不到5颗卫星，无法使用RAIM功能的区域。

（5）RAIM 预报是对RAIM空洞位置和时段的预报。

（6）如果航路或进近使用GNSS作为单一信号源，飞行计划中必须提供RAIM预报。机组应当注意核对预报是否对飞行存在影响。

番外篇1：Baro-Aiding （高度支助方式）

“当4 颗卫星可用时，GPS 存贮ADIRS 的惯性高度和GPS 高度之间的差值。保存此高度差值是为了当只有3颗卫星可用时，可以估计出GPS高度。在高度支助方式下，GPS将从ADIRS 得到的飞机高度加上地球半径的长度作为第4 个数据。只有在下列三个条件成立下，GPS进入高度支助方式：

－ GPS已在导航方式

－只有3 颗卫星可用，并且对定位有较好的几何位置关系

－在GPS 存贮器内存贮着惯性高度和GPS 高度之间的差值

当第4 个卫星重新在视野中见到后，GPS重新恢复正常工作。”

——《B737NG飞机维护手册》

Baro-Ading提供了一个很巧妙的思路。利用“ADIRUS高度+地球半径”的方法，把地心作为“第四颗卫星”。

那么在RAIM空洞中，能否用同样的方法把地心作为“第五颗卫星”呢？答案是肯定的。但是B737NG的导航系统能否利用Baro-Ading参与RAIM功能，笔者还没有找到明确的文献说法。如果有了解这方面知识的朋友，还望不吝赐教。

番外篇2：“DME / DME / IRU”定位

FMC可以利用DME/DME测距修正惯性导航系统的误差，得到精确的当前位置。在DME台的数量和精度满足要求的情况下，“DME/DME/IRU”定位并不比GNSS定位的精度差。在RNAV1进离场中“DME/DME/IRU”定位可以作为唯一的导航源使用。

B737NG安装有装有两部频扫DME系统。FMC自动在“机组选定频率”和“位置更新频率”之间快速切换。所以FMC位置更新不会影响机组使用甚高频导航。机组可以在CDU的NAV STATUS第一页看到FMC位置更新所使用的导航台。

“如果设备正在用于导航，识别码高光，数据以大字体显示。如果设备正在被接收但未用于导航，识别码不为高光，但所显示的数据为大字体。如果设备正在被调谐但未接收到，数据以小字体显示。如果助航设备已失效，FAIL 将以小字体显示。”——《B737飞行机组操作手册》

机组也可以在CDU的NAV STATUS第二页人工抑制FMC位置更新。

在某些机场的RNAV进离场程序中，会指定“关键DME台”（Critical DME）。如果GNSS数据不可用，飞机完全依赖“DME/DME/IRU”定位，机组必须确认关键DME台工作正常才能执行该进离场程序。

番外篇3：GNSS增强系统

出于国家安全目的，各个GNSS系统的所有国都对系统的导航精度有所保留。民用GNSS系统的定位精度远远低于军用系统，其中既有卫星信号频率的原因，也有人为有意掺加误差的原因。以美国的GPS 为例，民用的标准定位服务（SPS）定位精度原本可以达到15~25米，但是被美国军方干扰降为100米。军方使用的精密定位服务（PPS）定位精度在95%概率小于18 米。

如何利用民码的信号获得更高的定位精度呢？人们陆续开发除了各种GNSS增强系统。GNSS增强系统分为三类：机载增强系统（ABAS）、地基增强系统（GBAS）和星基增强系统（SBAS）。

（1）机载增强系统（ABAS）

机载增强系统通过机载设备来提高GNSS定位精度，例如我们上文提到过的RAIM就是是典型的机载增强系统。机载增强系统设备简单、成本低，是现在普及率最高的GNSS增强系统。但机载增强系统的缺点也很明显，只能被动的回避低精度时段，不能主动提高定位精度。

（2）地基增强系统（GBAS）

地基增强系统在民航圈内名声不显，但是在军事领域却是大名鼎鼎。地基增强系统还有另一个如雷贯耳的名字叫“差分GPS”。地基增强系统需要建立若干GPS基准台。GPS基准台利用事先测得精确位置与GPS位置进行比较，然后利用空地数据链将偏差修正数据传递给附近的用户。

在中国的“北斗”系统还没有建成的年代，我军建设了大量的差分GPS台。据说经过差分GPS台修正过的民码数据能与美军使用的军码相媲美。这个事情曾经让美军大为光火。

（3）星基增强系统（SBAS）

星基增强系统的修正原理与地基增强系统大致相同。只不过是利用卫星数据链来代替空地数据链传递修正数据。

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