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[23通信] FOTB 737 21-04〡GPS信号干扰

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东航中国民航大学在线王实名认证人气写手荣誉顾问解疑达人

发表于 2021-10-31 10:51:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
分享即成长。大家好,欢迎关注阮工频道


GPS信号干扰

介绍与GPS信号丢失或GPS信号干扰相关的驾驶舱效应。


背景信息

BACKGROUND INFORMATION


本通告提供工程资料,以帮助营运人了解GPS信号干扰期间的驾驶舱效应,并评估风险和缓解措施,以达到营运人及其监管机构满意的水平。


飞机曾多次受到外部来源的GPS信号干扰。干扰源包括便携式设备、GPS干扰机和在机库中发现的GPS中继器,这些设备会在附近区域造成干扰。在有冲突的地区还会出现更大范围的故意GPS干扰。


在GPS信号干扰期间,依赖GPS的系统会受到影响,例如飞行管理计算机系统(FMC)、近地告警系统(GPWS)的前视地形功能和自动相关监视(ADS)空中交通服务(ATS)功能。本通告不包括不受GPS信号干扰影响的飞机系统,如飞行控制、飞机姿态和航向。


GPS接收机使用卫星信号来确定准确的位置。但是,如果所需信号的频带中存在不需要的射频(RF)能量,则该能量可能会干扰接收机的功能,并阻止接收机跟踪卫星和生成自主GPS位置\速度\时间(PVT)解决方案的能力。


本通告涵盖了驾驶舱效应以及GPS干扰期间对飞机系统的影响。基本GPS干扰的效果类似于GPS信号丢失;然而,智能干扰或“欺骗”更为复杂,驾驶舱效应可能因智能干扰的复杂程度而异。



GPS干扰(基础)

GPS Jamming (basic)


GPS干扰通常会导致来自一个或多个卫星的测量数据丢失,接收机的PVT解决方案退化或丢失,并且不会导致GPS接收机输出误导性数据。GPS位置变得不可用,FMC恢复使用其他导航源,如惯性导航或常规导航辅助设备,如DME-DME或VOR-DME。当无线电更新可用且未被禁止时,FMC将开始使用无线电更新来更新FMC位置。


近地告警系统(GPWS)前视地形和自动相关监视(ADS)/空中交通服务(ATS)系统利用GPS数据,GPS干扰会影响这些系统。


本文后面将介绍受影响系统的驾驶舱指示和细节。



GPS智能干扰或“欺骗”

GPS Smart Jamming or ‘Spoofing’


当干扰信号具有与所需GPS信号类似的结构时,干扰影响可能更严重。这种“智能干扰”或“欺骗”可能导致接收机给出误导性数据。这种干扰更难产生;然而,由于软件无线电(SDR)等电子技术的发展,产生这种信号的手段变得更加容易获得和负担得起。


SDR:软件无线电(Software-DefinedRadio,SDR)是指在由数字信号处理器DSP和通用微处理器组成的通用硬件平台上运行的软件模块,用于实现诸如产生发射信号(调制)、无线电信号调谐/检测(解调)等功能的技术。


欺骗可能导致位置输出出现不同程度的错误,即从小错误到更大更显著的错误。如果足够大,则在使用独立导航辅助设备交叉检查GPS位置时,可以检测出并缓解此类错误位置输出。已经发生过多起运行事件,其中干扰的目标是时间或日期的变化。日期的更改会影响空中交通管制(ATC)数据链路的运行。时间变化可能会影响FMC时间预测以及ATC数据链路操作。


智能干扰期间,受影响系统的驾驶舱指示可能因智能干扰的复杂程度而异。



运行信息

OPERATING INFORMATION


1、导航GPS信号可用(正常运行)

NAVIGATION GPS SIGNAL AVAILABLE (NORMAL OPERATION)


FMC使用来自导航系统的数据精确计算飞机的位置。MAP源通告显示ND上的FMC数据源。参见图1:

图1


通过GPS、无线电导航台(DME/DME或DME/VOR)和IRS不断更新FMC位置。更新优先级基于支持系统有效数据的预期准确性和可用性。


FMC位置更新按以下优先级顺序使用导航传感器位置:

  1. IRS-GPS-DME

  2. IRS-GPS-DME-VOR

  3. IRS-DME

  4. IRS-DME-VOR

  5. IRS-DME-LOC

  6. IRS


如果启用了DME更新且DME数据可用,则FMC将选择GPS和DME作为FMC位置的主要更新。如果所有GPS数据变得不可用,FMC使用IRS/无线电更新,或在无线电更新不可用时使用IRS更新。


GPS、IRS和电台标识符以及FMC当前用于位置计算的选定无线电导航辅助设备的频率显示在导航状态页面1/2上。参见图2:

图2


[1L和1R行]显示VOR、ILS或GLS识别码和相应VHF导航控制面板上调谐的频率。


[2L–2R行到4L–4R行]显示最多五个DME识别码和相应扫描式DME接收机调谐的频率。


如果该设备正用于导航,数据将以大字体显示,并突出显示识别码。对于带有颜色显示的CDU,站点识别码将变为绿色,而不是高亮显示。


如果设备接收到数据但未用于导航,则数据将以大字体显示,且识别码不会突出显示。


如果设备正在调谐但未接收到,则数据将以小字体显示。


如果导航设备出现故障,将以小字体显示FAIL


如果显示的频率没有对应的识别码,则识别码字段将为空,并且仅显示频率。


[5R行]显示当前选择用于导航的IRS。“L”或“R”表示FMC位置计算中正在使用左或右IRS。“2”表示双套系统,FMC位置计算中使用了两套IRS的数据。


[5L行]显示当前选择用于导航的GPS。“L”或“R”表示FMC位置计算中正在使用左侧或右侧GPS。“2”表示双套,FMC位置计算中使用了两套GPS的数据。



EFIS控制板位置按钮

EFIS Control Panel POS Button


当选择EFIS控制面板上的“POS”按钮时,显示相对于FMC位置的GPS、IRS和无线电位置符号。参见图3:



图3:ND上的GPS和IRS位置



CDU 位置参考页面

Control Display Unit (CDU) POS REF Page


位置参考2/3页显示FMC、IRS、GPS和无线电位置。图4显示了可用的GPS和无线电位置。


图4:CDU 位置参考页里的GPS/IRS/无线电位置


[1L行]显示FMC计算出的位置。


[6L行]显示无线电位置。当在导航无线电的范围内时,即使无线电更新被禁止,该行也会显示无线电的位置。如果禁止无线电更新,FMC在启用无线电更新之前不会将其用作更新源。


位置偏离3/3页显示了使用当前磁/真参考相对于FMC位置的位置。图5:

图5


导航选项2/2页面显示启用的传感器和禁用的传感器。要允许传感器用作导航源更新,必须将其选择为“ON”。选择“ON”允许使用DME-DME或VOR-DME等传统导航辅助设备更新FMC位置,前提是它们在正确几何结构的范围内。737飞行机组操作手册(FCOM)第1册中的禁止VOR/DME用于位置更新补充程序提供了禁止/允许导航源的步骤。


营运人可以通过默认DME Update Off(DME更新关闭)软件选项选择默认设置,以确定正常状态是禁止无线电更新还是允许无线电更新。


图6展示的是所有源都可用:

图6



2、系统回顾

SYSTEM OVERVIEW


737有两个独立的全球定位系统(GPS)接收机。GPS接收机是两个多模接收机(MMR)的一部分。每个GPS接收机都有一个独立的GPS天线。


波音飞机上的GPS接收机具有接收机自主完整性监测(RAIM)算法,用于检测和缓解错误的GPS信号。这些算法提供了一些针对干扰出现错误的保护。例如,RAIM检测智能干扰,接收器跟踪导致测量数据不一致的真实和虚假卫星信号。在GPS输出用于大多数其他功能之前,RAIM水平完整性限制(HIL)必须有效。


737上安装了两个独立的惯性参考系统(IRS)。IRS向相应的飞机系统提供姿态、真航向和磁航向、加速度、垂直速度、地面速度、航迹、当前位置和风的数据。IRS输出独立于外部导航辅助设备。


737通常安装有两台飞行管理计算机(FMC)。每个FMC根据GPS、IRS、DME和VOR计算多传感器位置解决方案。IRS数据是基础,其他传感器用于补偿IRS误差。通过卡尔曼滤波估计IRS误差,包括位置、速度和姿态。基于所使用的传感器和来自卡尔曼滤波器的北方和东方位置偏差,FMC计算95%的水平位置精度-实际导航性能(ANP)。


图7显示了GPS数据的路径及其在飞机系统中的使用:

图7:GPS数据流/使用框图



3、驾驶舱指示

FLIGHT DECK INDICATIONS


本部分涵盖GPS信号干扰事件期间受影响系统的驾驶舱指示。


3.1 GPS更新不可用或GPS信号干扰期间的导航

Navigation when GPS Update is Not Available or during GPS Signal Interference


当GPS信号无法更新FMC位置且无线电更新被禁止时,横向ANP开始增加。


当FMC不再接收有效的GPS信息时,POS SHIFT 3/3的GPS位置空白,并且在地面上10分钟后或在空中30秒后GPS-L INVALID和GPS-R INVALID草稿行信息显示。参见下面的图8:


图8:GPS信号丢失



在ND上显示的ANP值不断增加。参见下面的图9:


图9:GPS信号丢失


对于具有导航性能测量仪(NPS)的飞机,PFD显示ANP值增加。参见图10:


图10:ANP值增加时的NPS标尺


当ANP超过RNP,累积时间超过设定的触发警告的时间,且飞机在空中飞行时,“UNABLE REQD NAV PERF-RNP”信息如图11所示。CDU草稿行上将显示UNABLE REQD NAV PERF––RNP信息。MAP上将额外显示一条琥珀色UNABLE REQD NAV PERF–RNP信息。前仪表板上的琥珀色FMC灯也将随着该信息的通告而点亮。对于带有NPS的飞机,NPS刻度变为琥珀色。RNP也显示在POS SHIFT、 RNP PROGRESS 4/5和RTE LEGS页面上


图11:RNP信息UNABLE REQD NAV PERF


CDU位置参考页

CDU POS REF Page


当GPS信号不可用于更新FMC位置且无线电更新被禁止时,FMC将IRS用作唯一的导航源。


在洋面运行期间,当GPS信号不可用且飞机超出任何无线电导航设备的范围时,GPS和无线电位置字段均为空白。参见图12:

图12:洋面上超出无线电范围


当GPS信号不可用但飞机在无线电导航设备的范围内时,只有GPS位置字段为空。如果无线电更新被禁止,FMC将IRS用作唯一的导航源。参见图13:

图13:陆地上在无线电范围内


当启用无线电更新时,FMC使用无线电导航设备作为导航源,如下图14中的[1L–1R至4L–4R行]所示:

图14:FMC无线电位置更新


[1L和1R行]显示VOR或ILS标识符以及相应VHF导航控制面板上调谐的频率。


[2L–2R行到4L–4R行]显示最多五个DME标识符和相应扫描DME接收机调谐的频率。


如果该设备用于导航,数据将以大字体显示,并突出显示标识符。对于带有颜色的CDU,站点标识将变为绿色,而不是高亮显示。


GLS进近(如果安装)

GLS approaches (As installed)


当GPS信号在GLS进近过程中丢失时,以下是自动驾驶仪断开时的驾驶舱指示:


当GPS信号在GLS进近过程中丢失时,以下是自动驾驶接通、失效后被动保护(fail passive)选装时的驾驶舱指示:


当GPS信号在GLS进近过程中丢失时,以下是自动驾驶仪接通、失效后保持工作(fail operational)选装时的驾驶舱指示:



3.2 GPS灯和不正常检查单

Global Positioning System (GPS) Light and Non Normal Checklists (NNC)


GPS接收机失效

GPS Receiver Failure


两个GPS接收机故障将点亮GPS灯以及机长和副驾驶主警告灯。


GPS信号丢失或信号干扰不会导致GPS灯点亮,因为没有系统故障。导航更新模式降级到下一个可用传感器。当ANP超过RNP时,将显示“UNABLE REQD NAV PERF - RNP”信息。


UNABLE REQD NAV PERF - RNP不正常检查单(NNC)中的步骤基于检测到的设备故障。检查单不包括GPS信号丢失或信号干扰。


其他不正常检查单

Other Non-Normal Checklists (NNC)


不可能为所有情况制定检查单。在所有情况下,机长必须评估情况,并使用正确的判断来确定最安全的行动方案。



3.3 近地警告系统(GPWS)前视地形

Ground Proximity Warning System (GPWS) Look-Ahead Terrain


GPS是近地警告系统(GPWS)位置数据的主要来源。当GPS信号不再可用时,GPWS使用惯导数据作为备份。只要惯导水平位置不确定性保持在所需的精度限制内,地形将继续显示在ND上,前视地形警报将继续工作。一旦惯导位置不确定性超过所需的精度限制,地形将从ND上移除,“TERR POS”信息将显示在ND上。发生的近地警告有效。


GPS信号干扰期间,近地警告系统(GPWS)前地形

Ground Proximity Warning System (GPWS) Look-Ahead Terrain during GPS signal interference


GPWS前视地形功能可检测GPS位置和高度数据的跳变。在这种情况下,GPWS步进检测算法使GPS位置输入无效,并使用IRS数据。如果IRS水平位置不确定性超过精度限制,则地形将从ND上移除,并显示TERR POS信息。当GPS输入稳定60秒时,指示恢复正常。


GPWS无法检测到GPS位置或高度的微小和逐渐变化。在这种情况下,根据GPS位置地形数据库中的地形,当达到威胁阈值时,可能会出现与前视地形功能相关的警报。在GPS智能干扰期间,出现了多起运行事件,其中出现了错误的GPWS前视地形警报。


近地地形抑制(TERRINHIBIT)

Ground Proximity Terrain Inhibit (TERR INHIBIT)


GPWS地形抑制电门选择到TERR INHIBIT(地形抑制)位后,它将抑制GPWS前视地形和障碍物显示。TERR INHIBIT信息显示。


近地警告系统根据无线电高度和气压高度、空速、下滑道偏差和飞机构型综合信息提供警报。这些警报将继续工作,如果出现警报,则警报有效。GPWS警报在以下情况下发生:

  • 起飞或复飞后掉高度

  • 下降率过大

  • 地形接近率过大

  • 不在着陆构型时不安全的地形净空

  • 低于ILS下滑道偏差过大

  • 低于IAN下滑道偏差过大(如已安装)


这些功能也仍然有效:

  • 反应式风切变

  • 高度喊话

  • 滚转角度喊话(选装)


GPWS警报发生时是有效的。按照FCOM中的说明完成与警报相关的机动。



3.4 跑道感知和咨询系统(RAAS)(如果安装)

Runway Awareness and Advisory System (RAAS) (as installed)


在配备RAAS的飞机上,当GPS信号丢失时,RAAS将不可用,跑道不工作(INOP)灯亮起。发生的近地警报有效。



3.5 空中交通管制(ATC)数据链

Air Traffic Control (ATC) data link


对于安装了空中交通管制(ATC)数据链路功能的飞机,当受到强制改变时间或日期的GPS干扰(智能干扰)时,此类干扰将影响数据链路的运行。


  • 通信系统航空电信网(ATN)数据链路,ATN登录要求通信系统报告正确的时间和日期。如果时间或日期不正确,地面中心可能会拒绝ATN数据链路登录。如果飞机在时间或日期跳跃时已登录ATN,则由于飞机和地面中心之间的时间和日期差异,任何后续链路将显示“无效上行”。由于系统错误,地面中心可能选择断开与飞机的连接,在这种情况下,ATN连接将被终止,并在通信系统消息中出现“ATC COMM terminated”。


  • 通信系统未来空中导航系统(FANS)数据链路。默认情况下,FANS不会比较飞机和地面系统之间的日期或时间。将消息接收时间添加到上行链路标题时,将使用当前飞机时间,但所有FANS 1功能将保持不变。有一个可选功能,称为上行链路延迟监视器,可由机组(根据ATC的建议)设置,以将上行链路消息中嵌入的时间戳与当前时间进行比较。由于不正确的未来飞机时间或日期,收到的邮件将显示为旧邮件。这将导致在上行链路消息上方追加文字“UPLINK DELAY EXCEEDED”;但是,机组将能够响应此消息并正常使用FANS CPDLC。



3.6 GPS信号干扰期间的自动相关监视广播(ADS-B)

Automatic Dependent Surveillance - Broadcast (ADS-B) during GPS signal interference


ADS-B OUT

ADS-B OUT


在GPS干扰期间或GPS信号丢失时,ADS-B Out不起作用:

  • 如果ADS-B不工作,收发机故障指示灯点亮。由于信号不可用,选择对侧的收发机会导致信息再次显示。


  • ATC丢失ADS-B位置报告。ATC报告ADS-B OUT丢失。选择其他收发机不会恢复ADS-B输出。应答机保持在模式C工作状态。


  • 在GPS智能干扰事件期间,ADS-B OUT可能会报告错误的飞机位置。在这种情况下,ATC可以在主雷达和副雷达上观察ADS-B输出位置和飞机位置之间的位置差。


当有效的GPS位置数据可用时,ADS-B操作恢复,灯熄灭。



3.7 电子飞行包(如果安装)

EFB (as installed)


一些EFB应用程序使用GPS数据,GPS干扰可能会影响这些应用程序。



4、附加信息

ADDITIONAL INFORMATION


FAA发布的飞行禁令和咨询通告以及FAA不提供空中导航服务地区的飞行禁令SFAR的完整列表发布在FAA网站上,网址为:

http://www.faa.gov/air_traffic/publications/us_restrictions



5、总结

SUMMARY


基本GPS干扰对飞机系统的影响与因任何原因丢失GPS信号的影响相似;然而,更复杂的智能干扰或“欺骗”会产生各种额外的驾驶舱效应。


当机组遇到GPS信号干扰时,应尽快向ATC报告。他们还需要了解对需要GPS信号(如RNP-AR和GLS进近)的导航程序的影响。此类程序在这些事件期间可能无法使用,可能需要替代程序。如果出现UNABLE REQD NAV PERF - RNP信息,请执行该信息的检查单。







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