美军用机载GNSS多模接收机技术要求及标准体系

泉浩芳 陆静 周玉霞

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

美军用机载GNSS多模接收机技术要求及标准体系

泉浩芳 陆静 周玉霞

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

机载设备；卫星导航；多模接收机 （MMR）；着陆系统；美军标准体系。

飞机导航是指在复杂的气象条件下，按照一定时间把飞机安全可靠地引导到预定目的地的过程，其中一项非常重要的任务是引导飞机进场着陆。尤其是在复杂气象条件下着陆，对机载导航设备的可靠性要求很高。根据资料显示，某国的民航飞机在着陆过程中的失事概率是40%，军用飞机在进场着陆阶段也有45%的失事率，这些统计数字说明要保证飞机安全进场着陆的重要性[1]。

飞机导航最关键的用处主要在远洋/航路和进场着陆过程。远洋/航路过程中常用的飞机导航系统主要包括无线电导航、惯性导航、卫星导航；常规的飞机着陆系统主要包括甚高频全向信标台（VOR）、 测距仪 （DME）、 仪表着陆系统 （ILS）、微波着陆系统 （MLS）、卫星导航着陆系统 （GLS）等[2-4]。其实在航空领域过去的很长一段时间，军用、民用机场普遍采用的是陆基导航和着陆系统（如VOR、DME、ILS、MLS）。随着上世纪80年代美国GPS系统的投入使用，卫星导航的巨大优势使得飞机导航技术的发展得以上升到新的高度，配合星基增强系统 （SBAS）、地基增强系统 （GBAS）等，以接收GPS信号和差分校正信号为代表的卫星导航着陆系统 （GLS）应运而生。进入21世纪后，四大全球卫星导航系统 （GNSS）：GPS、GLONASS、 北斗 （BeiDou）、GALILEO及相关的SBAS和GBAS都已逐步被纳入国际民航组织（ICAO）标准框架[5-7]，为飞机导航提供了更多的选择。

当前，飞机导航技术正在从陆基导航系统向星基导航系统演进，全球互操作性正变得越来越关键，对民航和军事航空有着重要的影响。同时，基于性能的导航 （PBN）的概念，包括区域导航（RNAV）和所需导航性能 （RNP），早已在民航和军事航空领域得以广泛认可并大力发展，强调导航性能而不关注特定导航源的理念、强调可接收多种导航源和高完好性的多模接收机 （MMR）得以快速发展[8-9]。未来战场环境复杂多变，对导航技术的要求也日益增多，为了适应未来信息化战争，一些高精度、反利用、抗干扰、确保高完好性的增强型组合导航系统应运而生，可以更好地发挥各系统的优势，提高导航定位精度和完好性[10]。

1 MMR的发展

多模接收机 （MMR）有诸多利好，是一种高完好性、多功能的导航设备，并在不断扩展其功能范围，可以适用于各类军用和民用飞机，但真正推动MMR功能扩展和技术发展的主要是军事航空的需求 （military aviation needs）[11-14]。 泰雷兹公司（Thales）可能是最早研发MMR的公司，早在1992年法国的 “阵风” （Rafale）战斗机就开始使用泰雷兹公司的MMR；1995年，波音公司（Boeing）研发了AN/ARN-155型精密着陆系统接收机 （precision landing system receiver,PLSR），并首次安装在了美军的C-17环球霸王飞机上，后续又为P-3C反潜直升机、A-10攻击机、F-16战机以及C-130运输机等交付了大量的MMR；1997年柯林斯公司 （Collins） 为芬兰航空公司（Finnair）订购的波音-757飞机安装了MMR，这可能是在民航领域安装的首批MMR。

MMR主要源于仪表着陆系统 （ILS）的功能，并逐渐引入GPS航路导航功能。早期的基本型主要包括ILS、微波着陆系统 （MLS）与GPS着陆系统 （GLS）等功能的融合；后续又逐渐演化出许多功能更完善的MMR，包括调频受保护的ILS、VOR、MLS、嵌入了甚高频数据链路 （VDL）的GLS、P(Y)码GPS接收机。

由上述发展历程来看， MMR可以定义为一类多功能、多模式、高完好性的组合式导航设备，可以进行多种工作模式的切换或互补，能够接收并处理不同信号源、不同技术体制的导航信号和数据。

美国空军既是GPS系统的运行和管理者，同时又是推动GPS在各类军事装备领域广泛应用、适应复杂战场环境和信息化战争的主导者。在军用飞机上安装功能最强大、防欺骗、抗干扰、高完好性的MMR一直是美国空军多年来孜孜不倦的追求，从1995年的初次使用，迄今已有20余年[15]。

美国国防部 （DOD）在军事装备采购方面有着严格的国防采办政策，美国空军更是要求在装备采办过程中应严格执行标准化的策略，从武器装备的招标、采购、验收、交付等全过程都需严格按标准办事，即任何需求的提出、过程的执行和监管、验收交付的准则等都需依照标准进行。因此，美国空军在历次采办机载MMR的过程中都提出了专门的技术要求，并以标准为基本载体进行了详细的陈述[16]。

本文将以此为基础，分析美国空军MMR的技术要求 （包括功能要求和性能要求），并从标准化的视角分析研究其相应的功能架构和标准体系，以期为我国机载MMR研制提供更好的借鉴和指导。

2 MMR功能与性能要求

美国空军对MMR提出了2个层级的技术要求：门限要求 （Threshold requirements）和目标要求 （Objective requirements）。

门限要求：能够融合仪表着陆系统 （ILS）和增强的民用GPS敏感器，能够提供支持精密着陆、区域导航 （RNAV）和广播式自动相关监视（ADS-B）的输出。

目标要求：在门限要求的基础上，增加一个或多个功能：①额外的民用导航敏感器；②军用GPS精密定位服务 （PPS）功能；③卫星预报功能；④具备支持未来民用GNSS信号的能力扩展；⑤具备支持下一代军用GPS信号的能力扩展；⑥具备附加的数据接口；⑦具备固定接收方向图天线（FRPA）。

2.1 门限要求

2.1.1 仪表着陆系统 （ILS）

MMR应提供仪表着陆系统 （ILS）的能力，且应满足美国联邦航空管理局 （FAA）技术标准TSO-C34e《ILS下滑台接收设备》、TSO-C35d《机载无线电信标接收设备》和TSO-C36e《机载ILS定位信标接收设备》要求。

2.1.2 基于GPS的导航

MMR应能提供基于GPS的导航能力，且应满足下述SBAS导航的要求，或满足所需导航性能区域导航 （RNP RNAV）的要求。

a）星基增强系统 （SBAS）导航。SBAS导航能力可通过两种方式来实现：①机载GPS/SBAS导航敏感器；②单独的GPS/SBAS接收设备。

如果是用作机载GPS/SBAS导航敏感器，则MMR应能提供GPS/SBAS导航与精密着陆能力，且GPS/SBAS功能已在之前经过了政府部门的鉴定和记录，证实了其性能满足技术标准TSO-C204《使用SBAS进行导航或非导航位置/速度/时间输出的电路卡组件功能敏感器》或TSO-C145b《通过SBAS增强使用GPS的机载导航敏感器》的要求。

如果是用作单独的GPS/SBAS设备，则MMR应能提供GPS/SBAS导航与精密着陆能力，且GPS/SBAS功能已在之前经过了政府部门的鉴定和记录，证实其性能满足技术标准TSO-C146b《通过SBAS增强使用GPS的单独机载导航设备》的要求。

如果包括了非区域导航 （Non-RNAV）的GPS精密着陆功能，则MMR应能提供GPS/SBAS精密着陆能力，且GPS/SBAS功能已在之前经过了政府部门的鉴定和记录，证实了其性能满足技术标准TSO-C205《使用SBAS进行导航的电路卡组件功能等级增量设备》中等级增量4的要求，或满足TSO-C146b的要求，并至少具备下述导航能力之一：RNP RNAV、VOR、DME或GPS精密定位服务 （PPS）。

b）所需导航性能区域导航 （RNP RNAV）。在不使用SBAS信号的情况下，MMR应至少能提供下述其中一种RNP RNAV的能力：①仅用作GPS导航敏感器，满足技术标准TSO-C204或TSO-C145b的要求；②用作基于GPS的单独导航系统，满足技术标准TSO-C146b的要求；③仅用作GPS导航敏感器，满足技术标准TSO-C206《使用ABAS进行导航或非导航位置/速度/时间输出的电路卡组件功能敏感器》或TSO-C196a《通过SBAS增强使用GPS设备的机载补充导航敏感器》的要求。

2.1.3 广播式自动相关监视 （ADS-B）位置源

MMR应提供位置源的能力，并能通过接口接入到外部的ADS-B设备，以支持ADS-B输出。ADS-B的位置源应满足FAA发布的咨询公告AC 20-165A 《广播式自动相关监视 （ADS-B）输出系统的适航批准》附录2中规定的GNSS位置源的最低要求。机载导航敏感器通过了FAA TSO标准的认证还不足以满足该要求，AC 20-165A附录2第4章中描述了一种可接受的方式，以证实其满足ADS-B位置源的要求。

2.1.4 接口要求

a）电源。MMR应能接入到飞机上标称的115V、400 Hz交流配电系统，或28V直流配电系统。

b）数据。MMR应能接入到外部的机载电子设备，并满足下述要求：①航空无线电国际公司规范ARINC 429《标记33的数字信息交换系统（DITS）》；②进近偏差数据满足ARINC性能规范710-10《标记2的机载ILS接收机》；③GNSS数据满足ARINC性能规范743A-5《GNSS敏感器》或743B《GNSS着陆系统敏感器单元》。

c）可编程重构。MMR应具备场可重编程（field reprogrammable）的能力，以支持软件的升级。

2.2 目标要求

满足了所有门限要求的MMR，还必须包含下述一个或多个目标要求的能力。

2.2.1 微波着陆系统 （MLS）

MMR应提供微波着陆系统 （MLS）的能力，并满足技术标准TSO-C104《MLS机载接收设备》的要求。

MMR的MLS功能应提供计算后的中线进近能力，并满足RTCA DO-226《以MLS为主要机载精密区域导航设备的指导材料》的要求。

MMR的MLS功能应支持分割站状态 （splitsite configuration）II类最低值和配置状态（collocated configuration） I类最低值。

2.2.2 地基增强系统 （GBAS）、甚高频全向信标台（VOR）、 测距仪 （DME）

MMR应提供GBAS、VOR和DME的能力，并满足技术标准TSO-C161a《GBAS定位与导航设备》和TSO-162a《GBAS甚高频数据广播设备》的要求、TSO-C40c有关VOR接收设备的要求、TSO-C66c有关测距设备 （DME）的要求。

2.2.3 精密定位服务 （PPS）——P（Y）码GPS

提供GPS精密定位服务 （GPS/PPS）的能力，并满足MSO-C145a《在所需导航性能 （RNP）空域内使用GPS精密定位服务 （PPS）用于区域导航（RNAV）的机载导航敏感器》的要求，以支持所需导航性能区域的导航 （RNP RNAV）。

能同时跟踪至少12颗卫星的L1 P（Y）码和

L2 P（Y）码测距信号。

能执行故障检测与排除功能，并满足航空无线电技术委员会标准RTCA DO-229D《GPS/WAAS机载设备最低运行性能标准》或RTCA DO-316《GPS/ABAS机载设备最低运行性能标准》的要求。

使用选择可用性/抗欺骗模块的PPS设备，并满足SS-GPS-001B《GPS选择可用性/抗欺骗模块系统规范》的要求。

应经过GPU-09-001《GPS选择可用性/抗欺骗模块安全批准过程》和GPU-09-071《授权采办或转移GPS PPS主应用设备 （HAE）的过程要求》的批准。

应提供快速IIA计时输出，并满足CI-MGUE/AV-861C《军用GPS用户设备航空形状因子》要求。

2.2.4 下一代军用精密定位服务——M码GPS

能够同时跟踪至少12颗M码卫星的测距信号。提供使用GPS L1 M码和L2 M码测距信号的跟踪、处理能力，并满足ICD-GPS-700C《GPS军用空间段/用户段接口》的要求。

提供GPS PPS能力，并满足MSO-C145a《在所需导航性能 （RNP）空域内使用GPS精密定位服务 （PPS）用于区域导航 （RNAV）的机载导航敏感器》的要求，以支持所需导航性能区域导航（RNP RNAV）。

能执行故障检测与排除功能，并满足RTCA DO-229D《GPS/WAAS机载设备最低运行性能标准》或RTCA DO-316《GPS/ABAS机载设备最低运行性能标准》的要求。

提供快速IIA计时输出，并满足CI-MGUE/AV-861C要求。

2.2.5 GPS精密定位服务——ADS-B位置源

ADS-B的MMR应提供GPS精密定位服务（GPS/PPS）的ADS-B位置源 （独立于门限ADS-B位置源的能力要求），能够通过接口接入到外部的ADS-B设备，以支持ADS-B输出。

GPS/PPS ADS-B位置源应满足AC 20-165A《广播式自动相关监视 （ADS-B）输出系统的适航批准》附录2中所要求的输出，并满足其中规定的GNSS位置源最低要求的同等性能。

2.2.6 接收机自主完好性监测 （RAIM）

MMR应提供内部可预测的接收机自主完好性监测 （RAIM）能力，并满足AC 20-138C《位置与导航系统的适航批准》中5.2.3的要求。

2.2.7 未来的民用GNSS

MMR应提供可扩展的能力，以支持未来民航GNSS测距信号的跟踪和处理，包括IS-GPS-705B《GPS空间段/用户段L5接口》的GPS L5测距信号。

2.2.8 MIL-STD-1553B接口

MMR应通过下述标准接口接入到外部的航空综合电子设备：①美军标MIL-STD-1553B《数字时分指令/响应多路复用数据总线》；②IS-GPS-169《基于选择可用性/抗欺骗模块的国防部标准GPS用户设备射频接收机采用MIL-STD-1553数据总线的GPS用户设备接口规范》。

2.2.9 敌友识别 （IFF）——ARINC 429接口

MMR应提供基于ARINC性能规范743A-5《GNSS敏感器》或743B《GNSS着陆系统敏感器单元》的ARINC 429接口，从而能够连接到外部的敌友识别 （IFF）设备，以支持模式5等级2的功能。

MMR与敌友识别设备的ARINC 429接口应能识别GPS何时工作在PPS模式，将352标签以1Hz的频率输出。352标签的第13位 （Bit 13）指示保护状态 （0=“未保护”，1=“受保护的”），第14位 （Bit 14） 指示定位模式 （0=“PPS”，1=“SPS”）。

2.2.10 敌友识别 （IFF）——MIL-STD-1553B接口

MMR应按照IS-GPS-169提供MIL-STD-1553B接口，以便能接入到外部敌友识别 （IFF）设备，以支持模式5等级2的功能。

MMR与敌友识别设备的MIL-STD-1553B接口应能识别GPS何时工作在PPS模式 （通过ISGPS-169中的信息格式输出指示信息）。IS-GPS-169信息格式中 “GPS 01_******_01”字的第08位 指 示 “PPS-LO/PPS Select” ， “GPS 16_******_02”字的第13位指示 “受保护的Sol状态”， “GPS 01_******_06” 字的第09位指示“验证的导航 （Nav Verified）”。

2.2.11 设备环境性能

MMR应满足RTCA-DO-160G《机载设备环境条件和试验程序》第9.0段中等级A或等级E的要求，或者MIL-STD-810G《环境工程考虑及实验室试验》第511.5中对爆炸性大气环境的规定。

2.2.12 附属设备

GPS固定接收方向图天线 （FRPA）应满足下述条件之一：①满足TSO-C144a《被动式机载GNSS天线》的要求；②满足TSO-C190《主动式机载GNSS天线》的要求；③满足MSO-C144《机载GPS天线系统》的要求。

3 MMR标准体系

3.1 功能架构

基于前述的美国空军用机载MMR的技术要求，研究绘制了MMR的功能架构图 （如图1所示），作为构建相应的标准体系的基础。

3.2 标准体系

本文第2章中所描述的技术要求是美国空军采购机载MMR时对研制方提出的要求，也是作为最终产品验收、交付的依据。在每一项技术要求条款中基本都是直接引用了美军标或航空行业的相关标准 （如FAA、RTCA、ARINC等），对技术要求的符合性提出了严格的标准认证和批准要求。

美国空军采购机载MMR的技术要求，清晰反映了标准在军事装备研制和采办过程中的重要性。为便于从标准化视角更好地理解这些技术要求条款中所引用标准的类别、属性以及相互之间的关系，在结合功能框图和引用标准名称的基础上，按照外部接口、功能模块、安全认证、环境适应性、附属设备等纬度构建了军用机载MMR的标准体系框图（如图2所示）。

4 标准清单

为更好地识别和查找这些标准的来源，表1列出了每项标准的出处、标准名称、版本年代号等。从表1中可以看出，美国空军采购机载MMR所引用的标准主要来自 DOD、FAA、RTCA、AEEC/ARINC等机构或协会的标准，并没有引用国际民航组织 （ICAO） 和欧洲民航设备组织（EUROCAE）等相关的标准。

表1也充分反映出美军积极采用民标的特点，即军方 （如国防部）只制定最为关键或仅用于军事用途的相关标准，而所需的其它标准则是多从民航领域选用 （如FAA、RTCA等）。

MMR是适应飞机多源导航、进近与着陆需求的有效解决方案，特别是战场复杂态势环境下的航路导航、进近与着陆。美国空军在采购机载MMR时提出了严格的技术要求，包括最低的门限要求和更高的目标要求，在这些技术要求中明确引用了DOD、FAA、RTCA等机构或组织的相关标准，将标准作为了陈述技术要求、规定验收准则的基准，将标准的作用与价值发挥到了实处。

以MMR功能架构为基础，结合相关的技术要求内容，构建了围绕MMR功能模块、外部接口、安全认证、环境适应性、附属设备等三级标准体系框图，从标准化视角分析了MMR相关标准之间的关系，并梳理了相应的标准清单 （选自民航领域的标准占据了绝大部分），为标准的查询、参考和使用提供了指导和借鉴。

尽管本文的研究是以美国军用机载MMR为核心，但正如前文所述，正是军事航空应用的需求催生了MMR的发展和技术演进，也带动了MMR在民航领域的应用和发展，相关的技术要求和标准也完全适用于民航用机载MMR。

［1］高海光.飞机着陆导航定位技术研究 ［D］.长春:长春理工大学,2014.

［2］ Avionics for NextGEN by Matt Thurber.Aviation International News.2015-01.

［3］于珊珊.GLS导航数据编码理论研究 ［D］.广汉:中国民用航空飞行学院,2016.

［4］吴瑛.微波着陆系统在飞机上的应用研究与工程实现 ［J］.现代导航，2016 （3）.

［5］王党卫.基于性能导航 （PBN）技术研究［J］ .现代导航,2013 （1） .

［6］ Government Notice No.18 of 2014.Regulations made by the Minister under section 11 of the Civil Aviation Act.

［7］ Boing Commercial Airplanes.Global Navigation Satellite System Landing System technology/

product development.

表1 美军用机载MMR标准清单

［8］ Australian Civil Aviation Safety Authority.Glo bal navigation requires global standards.

［9］ 国际民航组织 （ICAO）.Doc 9613 AN/937.基于性能导航 （PBN）手册 [S].2008.

［10］朱晓辉,张鹏,顾晓东.基于性能的导航（PBN）技术及其在军航空管系统中的应用策略研究 [J].现代导航,2014（5）.

［11］ Charlotte Adams.Multimode Receivers： Mo re Demand，More Capability.

［12］ GPS Receiver Specifications： Compliance and Certification.

［13］ Nicholas Granata-Cappabianca.General Pur pose GPS Navigation Module.

［14］ Esterline CMC Electronics.SBAS CMA-4124 GNSSA Aviation Precision Approach SBAS/GPS Receiver Module.

［15］ Kyle D.Wesson.A Proposed Navigation Me ssage Authentication Implementation for Civil GPS Anti-Spoofing［C/OL］ .2011 ION GNSS Conference Portland,September 21-23,2011.

［16］ AFLCMC/HBAG.Technical Requirements Doc ument for Multi-Mode Receiver Equipment（Revision B）.

附：缩略语表

文 摘：多模接收机 （MMR）是顶级飞行航线的一部分，致力于为通信、导航、监视（CNS）提供全方位的解决方案，新的星基系统 （如GNSS）给今天的飞机提供了前所未有的高精度导航与着陆能力。分析美国空军采购机载多模接收机的技术要求，研究并构建机载多模接收机的功能架构和标准体系，明确相应的标准来源和清单，可为我国军用、民用机载多模接收机的研制和相关标准的制定提供最为直接的借鉴与参考。

※ 本文源于国防基础科研项目 （621.4.35） 《美国航天军事装备采办的标准化策略及实施情况综合分析与研究》。

泉浩芳 （1986年—）男，硕士研究生，工程师，主要从事飞行器总体、卫星导航、空间环境等领域的标准化工作。