3、导航系统完好性评估
3.1 完好性概念与风险
说起完好性，我刚开始接触这个概念时，也觉得有点绕。说白了，完好性就是系统在出问题时，能不能及时告诉你「我出问题了」。而不是让你稀里糊涂地拿着错误数据去飞。
完好性跟精度是两码事。精度差，你至少知道它不准。但完好性出问题，你根本不知道它已经错了。这才是最危险的。
完好性风险，指的是系统发生未被检测到的故障，导致导航误差超过告警限的概率。这个概率通常很小，比如民航要求是10-7/小时。嗯，也就是每飞行一千万小时，才允许有一次漏报。
核心概念：
- 完好性：系统提供及时、可信告警的能力
- 完好性风险：未检测到的危险误导信息的概率
- 连续性风险：服务意外中断的概率
- 可用性：系统满足精度和完好性要求的时间百分比
我在某型无人机试飞项目中就遇到过这么一件事。当时GPS信号正常，定位精度也很好，但实际位置已经偏了200多米。幸好地面监控发现了异常，否则后果不堪设想。从那以后，我对完好性评估就格外上心。
3.2 告警限与告警时间
告警限，就是系统允许的最大误差。一旦误差超过这个值，系统必须发出告警。告警时间，则是从故障发生到告警发出的最大允许时间。
这两个参数怎么定？我建议参考ICAO的标准。不同飞行阶段，要求不一样：
| 飞行阶段 | 水平告警限(HAL) | 垂直告警限(VAL) | 告警时间 |
|---|---|---|---|
| 航路 | 3.7 km (2 NM) | 无 | 30 s |
| 终端区 | 1.85 km (1 NM) | 无 | 10 s |
| 非精密进近 | 556 m (0.3 NM) | 无 | 10 s |
| APV I | 556 m | 50 m | 10 s |
| APV II | 556 m | 35 m | 6 s |
| CAT I | 556 m | 10 m | 6 s |
你想想看，进近阶段告警时间只有6秒。这意味着什么？系统必须在6秒内完成故障检测、确认、告警发布。时间非常紧张。
注意：告警限不是固定不变的。它会受卫星几何分布、大气条件、接收机性能等因素影响。我曾经在高原机场试飞时，发现告警限比平原地区大了将近一倍。所以，实际使用中一定要动态计算。
3.3 完好性评估的测试场景设计
测试场景设计，是完好性评估中最考验经验的部分。我个人习惯把场景分成三类：
3.3.1 标称场景
就是正常情况。所有卫星工作正常，大气条件良好。主要验证系统在无故障时的误警率是否满足要求。
3.3.2 故障场景
模拟各种故障情况。包括：
- 单颗卫星故障（最常见）
- 多颗卫星同时故障
- 卫星钟差突变
- 星历错误
- 电离层异常
我曾经在测试中故意注入一个缓慢增长的卫星钟差。结果发现，有些接收机要等到误差累积到100多米才触发告警。这显然不行。后来我们改进了检测算法，把检测阈值调低了。
3.3.3 边界场景
这些场景最考验系统：
- 卫星几何分布极差（GDOP很大）
- 可见卫星数刚好满足最低要求
- 信号遮挡严重（城市峡谷、山区）
- 多径效应严重
- 电磁干扰环境
经验之谈：设计测试场景时，不要只盯着标准场景。我建议多想想实际飞行中可能遇到的极端情况。比如，飞机在山区转弯时，一侧的卫星可能被山体遮挡。这种动态遮挡场景，很多实验室测试都覆盖不到。
3.4 RAIM完好性评估方法
RAIM，全称是Receiver Autonomous Integrity Monitoring。说白了，就是接收机自己给自己做完好性检查。
RAIM的基本原理很简单：利用冗余的卫星观测值，检测是否存在故障卫星。具体来说：
// RAIM检测的基本步骤
1. 计算所有卫星的伪距残差
2. 计算残差平方和（SSE）
3. 计算检测统计量：T = SSE / (n-4)
4. 与门限值比较
- 如果 T > 门限，则检测到故障
- 否则，认为无故障这里n是可见卫星数。为什么是n-4？因为解算位置和钟差需要4颗卫星，剩下的n-4颗卫星提供冗余信息。
RAIM的检测能力，取决于卫星几何分布。我常用水平保护级（HPL）和垂直保护级（VPL）来评估：
HPL = 斜率_max × σ_0 × √(λ)
VPL = 斜率_v_max × σ_0 × √(λ)其中，斜率_max是最大水平斜率，σ_0是伪距测量标准差，λ是检测门限对应的非中心化参数。
关键点：RAIM只能检测故障，不能排除故障。要排除故障，需要FDE（故障检测与排除）功能。FDE会逐个排除可疑卫星，重新计算，直到找到一致解。
3.5 SBAS完好性评估方法
SBAS（星基增强系统）的完好性评估，比RAIM复杂得多。因为它涉及地面监测站、地球静止卫星、用户接收机等多个环节。
SBAS的完好性信息，通过以下参数传递：
- UDRE：用户差分距离误差，反映测距信号的完好性
- GIVE：网格电离层垂直误差，反映电离层修正的完好性
- HPL/HVL：水平/垂直保护级，由用户接收机计算
我记得在参与某SBAS系统测试时，发现一个有意思的问题。地面站明明已经检测到某颗卫星异常，但用户接收机要等好几秒才能收到告警信息。为什么？因为SBAS的告警信息需要通过地球静止卫星转发，而地球静止卫星的传输延迟就有0.25秒左右。再加上地面处理、编码、上行的延迟，总延迟可能超过2秒。
SBAS完好性评估的测试，我建议重点关注：
- 告警延迟测试：从故障发生到用户收到告警的总时间
- 保护级计算验证：用户接收机计算的保护级是否准确
- 完好性信息一致性：不同接收机对同一SBAS信号的解译是否一致
- 边界条件测试：卫星仰角很低、电离层活跃等条件下的表现
特别提醒：SBAS的完好性评估，不能只看实验室数据。我建议一定要做实际飞行测试。因为机载天线的安装位置、机身遮挡、多径环境，都会影响SBAS信号的接收质量。这些因素在实验室里很难完全模拟。
好了，关于完好性评估的基本概念和方法，就先讲到这里。下一章我们会深入讨论具体的测试流程和数据分析方法。