ICAO ARAIM標準深度解析：從技術規範到工程實現的PNT完好性藍圖

 

翱翔於PBN藍圖之上 – ICAO對GNSS完好性的前瞻引領

在全球空中航行體系中，國際民航組織（International Civil Aviation Organization, ICAO）始終扮演著制定標準、保障安全、提升效率的核心角色。隨著航空業從傳統的陸基導航逐步過渡到基於性能的導航（Performance-Based Navigation, PBN），全球導航衛星系統（GNSS）的應用日益普及，成為實現PBN目標不可或缺的技術支柱。PBN允許飛機在更精確、更靈活的航跡上飛行，從而優化空域利用、減少延誤、降低油耗與碳排放。然而，這一切都建立在對GNSS所提供PNT（定位、導航與授時）資訊高度信任的基礎之上。

GNSS訊號在傳播過程中可能受到多種因素影響，導致其完好性（Integrity）——即系統提供資訊的正確性及在不應使用時發出及時告警的能力——受到威脅。意識到這一點，ICAO積極推動能夠在接收機層面自主監測PNT資訊完好性的技術標準化工作，其中，先進接收機自主完好性監測（Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring, ARAIM）便是其前瞻性引領的結晶，旨在為全球航空用戶提供統一、可靠的GNSS完好性保障。

ARAIM的核心目標與ICAO的標準化里程碑

ARAIM的核心目標是發展一種全球互通的、基於多星座GNSS（包括GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等）的接收機自主完好性監測能力，以支援從航路飛行到精密進場等所有飛行階段，相較於傳統的單星座RAIM（Receiver Autonomous Integrity Monitoring），ARAIM旨在提供更高的完好性服務可用性、連續性和覆蓋範圍。

ICAO的導航系統專家組（Navigation Systems Panel, NSP）以及後來的空中航行委員會（Air Navigation Commission, ANC）下的相關工作組，在ARAIM概念的提出、技術可行性論證、標準制定和指導材料編寫等方面發揮了主導作用。其標準化進程是一個持續演進的過程，大致經歷了以下里程碑：

1. 概念提出與初步論證：
   識別傳統RAIM的局限性，提出利用多星座增強自主完好性監測的ARAIM概念。
2. 架構定義與演算法開發：
   確立ARAIM的基本架構，包括水平ARAIM（H-ARAIM）和垂直ARAIM（V-ARAIM）的初步構想，並開始研究核心演算法。
3. 標準與建議措施（SARPs）的制定：
   將成熟的ARAIM概念和技術要求納入ICAO Annex 10 — Aeronautical Telecommunications（航空電信）等相關附件中，形成全球航空業需共同遵守的標準。
4. 指導材料與技術手冊的發布：
   編寫詳細的技術手冊和指導材料，為各國民航管理機構、航空服務提供商以及設備製造商實施和驗證ARAIM提供具體指引。
5. 持續演進與能力增強：
   隨著雙頻多星座（DFMC）技術的成熟，推動DFMC ARAIM的標準化，以進一步提升性能。

ICAO ARAIM技術規範精要

對於致力於開發符合ICAO標準的ARAIM接收機或相關系統的工程師而言，理解其核心技術規範至關重要。

完好性性能要求

ICAO為ARAIM定義了嚴格的性能指標，以確保其在安全關鍵型應用中的可靠性：

• 告警限值（Alert Limit, AL）：
  針對不同的飛行階段（如航路、非精密進場NPA、帶垂直引導的進場APV、精密進場LPV-200等）設定的最大允許位置誤差，分為水平告警限值（HAL）和垂直告警限值（VAL）。
• 完好性風險（Integrity Risk, P_integrity）：
  在未發出告警的情況下，真實位置誤差超出保護級別（PL）的概率。此概率值要求極低，例如對於精密進場操作，可能要求達到10−7/進場。
• 連續性風險（Continuity Risk, P_continuity）：
  在預期操作時間內（如一次進場的150秒內），因失去完好性服務（即PL超過AL）而導致操作意外中斷的概率。
• 告警時間（Time-to-Alert, TTA）：
  從故障發生到接收機發出告警的最大允許時間，對於快速變化的飛行狀態至關重要。
• 可用性（Availability）：
  ARAIM服務能夠滿足上述所有性能要求的時間百分比。

故障模型與假設

ARAIM的設計需要考慮多種潛在的GNSS故障模式：

• 單顆衛星故障：
  包括衛星時脈的異常跳變或漂移、星曆參數的錯誤、訊號波形的畸變等。
• 星座級故障（Constellation-wide faults）：
  影響整個或部分星座的系統性偏差，例如地面控制段上傳了錯誤的參數。
• 大氣延遲異常：
  罕見但可能發生的電離層風暴等導致的大氣延遲模型失效。
• ARAIM演算法基於這些故障模式的概率統計模型來計算完好性參數。

保護級別 (Protection Level - PL) 的計算與應用
保護級別是ARAIM演算法的核心輸出之一，它代表了在給定完好性風險下，當前PNT解算誤差的統計上界。

• 水平保護級別（HPL）和垂直保護級別（VPL）： 分別對應水平面和垂直方向的誤差包絡。
• 「包絡」概念： PL的計算必須具有足夠的保守性，以確保真實的位置誤差以極高的概率被PL所包絡。
• 計算方法： PL的計算涉及到當前可見衛星的幾何分佈（體現為對應的投影矩陣）、各衛星觀測值的預期誤差標準差、以及預設的完好性風險概率。其數學表達通常較為複雜，涉及多維高斯分佈的積分。

完好性支援訊息 (ISM) 的角色

對於需要最高性能的ARAIM應用，尤其是支援垂直引導的V-ARAIM（例如用於LPV-200進場），單純依靠接收機自主估計所有誤差參數可能難以達到所需的完好性水平。因此，ICAO引入了完好性支援訊息（ISM）的概念。

• ISM的必要性：
  為V-ARAIM提供更精確的衛星先驗故障概率和名義上的訊號在空間的誤差（Signal-in-Space Error, SISE）參數。
• ISM內容：
  通常包括每顆衛星的故障概率、標稱情況下用戶差分距離誤差（User Differential Range Error, UDRE）或類似的誤差特性表徵參數。
• ISM的來源：
  這些參數預計由全球或區域性的GNSS地面監測與評估系統（如GGMAS概念）生成，並透過特定數據鏈路（如SBAS的擴展服務、ACARS等）播發給機載用戶，H-ARAIM的設計則力求最小化對ISM的依賴。

多星座與雙頻的考量

利用來自多個GNSS星座和多個頻率（如L1/L5、E1/E5a）的訊號，是提升ARAIM性能的關鍵途徑。

現代GNSS系統橫跨多個頻段，如圖所示，包含GPS、Galileo、GLONASS、BeiDou及QZSS等系統在L波段的主要民用訊號分佈。ICAO ARAIM標準充分考慮了利用這些多樣化的多星座與雙頻（DFMC）訊號，以透過例如消除電離層一階誤差、增加冗餘觀測衛星數量等方式，來提升完好性監測的整體性能與可用性。
 

• DFMC ARAIM的優勢：
  • 消除電離層延遲：
    雙頻觀測可以有效消除或大幅削弱一階電離層延遲這一主要誤差源。
  • 增加冗餘衛星數量：
    多星座顯著增加了可見衛星數，改善了衛星幾何分佈，提高了FDE的成功率和服務可用性。
• ICAO的推進：
   ICAO積極推動DFMC ARAIM的標準化，以充分發揮現代化GNSS星座的潛力。

工程實現的挑戰：將ICAO ARAIM規範轉化為強韌系統

將ICAO制定的ARAIM技術規範和性能要求，在實際的機載GNSS接收機或相關PNT系統中予以工程實現，是一項充滿挑戰的任務。

接收機演算法的複雜性與驗證

ARAIM演算法，特別是涉及多故障模式分析和精密PL計算的部分，其數學模型和計算流程遠比傳統RAIM複雜，工程師不僅要在資源受限的機載處理器上高效實現這些演算法，確保其即時性能，更關鍵的是要對演算法的正確性和在各種條件下的性能進行全面、嚴格的驗證。

這就突顯了先進GNSS模擬工具的重要性，例如，OHB XPLORA Pro以其高通道數、高傳真度的多星座訊號模擬能力，以及靈活的故障注入（如衛星時脈、星曆錯誤的精確控制）和場景編輯功能，能夠為ARAIM演算法的開發與符合性驗證提供關鍵的實驗室測試環境；工程師可以利用其可程式化能力，模擬ICAO規範中定義的各種衛星故障模式、大氣條件和星座幾何構型，來嚴格測試PL計算的準確性、FDE的有效性以及TTA等關鍵性能指標。

OHB XPLORA Pro 等高階GNSS模擬器，是驗證複雜ARAIM演算法在多樣化故障與訊號條件下性能的理想平台，其靈活的場景控制與故障注入能力對工程師至關重要，例如，它可以精確控制模擬訊號的輸出頻率範圍（400至4400MHz），並支援高達50Hz的模擬更新率，以應對高動態測試需求。
 

精確誤差模型的建立與維護

ARAIM的性能高度依賴於對GNSS各項誤差源（衛星時脈/星曆固有誤差、大氣延遲殘差、多路徑效應、接收機內部雜訊等）的精確統計建模，研發團隊需要投入大量精力進行數據分析與模型校準，在某些情況下，利用如OHB XPLORA Trace這樣的GNSS訊號記錄與回放系統，來捕捉真實世界中複雜電磁環境下的訊號特性，有助於校準和驗證所使用的誤差模型。其SDR硬體（如HTN2或HTX3）配合主動天線的設計，確保了高保真的訊號錄製品質。

透過OHB XPLORA Trace記錄的真實GNSS數據，工程師可以分析實際環境中的誤差特性，用於優化ARAIM演算法中的誤差模型，或回放給待測接收機以評估其性能，其解決方案通常包含XPLORA Trace軟體、客戶COTS筆記型電腦、SDR硬體及用於記錄的主動天線。
 

系統級的完好性保障與監測

除了接收機內部的ARAIM機制，機場等關鍵區域的整體GNSS訊號環境品質，對於依賴ARAIM的航空器安全運行也至關重要，如OHB GIDAS Stationary等地面監測系統，透過其多演算法融合的干擾與欺騙偵測能力（其欺騙偵測模型中明確整合了ARAIM關聯分析能力，如圖所示），能夠為機場空域提供額外的GNSS完好性保障層，並為ARAIM系統的實際運行環境提供有價值的數據參考和背景監測，GIDAS Stationary的關鍵規格包括支援多種民用GNSS星座和頻段，以及通常優於20公尺的干擾源定位精度（需至少3個監測感應器），這對於維護機場淨空環境至關重要。

在機場等關鍵區域部署如OHB GIDAS Stationary這樣的地面監測系統，有助於全面保障該空域的GNSS訊號品質，為運行ARAIM的航空器提供更安全的環境，其系統通常包含室外監測天線、室內機架式處理單元以及可視化的監控儀表板。
 

對於基礎的演算法概念驗證或特定模組測試，OHB XPLORA One 以其支援多星座模擬（包括GPS L1/L2C/L5, Galileo E1/E5a/b, GLONASS G1/G2, BeiDou B1/B2等民用訊號）和高精度GPSDO參考時脈（與UTC時間偏差±50 ns RMS）的特性，為工程師提供了一個高性價比的測試平台。

OHB XPLORA One 可用於ARAIM相關演算法的基礎功能驗證，其真實環境模擬能力（包括電離層、對流層、多路徑、天線增益等）有助於評估演算法在不同傳播條件下的初步表現。
 

ICAO ARAIM框架關鍵要素與工程考量

未來展望：ARAIM的持續演進與全球部署

ARAIM技術並非靜止不前，其標準和實現將隨著GNSS系統的現代化和航空需求的發展而持續演進。

• DFMC ARAIM的全面實現與優化：
  隨著全球主要GNSS星座完成雙頻（乃至三頻）民用訊號的部署，DFMC ARAIM將成為主流，其性能將進一步提升。
• 與其他導航技術的更深度融合：
  ARAIM的完好性資訊將可能與慣性導航系統（IRS）、視覺導航、甚至未來的LEO PNT系統的輸出進行更深層次的融合，以提供在GNSS挑戰環境下更強韌的導航解決方案。
• AI/ML在ARAIM增強中的潛力：
  人工智慧/機器學習技術有望在優化誤差模型、智能識別異常故障模式、以及自適應調整完好性參數等方面發揮作用。
• 全球協調與ISM服務的成熟：
  為確保V-ARAIM在全球範圍內的順利實施，需要國際社會在ISM數據的生成、播發標準以及服務品質監控等方面進行更緊密的協調。

如OHB GIDAS系列提供的從嵌入式到固定式的多樣化監測方案，代表了保障GNSS服務品質與完好性的系統化思路，這與ARAIM在接收機層面提升可信度的目標相輔相成，共同構建更安全的PNT應用環境。
 

結論：ICAO ARAIM – 引領全球PNT完好性邁向新高度

ICAO ARAIM標準的制定與推廣，是全球航空界為應對GNSS固有脆弱性、保障PNT服務在安全關鍵領域可信賴性的重大舉措，它為GNSS接收機和系統製造商提供了一套清晰的技術框架和性能目標，也為航空服務提供者和監管機構評估與認證相關設備提供了依據；對於研發工程師而言，實現符合ICAO ARAIM規範的PNT系統，既是挑戰也是機遇，這需要對GNSS訊號特性、誤差傳播、統計理論以及複雜演算法有深刻的理解，同時也離不開如OHB XPLORA系列等先進模擬與測試工具的強力支持，以確保設計的強韌性與合規性。最終，ARAIM技術的成功實施與全球部署，必將引領全球PNT完好性保障能力邁向一個新的高度，為未來更加安全、高效的空中航行奠定堅實基礎。

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