卫星导航着陆系统地面站完好性监测研究综述

吕浩源,张辉,庞春雷,曹海霞,柯益明

(空军工程大学信息与导航学院,西安 710077)



卫星导航着陆系统地面站完好性监测研究综述

吕浩源,张辉,庞春雷,曹海霞,柯益明

(空军工程大学信息与导航学院,西安 710077)

随着全球卫星导航系统在军民航空领域的广泛应用,为有效保障航空安全,对其进行完好性监测显得尤为重要。完好性监测可分为接收机自主完好性监测和地面站完好性监测。地面站完好性监测是卫星导航着陆完好性监测的主要手段;是研究卫星导航着陆的热点问题。本文结合卫星导航着陆系统,分析了国内外地面站完好性监测研究现状,指出了现阶段地面站完好性监测存在的问题,并针对问题探讨了发展趋势和研究方向。

卫星导航;着陆;地面站完好性监测;多基准一致性检测

0　引　言

卫星导航着陆系统具有全天候、全覆盖和高精度等[1]优点,相对于传统着陆引导系统还具有受场地影响小、可以灵活设定终端进近航径等优势[2],是飞行器精密进近着陆领域新的发展方向。完好性是衡量卫星导航系统的重要性能指标之一[3-4],提高完好性监测水平,为精密进近着陆提供连续有效、安全可靠的着陆数据,对于提高进场着陆安全和机场运行效率具有重要意义。

完好性是指当导航系统的误差超过允许限值不能胜任规定的导航工作时,系统及时报警,通知用户或终止此信号的功能[3],它是保障飞行安全的关键。受卫星星历、星钟误差[5-6]、电离层[7]和对流层延迟,以及多径[8-9]和接收机热噪声[10]影响,飞机使用卫星导航系统所估计的位置误差可能超出空域监视所容许的范围,而飞机对该误差超限又存在盲视问题,即定位完好问题[11-12];此外,由于卫星信号脆弱和抗干扰能力差等原因,有必要对卫星导航系统进行完好性监测。完好性监测包括地面站完好性监测和用户端自主完好性监测[13],相比于用户端自主完好性监测,地面站完好性监测具有自身特有的优势,这主要是因为地面站监视设备基准站的位置精确已知,可以利用其信息迅速判定可视卫星是否能够用于导航,而且监测站还可以使用无码双频接收机有效的消除电离层延迟[12],通过对故障阈值的监测和分析可以迅速的监测超差卫星和故障基准站。现阶段卫星导航的完好性指标可以较好的满足航路段的导航需求,但无法满足完好性指标要求更高的精密进近阶段。

本文结合卫星导航着陆系统介绍了地面站完好性监测的关键技术和研究现状,分析目前存在的问题,并基于此,展望了地面站完好性监测及其关键技术的发展趋势。

1　卫星导航着陆系统和地面站完好性监测

1.1卫星导航着陆系统

卫星导航着陆系统[14]是基于全球卫星导航系统的飞机进近着陆引导系统,它由空间段、地面段、机载段以及监控段组成,空间段由GNSS空间卫星组成;地面段由基准接收机、地面处理站以及VDB处理设备组成;机载段由机载接收机、飞行控制及显示设备组成;监控段由系统监控设备组成。

现阶段卫星导航着陆系统大多基于差分定位技术。基本的差分系统[1]就是在一个已经测定的点上安装接收机作为基准站,它连续的接收卫星导航信号,经过处理得到实时的位置数据,将它与已知数据进行比较,不断确定当前误差,产生精确的修正值,然后将这些校正数据送至机载接收机,以便利用这些数据来修正飞机的定位数据,从而提高定位精度和完好性监测水平，如图1所示。

图1　卫星导航着陆系统示意图

1.2地面站完好性监测

地面站完好性监测主要是通过地面监测站来监测卫星的状况,利用局域差分技术提高定位精度,确保广播给用户的误差修正数不包含危险误导信息[15]。地面站完好性监测提供的完好性信息辅助机载接收端计算出水平误差和垂直误差的保护极限,给出定位结果的可靠性;同时通过对系统自身各部分进行监测,可有效的监测并排除故障。

地面站完好性监测存在的故障主要分为卫星故障和基准站故障,据ICAO于2007年制定的民用航空基于性能导航的路线图计划,基于GNSS的民用航空导航完好性监测必须至少能够支持APV及以上等级所需导航性能要求[16],而仅依靠接收机自主完好性监测是难以满足要求的[17]。采用高精度的外部辅助导航器件,如惯性导航系统与GNSS组合形成机载增强系统ABAS,但惯导的引入将增加监测的风险源,同时增加机载设备将增加飞行器的能源消耗,与基于性能导航改善环境的初衷是相违背的[16]。由于进近着陆是飞行中极为关键的阶段,对系统的完好性有着极高要求,所以开展地面站完好性监测具有十分重要的研究价值。

2　国内外研究现状分析

2.1国外地面站完好性监测研究现状

1993年Stanford大学初步建立了完整的地面站完好性监测功能模块和复杂的故障处理逻辑,但只能满足CAT I的完好性要求。90年代中期MITRE公司的研究人员提出了基于伪距域和定位域[18]两种不同的监测方法,但这两种方法也只能满足CAT I类完好性要求。之后Swider又提出了利用多路径抑制天线、设置机场伪卫星和基于伪距域向位置域转化的完好性监测算法[19],来进一步提高精密进近的完好性监测水平,并且提出了通过模块化地面设备的方法来初步实现满足CAT IIIb完好性监测的假设。2003年Lee Jiyun研究了LAAS定位域监测技术[20],将LAAS的保护水平性能提高到满足CAT II的要求。2004年文献[21]为实现更加优化的机场完好性监测,提出用累积和的方法检测电离层延迟梯度的影响,通过联合监测的方法快速检测故障,并且在此基础上提出了通过增加地面设备和改进完好性监测算法两个方面来实现CAT III完好性监测的假设。近年来,完好性监测研究主要集中在消除星历误差[6]、电离层异动[7]、消除故障相关性影响[22]等方面。

2.2国内地面站完好性监测研究现状

国内高校和科研院所也针对卫星着陆系统的特点不断开展其完好性监测技术研究。文献[23]对多基准一致性检测算法进行了研究,分析了卫星仰角对B值的影响,并针对该因素设计了故障检测阈值;文献[24]分析了电离层暴和电离层闪烁对完好性监测的影响,通过双频技术来消除电离层暴影响,针对电离层闪烁问题,分别从接收机设计和系统设计两个方面进行了改进。文献[25]重点分析了多路径对完好性监测的影响,提出了GPS局域增强系统基准站多路径抑制消除技术,避免飞机机身和地面物体反射信号所引起的多路径效应,提高了完好性监测水平和进场安全。

北京航空航天大学王志鹏分别提出了行列判断法和C值辅助法两种基于伪距修正量误差的地面站完好性监测算法,有效的区分了故障的类型[26],之后提出的多接收机局域机场监视系统的完好性算法[27]有效改善了系统的性能和完好性指标。哈尔滨工程大学的相关科研团队在地面站完好性监测领域取得了一定进展,在分析差分修正误差的基础上,提出了新的差分修正误差标准差膨胀算法,提高了空间信号可用性水平[28];此外,还提出了将接收机完好性监测和地面站完好性监测相结合的研究思路,通过实验验证了该方法能初步满足CAT II完好性要求[29]。基于提高伪距测量精度，空军工程大学提出了基于自适应Kalman滤波的故障检测算法,提高了基准站的监测能力,能有效地监测并排除系统故障[30]。

目前国内外有关卫星导航着陆满足CAT III完好性指标要求的报道较少,主要原因是大部分研究是基于伪距域的多基准一致性监测,这种算法的观测量选取过于单一,而且多基准一致性检测不同故障存在相关性干扰,增加故障隔离难度,将降低完好性监测水平,有必要多角度的选取观测量和创新现有的完好性监测算法。此外,传统播发差分修正量误差标准差时,均假设差分修正量误差满足零均值的高斯分布,但由于受多径效应[8-9]、卫星故障[31]和接收机热噪声影响[10],修正误差不仅包含高斯型误差,而且还包含非高斯型和非零均值误差,这将会造成用户端的保护水平大于保护门限,降低系统可用性水平,使得完好性指标难以满足精密进近CAT III所需的导航性能要求。

3　发展趋势

随着各国卫星导航系统的竞相发展,着眼不断提高卫星着陆导航精度和完好性监测服务水平。总体来说,其发展趋势有以下几个方面:

1) 提高卫星导航定位精度

在精密进近着陆期间,随着与着陆点距离的减小,对要求导航性能(RNP)的参数要求越来越高。传统单纯依靠载波相位平滑伪距所得到的测量精度是有限的,这间接制约了差分信息的准确性,降低了飞机着陆的可靠性。利用载波相位差分技术可有效的提高定位精度,从而减少差分信息中接收机的相关误差,提高机载接收机接收数据的可用性水平。

2) 提高卫星导航着陆系统与其它着陆引导系统的兼容性

通过提高与其它着陆引导系统的兼容性,针对不同的状况选取不同着陆引导方式,建立备份着陆引导系统,提高着陆引导系统可靠性。由于现阶段大部分机场已经安装了MLS和ILS着陆系统,构建灵活的多系统保障机制将为飞机着陆提供更多可用的数据,同时兼容其它系统将有效改善卫星失锁情况下的着陆能力,提高系统连续工作能力。

3) 加强对卫星导航着陆系统可用性水平分析研究

传统卫星导航着陆系统空间信号完好性监测均假设广播修正值误差服从零均值高斯分布。然而近年研究发现,受接收机噪声、多径效应和各参考站之间相关性的影响,修正误差不仅包含高斯型误差,且包含非零均值误差和非高斯误差,有必要研究此类误差对系统可用性的影响。

4) 完好性监测算法的创新和改进

现阶段卫星着陆系统多采用多基准一致性检测[23],该算法一定程度上制约了完好性监测水平的提高,可从观测量选取和算法创新两方面提高完好性监测能力。观测量可由传统基于伪距域的差分修正向基于位置域的差分修正转变,同时也可选取不同类型卫星、不同几何分布卫星进行多基准一致性检测。可优化基准站布局,引入机场伪卫星等手段提高观测数据冗余量和精度,创新完好性监测算法,针对不同观测量选取更加合理的完好性监测算法,可考虑通过引入比例因子合理的控制被监测系统各部分的完好性风险。通过多角度分析数据改进算法,针对不同情况设定自适应的监控阈值,得到更加科学的地面站完好性监测算法。

4　未来研究方向展望

纵观国内外研究现状,在定位精度逐渐满足精密进近各阶段要求后,完好性监测指标将成为影响卫星导航精密进近着陆的主要因素。可以预见未来几年的研究重点将围绕卫星着陆系统完好性监测展开,集中在以下几个方面:多卫星导航系统融合的完好性监测研究;基于北斗卫星着陆系统的系统级完好性监测研究;强干扰及恶劣环境下的卫星着陆完好性监测研究。另外,多学科交叉,多种理论应用的地面站完好性监测将发挥重大作用。

1) 多卫星导航系统融合的完好性监测研究

随着GPS、GLONASS现代化进程的不断推进和BDS、GALILEO系统建设的顺利进行,卫星导航系统的兼容与互操作性已成为全球范围内卫星导航技术的研究热点,各国学者普遍认为,多卫星导航系统之间实现兼容是提高导航定位性能的重要途径。在不久的将来,全球将有四套卫星导航系统,在同一地点可实现多系统同时覆盖。由于多系统联合定位具有可用卫星数量多、覆盖好、定位精度高、可靠性高等优点,越来越多的卫星导航接收机将采用多系统联合定位的工作模式。

采用多种模式、多频点的接收机可以大幅度提高可视卫星数目,改善卫星星座的分布,进一步提高接收机的定位精度,在提高硬件工作水平的同时，还应创新现有算法，建立多系统联合的完好性监测算法，可以根据不同算法的特点，开展基于定位域和伪距域融合的完好性监测算法，辅助设计更加合理的故障检测阈值，从而有效改善系统完好性监测水平。在提高硬件工作水平的同时,还应创新现有算法,建立多系统联合的完好性监测算法,可以根据不同算法的特点,开展基于定位域和伪距域融合的完好性监测算法,辅助设计更加合理的故障检测阈值,从而有效改善系统完好性监测水平。

2) 基于北斗卫星着陆系统的系统级完好性监测研究

2013年,北斗卫星导航系统[32]空间信号接口控制文件和北斗卫星导航系统公开服务性能规范发布后,北斗系统星座和空间信号性能得到了统一规范[33],北斗卫星系统将进入发展的黄金时期。基于此,结合北斗系统异质星座[34]的特点对其完好性进行研究显得尤为重要,要建立一套完全自主的北斗卫星导航着陆体系。要在研究分析国外卫星系统发展的基础上,加强对北斗卫星导航着陆系统的系统级的完好性监测,有效提升北斗系统的飞行保障能力,建立我国自主的局域增强系统(LAAS)和广域增强系统(WAAS);此外还应加强接收机自主完好性监测(RAIM)和地面站完好性监测的融合,在提高定位精度的基础上,最大限度的提高完好性监测水平。

3) 强干扰及恶劣环境下的北斗卫星导航着陆完好性监测研究

抗干扰能力弱是所有卫星导航系统用户段最大的弱点,由于电磁环境的日趋恶化和建筑物带来的多径影响日趋严重,面对可能存在的电磁干扰,开展强干扰及恶劣电磁环境下的完好性监测研究是十分有意义的。在下一代GPS卫星中将采用新的信号体制和点波束技术提高信号强度;GLONASS则通过发射新卫星和改造地面控制段提高抗干扰水平;Galileo采用的PRS信号在卫星发射后是可以改变的,也将有效的提高抗干扰能力。2020年,我国的北斗系统将提供全球导航定位服务。由于无法像GPS系统一样进行全球布站,也就无法有效的建立布局合理的全球卫星监测站,这将极大影响北斗导航系统自身的完好性。针对现阶段机场复杂电磁环境、无人机远程侦察作战和海外救援等复杂任务,要求建立一种抗干扰、可便携投放、易架设的北斗卫星导航着陆系统,该系统应该具有复杂电磁环境下的着陆引导能力,因此加强恶劣电磁环境下北斗卫星导航着陆系统完好性监测研究是十分有必要的。

此外,还应在研究空间信号的基础上,针对的建立非高斯、非零均值信号的膨胀模型,降低系统的误警率,提高系统的可用性水平。

5　结束语

随着全球卫星导航系统和军民航空的迅速发展,卫星导航着陆将成为我国未来精密进近着陆发展的趋势。通过对国外卫星导航着陆的研究将有效的指引我国未来北斗卫星着陆系统的建设发展。完好性研究将继续成为卫星导航着陆领域的研究热点。

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Review and Prospect of GNSS-Based Landing System Integrity Monitoring

LÜ Haoyuan,ZHANG Hui,PANG Chunlei,CAO Haixia, KE Yiming

(Schoolofinformationandnavigation,AirForceEngineeringUniversity,Xi′an710077,China)

With the rapid development of satellite navigation system in military and civilian aviation navigation, integrity monitoring is more important for guaranteeing the safety of flight. Integrity monitoring mainly include RAIM(receiver autonomous integrity monitoring) and ground station integrity monitoring. Ground station integrity monitoring is one of the major methods in precision approach landing and is also the hot research issue in satellite navigation. Combined GNSS-Based landing system, this paper analysis the research status of ground station integrity and point out the existing problem, finally discuss the new trends and future research directions.

Satellite navigation; landing; ground station integrity monitoring; multiple reference consistency check

2015-12-18

国家自然科学基金(批准号:61273049)

V249.3

A

1008-9268(2016)03-0029-06

吕浩源(1991-),男,吉林集安人,硕士生,主要从事卫星导航完好性监测技术研究。

张辉(1974-),男,陕西西安人,副教授,主要从事卫星导航完好性监测技术及飞行校验研究。

庞春雷(1986-),男,安徽阜阳人,讲师,主要从事卫星姿态测定及卫星导航着陆研究。

曹海霞(1984-),女,山东郓城人,讲师,主要从事精密进近着陆研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.007

联系人： 吕浩源 E-mail: 759874434@qq.com