GBAS应用于民用航空的研究

2018-07-28任杰任嵩

科技创新与应用 2018年20期

任杰任嵩

摘要：北斗地基增强系统（GBAS），作为我国自行研发的导航系统，系统的完好性问题始终是应用中不可回避的问题。文章在研究北斗地基增强系统完好性及其相关理论知识的基础上，结合民航中实际出现的问题，将抽象的理论知识用计算与相关流程直观地表示出来。充分研究系统完好性理论，为今后提高民航导航系统安全和所需导航性能做了铺垫。

关键词：北斗地基增强系统；完好性；所需性能导航

中图分类号：TN967.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0063-04

Abstract： The Beidou Ground-Based Augmentation System （GBAS）， as a navigation system developed by China itself， has always been an unavoidable problem in application. Based on the study of the integrity of the Beidou Foundation Enhancement System and its related theoretical knowledge， this paper combines the actual problems in civil aviation and visualizes the abstract theoretical knowledge using calculation and related processes. The theory of system integrity is fully studied， which will provide a basis for improving the safety and navigation performance of civil aviation navigation systems in the future.

Keywords： Beidou Ground-Based Augmentation System （GBAS）； system integrity； required performance navigation

引言

民用航空导航在定位时只能使用GPS定位，很难满足精度、完好性、连续性、可用性等所需导航性能要求，因此出现了各种增强系统，其中就有以广域增强系统（WAAS）为代表的星基增强系统（SBAS）和以局域增强系统（LAAS）为代表的地基增强系统[2]（GBAS）。我国则出现了北斗增强系统。北斗增强系统主要包括国家范围的增强系统以及省级范围的增强系统。它们都是以差分技术为主要方式来提高精度的[1]。北斗国家增强系统一般采用广域差分技术和精密单点定位技术；北斗省级增强系统一般采用厘米级的实时网络RTK技术和分泌级的网络差分技术[3]。星基增强系统（SBAS）能满足CI类精密进近的要求，但是对于具有更大难度，更高导航性能要求的CII和CIII类精密进近，则需要采用地基增强系统（Ground Based Augmentation System，GBAS）。

图1 地基增强系统构成图

GBAS基本结构如图1所示。由于GBAS能够取代传统的微波着陆系统（MLS）和仪表着陆系统（ILS），提供更为经济的导航服务，因此GBAS在近年来一直是卫星导航领域研究的一大热点。首先，GBAS减小了空中管制人员的工作压力，是通过减少通信和雷达引导实现的；其次，缩短飞行所用时间以及距离，从而节省燃料和减少运行成本；最后，因為GBAS能够在终端区提供高可靠性的定位精度，还可以提高完好性信息，航空用户能按照已经预定的航线飞行，这些预定航线能够尽量规避城市的上空，从而减小航空器飞行噪声对周边城市居民的影响。

1 北斗地基增强系统（GBAS）

由国家统一规划建设的以北斗卫星导航系统为主，兼容其他GNSS系统的地基增强系统——“北斗地基增强系统”，采用的地面参考站间距为50-300米，通过地面通信数据链播发导航信号修正量及辅助定位信号，提供厘米级至米级的精密导航定位服务于航空用户[4]。

主要是指安装于机场的GNSS增强系统，用于增强卫星导航系统的完好性信息，以及提高导航系统的定位精度。GNSS是一种基于卫星的无线电导航系统，可以为用户提供24小时高精度的位置、时间和速度信息。地基增强系统可以引导飞机进行精密进近和着陆，形成卫星导航着陆系统（GLS），GLS的明显优势就是使飞机平滑着陆，而目前的仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）很难满足这一要求。因此，在不久的将来GBAS甚至可以代替ILS。

1.1 定位方程

北斗系统提供两种测量方式给用户：一种是伪距测量方式。伪距（PR）指的是由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过大气层（电离层和对流层）的延迟，实际测量出的距离与卫星到接收机由星历确定的几何距离R存在误差，因此称测量出的距离？籽为伪距（？籽伪距=R+△？籽）。伪距值是传播时间和光速的乘积，也就是说，所测量的卫星到用户的距离，是通过记录卫星信号传播到用户所经历的那段时间，再乘以光速所得（？籽伪距=C·△t）。另一种为载波相位测量，严格来说，载波相位应该被称为载波拍频相位，它是收到的卫星信号载波相位与接收机本机震荡产生信号相位的差值。接收机连续地跟踪载波，当以上未知整数部分（称为整周模糊度）和差值部分（小数部分）相加就是卫星到用户的载波相位测量距离。各种误差的存在严重影响到了伪距测量和载波相位测量，使得航空用户的定位精度降低[4]。

1.2 北斗系统用于精密进近的导航性能需求

在飞机飞行过程中，精密进近是该过程中最为关键的阶段。表1对精密进近的三个阶段进行了描述：CATI、CATII和CATIII。精密进近三个阶段的所需导航性能（Required Navigation Performance，RNP）。飞行员或飞机必须在决断高度处做出是继续或是中断着陆的重要决定，这取决于在相应决断高度上的跑道视程（RVR）。由于北斗系统的定位精度在水平方向要比垂直方向高，也就使得垂直方向的完好性相对更加难以满足，因此，我们主要以垂直保护级为研究对象[5]。

为了增加飞机在飞行过程中的安全性，飞机的导航系统必须在其定位误差超过某一边界时发出报警，我们称这一边界为告警极限，相应的，水平方向称为水平告警极限（Horizontal Alert Limit， HAL），垂直方向称为垂直告警极限（Vertical Alert Limit，VAL），左右方向称为横向告警极限（Lateral Alert Limit，LAL）。保护级是指的误差范围，导航系统的误差要控制在这个范围内。水平方向称为水平保护级（ Horizontal Protect Level，HPL），垂直方向称为垂直保护级（Vertical Protect Level，VPL），左右方向称为横向保护级（Lateral Protect Level，LPL）。导航系统的定位精度决定它的保护级，定位精度越高，误差越小，则系统的保护级也就越小，由于保护级必须要小于告警极限，因此系统的可用性也就越高。

1.3 完好性概念

完好性是指在系统因故障不能被用作导航定位时[6]，及时向用户发出报警的能力。完好性是保证用户安全性的重要参数，是用户对导航系统所提供信息的可信程度的一种度量。北斗地基增强系统的完好性监测技术基础：

平滑滤波技术：利用实时高精度载波相位消除电离层和对流层等对平滑滤波的影响，同时降低观测噪声。

误差包络技术：根据实际观测值计算误差标准差的估计值和放大因子，即计算保护级，形成误差包络，实现完好性保护。（即保护级完好性监测）

故障检测技术：针对每种故障场景建立故障模型，再根据故障模型设定门限值进行故障的检测，排除错误的卫星数据。（即故障完好性监测）

2 基于民用航空的计算模型

GBAS完好性计算：

我们已经知道，只有当保护级小于告警极限时，才认为系统是正常的并可以用于导航[7]。对于地基增强系统而言，它最重要的作用是能够减少定位误差，并实时地提供定位误差的边界，称这些边界为保护级，我们只研究VPL和LPL。即垂直方向的定位误差的边界称为垂直保护级（VPL），左右方向的定位误差的边界称为横向保护级（LPL）。

VPL=MAX{VPLH0，VPLH1}

LPL=MAX{LPLH0，LPLH1}

在GBAS系统中，参考接收机的工作状态会影响用户接收机的定位误差，虽然参考接收机产生故障的概率很小，但在飞机精密进近与着陆这种特殊情况下，还是必须要考虑到这类可能。因此，在用户接收机对VPL和LPL进行计算时，作如下假设：

（1）假设：为正常测量情况，即所有的参考接收机和测距源都能正常工作，得到

垂直保护级和横向保护级的定义式为

结合伪距测量误差公式

Kffmd-由误警率和接收机的数目确定的已知系数

其中：Mffmd=MAX{m[i]}

m[i]-地面参考接收机的数量，该接收机是用来测量第i颗卫星和第j个接收机差分修正的伪距的。

s_verti=sv，i+sx，i×tan（GPA）

s_lati=Sy，i

sx，i-由第i颗卫星的伪距误差推导出的x方向的定位误差分量；

sy，i-由第i颗卫星的伪距误差推导出的y方向定位误差分量；

sv，i-由第i颗卫星的伪距误差推导出的z方向定位误差分量；

GPA-最终进近航路的下滑角；

N-用于定位的卫星的数量；

i-第i个用于定位的卫星；

加权的最小二乘投影矩阵S定义为

（2）H1假设：H1为故障测量情况，即假设地面参考接收机只能一个出现故障时，得到

Bi，j-所有接收机测量第i颗卫星的伪距修正值的平均值，与除了第j个接收机外的其余接收机测量第i颗卫星的伪距修正值之间的平均值的差值，正常范围是-0.5到+0.5。

Kmd-由误警率和接收机数量在参考接收机有故障时确定的已知系数

3 完好性的仿真

要判断GBAS是否存在完好性风险，主要通过定性地分析保护级，若保护级能够将定位误差控制在它的范围内，即保护级小于告警极限时，就说此时计算的保护级是可信的，然后，就能判断系统的完好性以及可用性。

北斗系统至少需要四颗卫星才能完成对用户位置和接收机时钟偏差的估计，这种要求便很容易满足的：通常北斗系统能够提供6至8颗可见卫星。但是对于应用到飞机的精密进近和着陆过程，则对定位精度的要求更加严格：CATI的垂直定位精度极限（VAL）为10米，CATII与CATIII的VAL都为5.3米。因此，北斗系统的可用性基于如下假设：可用的导航服务可以大致地等效为满足某一门限要求的北斗系统的定位精度。所以，如果要使北斗系统在飞机精密进近的导航系统中可用，须满足：

VPL

如果采用12颗卫星进行的完好性问题的仿真试验。采样数据是时间长度为50个小时所有可见卫星的数量，并且这些卫星的俯仰角大于5度（包括每个卫星的方位角和俯仰角）。

由图3试验中可知，北斗卫星星座中参与计算的卫星个数最多为12颗，最少为5颗，因此，满足至少4颗卫星才能定位的要求。

3.1 卫星及参考接收机均无故障时的仿真试验

假设12颗卫星均无故障，参考接收机也无故障。在这种情况下北斗卫星50个小时的仿真曲线图如下图4：

图4所示的VPL值，结合可见卫星数（图3）分析得出：在卫星以及参考接收机均无故障的条件下，北斗系统满足CATI精密进近和着陆（即VPL<10米），不滿足CATII和CATIII（即VPL<5.3米）。将采样数据与仿真图比较又可以看出：可见卫星数量越多，VPL值越小，相反，可见卫星数量越少，VPL值越大，如当卫星个数均可见即12颗可见卫星时，VPL值最小，说明此时的垂直定位精度相对较高，测量误差小；另外即使相同数目的卫星，VPL值也未必相同，因此，还和卫星的几何分布有关系。

3.2 有一个参考接收机出现故障时的仿真试验

假设12颗卫星均无故障，地面参考接收机一个出现故障。在这种情况下北斗卫星50个小时的仿真曲线图如下。由图可知，在卫星无故障，有且仅有一个地面参考接收机出现故障的条件下，北斗系统不满足CATI精密进近和着陆。将采样数据与仿真图比较又可以看出：可见卫星数量越多，VPL值越小，相反，可见卫星数量越少，VPL值越大；即使相同数目的可见卫星，VPL值也未必相同，因此，还和卫星的几何分布有关系。

3.3 结果分析

（1）在卫星和参考接收机均无故障时，系统满足CATI精密进近（VPL

（2）VPL值与可见卫星的数量有关系。可见卫星数量越多，定位精度越高，误差越小，VPL值也就越小；相反，可见卫星数量越少，定位精度越低，误差相对较大，VPL值也就越大。

（3）VPL值与可见卫星的几何分布有关系。当可见卫星数量相同时，VPL值也有可能会不同。

4 结束语

本论文以北斗地基增强系统完好性监测关键技术为主要研究目的，以完好性监测技术为核心进行介绍。通过对GBAS完好性的详细讲解，研究了以VPL为指标的算法。最后对当前北斗卫星在不同情况下进行了仿真及结论分析。以上仿真对于我国把北斗系统应用于飞机的精密进近和着陆具有相当高的参考价值和现实意义。

参考文献：

[1]陈伏州.关于我国北斗地基增强系统发展的思考[J].数字通信世界，2013.

[2]丁乐乐，戈乐乐，冯媛媛，等.天津市北斗地基增强系统性能测试及分析[J].工程勘察，2017（03）：64-68.

[3]张乙志，金锴，刘立，等.北斗地基增强系统网络RTK测试分析[J].全球定位系统，2016，41（06）：115-118.

[4]尹为松，魏永，章兵，等.北斗地基增强系统在电力地理信息数据采集中的应用[J].中州煤炭，2016（912）：147-151.

[5]魏红波.组合精密进近着陆技术研究[J].2017（1）：5-88.