基于GBAS的可用性预测研究

韩 明 张建军 吕自鹏 邓 琪 刘文亮

(天津七一二通信广播股份有限公司，天津 300462)

1 引 言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是包含一个或多个卫星星座，能够提供定位、测速和授时(PVT)服务的卫星导航系统，GNSS导航的快速发展，为人类带来了巨大的社会、经济效益。为了提高GNSS的精度和完好性，GNSS增加了外部系统以增强其性能，如地基增强系统GBAS，其完好性也日益受到关注。目前，国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)大力推行基于性能的导航(Performance Based Navigation,PBN)技术，根据特定运行或空域所要求达到的精确性、完好性、可用性、连续性以及相应功能来确定航空器的系统性能要求，由基于传统导航向基于性能的现代导航转变。卫星导航GBAS是ICAO提出的航空系统组块升级计划中的核心导航技术之一，ICAO将逐步推动从陆基导航向星基导航平稳过渡，逐渐形成以GNSS为主用导航源、陆基导航设备为备份导航源的导航系统构架。GBAS在导航精度、可靠性、安全性及运行成本方面较传统的进近方式有了很大的改善，GBAS服务运行的可靠性和安全性是民航新技术应用和验证工作的重中之重[1]。

GBAS系统运行所使用的卫星数量、轨道参数及星座布局对GBAS系统的服务性能，(如导航定位精度、可用性、完好性、连续性等)是至关重要的。目前现有的技术研究主要利用卫星导航系统所提供的卫星数量、位置精度衰减因子PDOP值和定位精度来评估其系统当前卫星星座的性能[2]。对于GBAS精密进近引导系统来说，GBAS可用性的服务状态与卫星星座状态预测结果有关，星座告警预测可以有效提高GBAS引导服务的安全性，但目前对卫星星座当前及未来状态预测的相关研究很少。本文在保证覆盖性能、导航定位精度的前提下，对卫星星座状态及GBAS的服务状态展开了深入研究。

2 系统可用性预测

GBAS系统的服务状态是塔台状态显示单元的重要部分[3]，包括可用和不可用，系统是否可用与卫星星座预测结果直接相关。当卫星星座告警(即不可用)时，GBAS系统不可用。

卫星星座状态预测包括星座可用性的预测信息和当前信息，状态预测的结果在塔台进行显示。星座可用性预测是预测未来至少15min内星座的可用状态，若预测星座不可用，需及时向监控人员给出卫星星座预测告警，预示GBAS进近服务状态在未来某个时刻不可用。星座可用性的当前信息是指当前卫星星座的可用状态，若不可用，GBAS将产生星座告警和GBAS进近服务状态不可用告警[4]。

结合卫星信号的相关峰及GBAS系统产生的报文等信息，使用星历或者历书进行系统可用性预测。若发生如下情况，产生相应的星座告警和系统不可用告警如下。

a)当预测使用的卫星数量低于4颗时，产生告警；

b)在FAS(Final Approach Segment)跑道坐标系下，若无故障H0(所有基准接收机和测距源均正常工作没有异常，称为H0假设)下的保护级超过告警门限时，产生告警。

系统可用性预测流程图如图1所示，具体流程如下。

图1 GBAS系统可用性预测流程图

a)使用相关峰、星历、历书、GBAS报文等信息预测卫星数量，数量为m；

b)若卫星数量m<4颗，卫星星座预测不可用；若卫星数m≥4颗，计算H0下的保护级PL(Protection Level)，包括侧向、垂直保护级，并找到最大值；

c)将最大值与告警门限AL(Alert Limit)比较，若在告警门限内，卫星星座预测可用，否则不可用；

d)当产生星座预测不可用告警，且星座不可用状态一直未恢复，则会发生当前卫星星座不可用和GBAS当前服务状态不可用，此时需要及时调整或终止GBAS进近程序，防止危险发生。

2.1 卫星数量预测

系统可用性预测是以机场GBAS基准位置(GBAS报文中的基准位置)为观测点，预测基准位置处卫星的可见性，卫星的可见性由卫星相对于地面观测点的高度角决定，高度角是观测点地平线与观测点和观测卫星连线的夹角，高度角范围为(-90°,90°)。当高度角>0°，即卫星位于地平线以上，此卫星对观测点是可见的，实际中还应考虑遮蔽性。当卫星仰角较小时会引起电离层误差和对流层误差的增大，因此设定基准接收机的截止仰角为一定角度(如5°)，当卫星仰角大于该值时认为卫星是可见的，反之不可见。

卫星和GBAS基准点之间的角度(统一为高度角)可以用卫星位置和基准点位置来确定。通过使用星历或历书求得卫星在地心固定坐标系中的预测位置后，然后将该卫星位置转换成以GBAS基准点为坐标原点的站心直角坐标，即可求得卫星的仰角。仰角计算方法如下。

a)设GBAS基准点在大地坐标系下的位置为(B,L,H)，在空间直角坐标系中的位置为(Xr,Yr,Zr)；

b)利用导航电文中的星历或历书参数计算卫星在地心地固坐标系中的空间预测位置为(Xs,Ys,Zs)，可参考文献[5]；

c)求得卫星在以基准点为坐标原点的站心直角坐标系下的位置(Xp,Yp,Zp)为

(1)

其中，

(2)

d)根据仰角el和方位角az的定义可以得出

(3)

根据GBAS基准位置为观测点，进行卫星数量可用性预测，当预测的卫星仰角小于5°时，视卫星为不可见。其中预测的卫星不包括星历不健康和GBAS地面设备完好性排除的卫星。当预测的卫星数量低于4颗时，进行星座告警及系统相应的不可用告警。

2.2 FAS跑道坐标系下的保护级

在FAS跑道坐标系下，利用无故障H0下的保护级进行系统可用性预测。所有卫星在H0假设下，精密进近的垂直保护级(VPLH0)和侧向保护级(LPLH0)分别与垂直告警门限(FASVAL)和侧向告警门限(FASLAL)比较，若保护级大于告警门限，进行卫星星座预测告警，系统不可用。

卫星故障是影响导航系统完好性和可用性的因素之一，在VPLH0和LPLH0数值计算中，地面设备不能利用以下a)、b)和c)情况的卫星信息；d)、e)和f)为计算保护级的条件说明。

a)星历或历书不正确的卫星；

b)结合卫星信号的相关峰，监测3个及以上相关对及峰值，排除信号质量差的卫星；

c)结合信号质量、数据质量、测量质量等GBAS完好性监测算法，排除故障卫星；

d)卫星星座预测是相对于地面基准点位置中心产生的，因此计算保护级时应以GBAS的基准位置观测的卫星进行计算，计算时需要将观测信息转换到机场FAS坐标系下，以FAS跑道起点为坐标原点，然后计算无故障下的保护级；

e)卫星仰角：5°～90°，方位角：0°～360°；

f)卫星星座预测使用所有可见卫星的当前星历。当所有的卫星正在进入视界时，应使用最近的历书。

卫星星座告警时，当预测卫星与机场基准位置的几何分布(即几何构型)不够理想时，未来可能产生危险事件，FAS跑道坐标系下的无故障保护级能够为飞机进近和着陆提供良好的安全预警提示[6]。FAS跑道坐标系下的无故障保护级计算方法如下。

a)首先确定空间直角坐标系与FAS跑道坐标系下的转化矩阵，在计算跑道FAS坐标系过程中，以跑道入口为参考原点，确定跑道径向、垂向、侧向的方向矢量[7]，机场坐标系与XYZ坐标系的转换矩阵A=[u_rwu_latu_vert]T；

b)利用转换矩阵A，转为FAS坐标系下的卫星观测矢量为A×(Xs_i,Ys_i,Zs_i)T，其中i=1,2…N,i为卫星编号；

c)确定FAS跑道下的S矩阵，构建机场坐标系下的S矩阵为

S=(GT·W·G)-1·GT·W

(4)

式中：S——加权的最小二乘投影矩阵，4行N列，N为卫星数量；G——基准点和FAS坐标系下卫星之间的几何观测矩阵。

利用基准位置处的卫星观测矢量计算卫星仰角θi和方位角Azi，给出G矩阵。

Gi=[-cosθicosAzi,-cosθisinAzi,-sinθi,1]

(5)

经差分修正后的剩余误差协方差矩阵为W,W的逆矩阵可表示为

(6)

(7)

式中：σpr_gnd——GBAS广播的伪距修正误差的标准差；σtropo——对流层延迟残余误差的标准差；σpr_air——噪声、干扰和多径效应等引起的残余误差的标准差；σiono——电离层延迟残余误差的标准差。

a)无故障H0下的进近侧向保护级为

(8)

SApr_lat,i=S2,i

(9)

b)无故障H0下的进近垂直保护级为

(10)

SApr_vert,i=S3,i+S1,itan(θGPA)

(11)

式中：Kffmd——由保护级风险、基准接收机的个数、故障先验概率计算得到；DV——取决于GBAS进近服务类型；θGPA——最终进近航路的下滑角。

当LPLApr_H0和VPLApr_H0超过预设的告警门限时[8]，产生星座可用性预测告警。

3 仿真分析

通过卫星信号模拟源进行卫星信号的模拟，验证系统能否正常输出卫星星座预测信息、卫星星座当前信息及系统不可用信息。首先设置模拟源场景[9]，模拟6颗卫星，当模拟源场景运行一段时间后(周内秒为88 685)，此时预计卫星数将在15min后少于4颗。验证仿真结果如图2、图3所示，当距离卫星星座告警15min时，此时周内秒为88 685，文中算法预测垂直保护级将超过告警线，卫星星座预测中断，卫星星座即将在15min后告警，系统将不可用。当卫星星座开始告警时，此时周内秒为89 584，当前垂直保护级超过告警线，告警当前卫星星座不可用，GBAS服务状态不可用。

图2 系统可用性预测-VPL

图3 系统可用性预测-LPL

4 结束语

目前，大部分现有技术研究只是针对卫星星座几何分布对当前定位精度的影响，而缺少一种根据对卫星星座状态的预测给出相应安全风险预警的技术手段，以保证GBAS进近服务状态的长期可靠性。针对GBAS进近引导系统，提出了一种基于机场GBAS基准位置的系统可用性预测方法，可以预测卫星星座的状态及系统可用性状态，有效避免了GBAS卫星星座的潜在不安全因素，进而保证了GBAS进近服务的安全性。