GBAS基准站多径效应评估技术

刘瑞华，杨焕发

GBAS基准站多径效应评估技术

刘瑞华，杨焕发

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

陆基增强系统（GBAS）播发的差分信息无法校正GBAS地面子系统与机载子系统之间的非相关误差，如多径误差，致使其成为GBAS在标称环境下的最大误差源。在GBAS基准站正式部署之前，必须对初始台址进行多径效应的量化评估，以验证当前站址是否满足安装要求。基于码减载波（CMC）方法，进行了实际安装的GBAS基准站的多径效应评估。结果表明，当前GBAS基准站布设环境可以满足多径误差要求。同时，载波平滑算法可有效抑制站点的多径效应，且算法随平滑时间常数的增大而更加有效。在当前安装条件下，GBAS基准站多径误差指标项结果满足GAD-B3类精度等级要求。

陆基增强系统；基准站；码减载波；多径效应

0 引言

随着民航业务吞吐量的日益增长，庞大的空中交通运输体量对传统导航技术支持的进近着陆引导服务提出了巨大挑战。为了增强传统空中交通管理（Air Traffic Management，ATM）技术能力，使飞机在进近着陆过程中获得更高级别的所需导航性能（Required Navigation Performance，RNP），陆基增强系统（Ground-Based Augmentation Systems，GBAS）应运而生[1]。从本质上讲，GBAS是一个利用本地差分信息对GPS、GLONASS等空间星座提供的导航服务进行增强，进而引导航空器实现精密进近的差分导航系统。GBAS由空间卫星星座子系统、地面子系统和机载子系统三个子系统组成。其中，地面子系统对卫星子系统播发的导航信号进行实时的捕获跟踪以及解码，并基于解码数据计算生成机载端所需差分校正信息及完好性参数。地面子系统通过甚高频（Very High Frequency，VHF）数据链向航空器播发增强信息，机载子系统则将增强信息应用于航空器的位置解算和完好性分析。

差分处理后，地面子系统和机载子系统之间的星历误差、卫星钟差、电离层延时、对流层延时等相关误差基本消除。但广播差分校正值无法消除地面子系统与机载子系统之间的非相关误差，比如GBAS基准站多径误差、机载天线多径误差、信号射频干扰误差等。卫星信号通过直射、绕射、反射等方式抵达接收机天线，其中直射信号由卫星直接抵达接收机天线，由于未发生阻挡，直射信号强度衰减较慢。反射和绕射等信号在接触接收机天线周围环境后路径发生改变，部分反射和绕射信号也能抵达接收机天线，但信号强度产生较大衰减。当卫星仰角较小时，部分反射信号的强度甚至高于直射信号，导致观测值数据可靠性降低，从而引入多径误差[2]。多径误差对地面基准站和机载接收机都有影响，且多径误差在每部接收机上都是不同的，因此在差分校正过程中不会被消除。一般认为多径误差是GBAS在标称环境下的最大误差源。在GBAS基准站布设时，应对初始选址站点进行多径误差的量化评估，以最小化多径误差对系统性能的影响。

2010年，美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）发布GBAS地面系统选址标准6884.1。标准中指出，利用码减载波（Code Minus Cartier，CMC）技术可以实现对基准站多径误差的量化评估，但未给出具体评估流程[3]。美国Alfred R. Lopez等人基于ARL-1900 LAAS/GBAS地面参考天线在测试过程中出现的多径效应，提出了一种缓解多径效应的方法，并描述了地面反射率对地面多径效应的影响，由此提出了减小GBAS基准站天线多径误差的选址建议[4]。德国柏林大学André Schüttpelz等人，采用CMC技术，完成了法兰克福机场霍尼韦尔SLS-3000型GBAS基准站的多径误差量化评估，但未验证不同平滑时间常数的载波相位平滑算法在各个站点上的有效性[5]。北京航空航天大学王志鹏等人，对GBAS地面系统布设方案进行研究，给出了GBAS基准站的多径误差评估流程，但缺乏数据支持和验证，仅给出了评估步骤[6]。本文基于实验室搭建的测试型GBAS基准站子系统，利用码减载波技术，首次完成了不同载波相位平滑时间常数下基准站多径误差的量化评估，所取得的研究成果可以弥补国内在该方面研究的不足，为今后各个机场GBAS基准站的多径效应评估提供技术参考。

1 码减载波方法原理

对于GBAS基准站，在某一观测历元，GPS伪距和载波相位观测方程如式（1）和式（2）所示：

式中，各参数意义与式（2）相同。

式（9）给出原始伪距多径误差和接收机噪声。将原始伪距多径误差和接收机噪声数据进一步处理并与航空无线电技术委员会（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）颁布的DO-253C号文件给出的多径和接收机噪声误差标准差包络值比较，对站址多径环境进行评估。多径和接收机噪声误差标准差包络值如式（11）所示[9]：

表1 CMC样本数据分块间隔（单位：°）

2 试验及结果分析

2.1 试验条件

为满足教学和科研需求，中国民航大学卫星导航实验室搭建了测试型GBAS地面系统。其中，基准站子系统位于中国民航大学北校区六号教学楼楼顶，如图1所示。

每个基准站由高精度基准站型接收机和扼流圈天线组成，三个基准站之间距离约为15 m，可接收GPS/BDS/Galileo三个系统的导航信号。GBAS数据处理单元位于北六教学楼二楼实验室内，实时计算本地差分修正数据和完好性信息。

GBAS基准站截止仰角设置为10°，收集2021年6月1日至4日基准站子系统的GPS L1和L2双频观测值数据。在计算CMC数据前，首先应进行双频观测值数据的预处理。包括周跳探测以及剔除数据集中信噪比较低的观测值数据（信噪比阈值设置为30 dB/Hz）。

每天的观测值数据应单独分析，这是由于GPS星座卫星的回归周期为一天，更长周期的观测会在多径误差中引入额外的相关性。由于基准站的静态位置以及GPS卫星轨道的周期重复性，四天内采集到的实验数据具有相似的分析结果。本文以6月4日的实验结果为例，对评估流程与评估结果进行说明。

2.2 试验数据处理及结果

以基准站RR1为例，基准站RR1的原始值数据集包括了6月4日当天所有可用卫星的值。图2显示了基准站RR1对应于所有可用卫星的原始值数据随仰角变化情况。

图2 原始CMC值随仰角变化图

从图2可看出，值在各仰角区间范围内均值均趋向于0。随着卫星仰角的增大，值逐渐减小，当卫星仰角超过60°时，值基本恒定。这可以归因于，当卫星处于低仰角状态时，由电离层延迟和多径效应等引起的伪距测量误差较大。

以1°为分块间隔，对值数据进行分块，统计各个仰角分块内的值标准差，并与DO-253C中给出的标准差包络值进行比较，结果如图3所示。

不难发现，计算结果整体小于DO-253C中给出的包络值，即在当前安装地点，基准站的多径误差较小，满足安装要求。基准站RR2、RR3的计算结果同样满足该安装要求。

基于原始数据，验证载波相位平滑算法在站点上的有效性。将原始值输入式（12）中的低通滤波器，载波相位平滑时间常数分别设置为30 s和100 s。图4展示了在不同平滑时间常数下，所有可用卫星的值随仰角变化情况。

图4 不同平滑时间常数下可用卫星CMC值随仰角变化图

由图4可知，值在各仰角区内，均值趋向于0，相较于原始值，平滑算法处理后的值有明显的减小，这是因为平滑滤波器具有低通滤波特性，多径和接收机噪声中的高频分量被有效滤除。

同时，由图4可以发现，随着载波相位平滑时间常数的增大，平滑变得更加有效。表2给出了不同平滑时间常数下所有可用卫星值的均方根（Root Mean Square，RMS），由于值服从零均值分布，RMS可近乎表示值的标准差。随着平滑时间常数的增大，RMS值逐渐减小。

表2 不同平滑时间常数对应的CMC值均方根

具体到某一颗卫星，以G02卫星为例，图5给出了6月4日G02卫星的仰角与L1频点上信噪比随时间变化曲线。

图5 G02仰角与信噪比变化曲线

不难发现，随着卫星仰角的增大，卫星信号信噪比也随之增大，整个观测时段范围内，信号信噪比未降到门限值以下。

图6显示了G02卫星在观测时段内的值随时间变化曲线。可以看到，随着平滑时间常数的增大，G02卫星对应的值平滑效果更加明显。

图6 G02 CMC值随时间变化曲线

将值取绝对值并沿卫星运动轨迹联线得到站点周视图，可以直观看出站点环境对多径效应的影响。基于上述值数据，将每颗卫星的值进行绘图，得到6月4日基准站RR1的多径周视图如图7所示。

图7中的计算结果表明，经平滑算法处理后，该站点多径效应主要来源于西南和西北方向。分析站址周边环境，结合图1（a）可以看到，由于基准站RR1位于楼体边缘，楼体边缘的护墙和植被对基准站天线产生了一定的遮挡效应。基于相同处理方式对基准站RR2、RR3的双频观测值进行处理，处理结果表明，RR2、RR3的多径效应均主要来源于东南方向。结合图1（b）发现，这可以归因于东南方向的护墙和植被对基准站天线产生了遮挡，从而造成较大多径误差。

将经过平滑处理得到的数据，以2倍的平滑时间常数为间隔进行采样，形成新的样本数据，并对采样得到的样本数据进行分块统计，统计结果如图8所示。

图8 RR1平滑CMC值标准差随仰角变化

观察图8可知，两种平滑时间常数下的值标准差曲线，均包络于GAD-B3类精度等级曲线。同时，在高仰角范围内，值标准差可以达到GAD-C3精度等级要求，但在低仰角范围内，值标准差无法包络于GAD-C3曲线，即无法达到GAD-C3类精度等级要求。这是由于卫星仰角较低时，电离层延迟误差和多径误差等引起的伪距测量误差较大。在GBAS实际运行过程中，GBAS基准站子系统装配代表目前最高精度水平的接收机及多径抑制天线（Multipath Limiting Antenna，MLA）来最大程度上减小多径测量误差，从而达到C类精度等级，实验室装配的基准接收机及扼流圈天线对多径效应的抑制仍然有限。

图9和图10为6月4日基准站RR2、RR3两种平滑时间常数下的值标准差曲线。可以看到，两种平滑时间常数下的标准差曲线均包络于GAD-B3类精度等级曲线。对比图8、图9和图10可以看到，三个基准站的平滑值标准差曲线虽均包络于GAD-B3类精度等级曲线，但也存在明显不同，这可以归因于每一部参考天线安装环境的差异性。同时，相较于其他两个基准站，RR2的值标准差整体偏大，可以归因于RR2参考天线较差的安装环境。如图1所示，相较于其它两个基准站，RR2更加靠近墙体，楼顶护墙可造成较大的多径误差，使得观测值数据可靠性降低，最终导致RR2相较于其他两个基准站具有相对较差的精度性能。

图9 RR2平滑CMC值标准差随仰角变化

图10 RR3平滑CMC值标准差随仰角变化

上述结果表明，当前GBAS基准站子系统安装环境满足安装要求。同时，GBAS基准站子系统多径误差指标项结果满足GAD-B3类精度等级要求。

3 结论

GBAS基准站实际布设时，站点的选取可直接影响GBAS整体运行性能，对初始选址站点进行多径效应的量化评估尤为重要。本文基于实验室搭建的GBAS地面系统测试平台，完成了基准站站点多径效应的量化评估。

试验结果表明，在当前安装环境下，各个基准站的多径误差较小，满足安装要求。同时，载波相位平滑算法可以有效减小基准站多径误差和接收机噪声，在相关布设条件下，GBAS地面子系统多径误差指标结果满足GAD-B3类精度等级要求。

由于实验室搭建的GBAS基准站子系统位于空旷楼顶，基准站天线接收信号受建筑物、地形、地面植被等因素影响较小，因此评估结果较为理想。在GBAS基准站实际布设过程中，机场建筑物、植被以及车辆等都会对卫星信号造成影响，产生多径效应。依照本文给出的测试评估方法和流程，可以有效地站址多径环境进行评估，为GBAS基准站的选址和布设提供决策依据。

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Multipath Effect Assessment Method for GBAS Reference Stations

LIU Ruihua, YANG Huanfa

Differential information broadcast by the Ground-Based Augmentation System (GBAS) cannot correct for uncorrelated errors between the GBAS ground subsystems and airborne subsystems, e.g, multipath errors, making it the largest error source of GBAS in the nominal environment. Before the GBAS reference station is formally deployed, the initial station site must be evaluated quantitatively for the multipath effect to verify that the current site location meets the installation requirements. The multipath effect assessment of an actual installed GBAS reference station is performed based on the code minus carrier (CMC) methodology. The results show that the GBAS reference station deployment environment can meet the multipath error requirements. Simultaneously, the carrier smoothing algorithm can effectively suppress the multipath effect of the site, the algorithm becomes much more effective with the smoothing time constant increasing. Under the current installation conditions, the results of the multipath error-index term of the GBAS reference station were found satisfying the requirements of the GAD-B3 class accuracy level.

GBAS; Reference Station; Code Minus Carrier; Multipath Effect

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-03-176-07

2022-04-08。

刘瑞华（1965.10—），陕西蓝田人，博士，教授，主要研究方向为卫星导航、组合导航及其在民航中的应用。

国家重点研发计划（2016YFB0502402）