BDSBAS机载应用及飞行验证

杨 明，苏从兵，王岸石，王雪峰

BDSBAS机载应用及飞行验证

杨 明，苏从兵，王岸石，王雪峰

（中电科西北集团有限公司西安分公司，西安 710068）

星基增强系统作为广域增强手段，能为民用航空提供花费较低、可用性更高的导航功能。研制开发具备SBAS功能，满足民航使用要求的机载设备符合GNSS发展趋势。分析梳理了北斗星基增强系统（BDSBAS）的机载处理算法，从准确性、完好性等民航进近着陆的应用性能出发，对研制的北斗机载多模接收机于2021年5月在天津机场开展的SBAS飞行验证数据进行了分析评估。结果显示研制的机载设备在当前BDSBAS信号条件下可以满足APV-I进近的定位精度要求，试验期间未见完好性异常。

机载设备；北斗星基增强系统；精密进近；飞行试验

0 引言

国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）一直在倡导采用GNSS技术作为主用导航手段来实现飞机所有飞行阶段的导航。星基增强系统（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）作为广域增强手段，能为民用航空提供花费较低、可用性更高的导航功能。我国正开展北斗星基增强系统的建设，并已于2020年开始播发GPS和北斗卫星的增强信号。研制开发具备SBAS功能，满足民航使用要求的机载设备符合GNSS发展趋势。

1 BDSBAS机载设备处理算法

SBAS机载设备处理算法主要实现机载端的定位和保护级计算。机载设备在接收到观测电文、广播星历和增强电文后，对接收到的增强电文进行解析处理获得改正数和完好性参数；结合观测电文及广播星历，进行卫星位置和钟差的解算；运用卫星位置、伪距、各类改正数及完好性参数解算出用户的当前位置和保护级。SBAS双频服务尚未形成最终的技术标准，本文对BDSBAS单频服务的机载处理算法进行分析梳理。

1.1 BDSBAS机载设备的定位处理

BDSBAS单频服务用于增强GPS1单频信号，其定位处理过程如图1所示。

图1 BDSBAS SF定位流程图

BDSBAS单频服务的定位处理流程分为：

1）载波平滑码伪距

在BAS单频服务处理中，对收到的每个测距源的原始伪距使用滤波器进行100 s伪距平滑，如式（1）所示：

2）快变改正数解算

3）SBAS单频服务电离层改正数解算

SBAS单频服务利用电文中播发的格网点（Ionospheric Grid Point，IGP）电离层延迟数据计算可见卫星的电离层延迟改正数，IGP电离层延迟数据由增强电文18和26播发。

图2 SBAS电离层穿刺点

利用倾斜因子和穿刺点处电离层延迟，计算卫星的电离层改正数如式（4）所示：

4）SBAS钟差改正数计算

卫星SBAS钟差改正数如式（5）所示：

5）使用SBAS星历改正数修正卫星位置

卫星星历慢变改正数计算如式（7）所示：

6）对流层延迟修正

SBAS对流层延迟计算采用五参数气象模型，根据年积日、纬度和用户仰角利用文献[1]定义的表格通过插值法求取气象五参数。

7）SBAS伪距修正

8）SBAS定位解算

使用加权最小二乘法进行定位解算，权重值来自SBAS保护级计算输出。

1.2 BDSBAS机载设备的完好性处理

SBAS系统中水平保护级（Horizontal Protection Level，HPL）和垂直保护级（Vertical Protection Level，VPL）以一定的概率（源自完好性需求）提供一种对水平位置误差及垂直位置误差约束，机载设备利用BDSBAS播发的完好性参数，结合自身观测值计算得到保护级，并将计算的保护级结果同应用类型对应的告警门限（Alarming Value，AL）进行对比，以判断定位结果是否可用。

BDSBAS保护级计算过程如图3所示。

图3 BDSBAS SF保护级计算流程图

BDSBAS保护级的计算过程为：

1）首先机载设备需要计算用户与可观测卫星间的观测矩阵，该矩阵的第行如式（9）所示：

2）计算用户与第个可观测的卫星间观测伪距的噪声方差：

SBAS对流层模型校正后的残差方差为：

4）和计算如式（14）和式（15）所示：

2 BDSBAS机载设备及飞行验证

2.1 机载设备及搭机飞行环境

研制的北斗机载多模式接收机主要由GNSS接收模块、VDB通信模块、卫导增强综合处理模块、接口处理模块和电源模块等组成，具备GNSS、GBAS着陆系统功能（GBAS Landing System，GLS）以及SBAS功能。

图4 机载SBAS处理软件框图

机载SBAS功能主要由卫导增强综合处理模块的SBAS处理软件实现；SBAS处理软件由GNSS数据处理功能、伪距修正功能、差分定位解算功能、PVT输出功能和进近引导功能等模块组成，如图4所示。

本次搭机飞行测试使用了中国民航校验中心提供的飞行平台，机型为超级空中国王350。

校验飞机本身具备机载设备的搭机实验条件，可以直接提供机载GNSS天线射频信号。飞行平台上的搭机设备包括北斗机载多模接收机和基准接收机。北斗机载多模接收机自带数据记录功能，完成SBAS输出数据的采集存储。基准接收机与被测北斗机载多模接收机共用一个GNSS天线，接收、记录GNSS观测值，通过事后RTK差分处理生成飞行验证的定位基准，如图5所示。

图5 BDSBAS机载设备搭机飞行环境

2.2 分析评估方法

对飞行试验数据主要从准确性、完好性等应用性能出发，对机载设备BDSBAS功能进行分析评估。

准确性评估用于评价SBAS差分定位的正确程度：使用基准接收机数据标定定位基准，根据机载设备的SBAS差分定位结果和标定位置计算每个历元的水平和垂直定位偏差，统计水平和垂直定位误差。

完好性用于判断SBAS系统的服务完好程度，通过斯坦福图来评价：使用每个历元的水平和垂直定位误差、HPL和VPL、进近服务的水平和垂直告警门限（Horizontal Alert Limits，HAL/ Vertical Alert Limits，VAL）绘制斯坦福图，根据定位误差、保护级、告警门限的关系统计完好性百分比。

2.3 试验结果

在天津滨海机场，于2021年5月3日和5月6日完成多架次搭机飞行验证。

2.3.1 5月3日试验结果

5月3日飞行试验水平及垂直误差和保护级关系如图6所示。图6中红线为SBAS定位误差序列，蓝线为HPL及VPL。

图6 5月3日飞行试验水平及垂直误差和保护级关系

通过对定位结果的处理评估，5月3日试验的水平定位精度（95%）为1.10 m，垂直定位精度（95%）为2.50 m，如图7所示。

图7 5月3日飞行试验水平及垂直误差分布

5月3日飞行试验水平及垂直误差斯坦福图如图8和图9所示。其中紫线为APV-I进近对应的HAL及VAL，从两图中可看出5月3日未出现完好性风险事件。

图8 5月3日飞行试验水平误差斯坦福图

图9 5月3日飞行试验垂直误差斯坦福图

5月3日天津飞行实验性能结果如表1所示。

表1 5月3日天津飞行实验性能结果

2.3.2 5月6日试验结果

图10 5月6日飞行试验水平及垂直误差和保护级关系

5月6日飞行试验水平及垂直误差和保护级关系如图10所示，红线为SBAS定位误差序列，蓝线为HPL及VPL。

通过对定位结果的处理评估，5月6日试验的水平定位精度（95%）为1.00 m，垂直定位精度（95%）为2.80 m，如图11所示。

图11 5月6日飞行试验水平及垂直误差分布

5月6日飞行试验水平及垂直误差斯坦福图如图12和图13所示。其中紫线为APV-I进近对应的HAL及VAL，从两图中可看出5月6日未出现完好性风险事件。

图12 5月6日飞行试验水平误差斯坦福图

图13 5月6日飞行试验垂直误差斯坦福图

5月6日天津飞行实验性能结果如表2所示。

表2 5月6日天津飞行实验性能结果

3 结论

ICAO导航及进近的服务性能要求如表3所示。

表3 ICAO导航及进近的服务性能要求

从上述的评估结果可看出，研制的机载设备能够接收BDSBAS播发的差分增强数据及完好性参数，进行SBAS增强定位提升用户定位精度，通过计算保护级对误差进行包络，避免完好性危害事件（Hazardously Misleading Information，HMI）发生；将两次飞行验证的结果与ICAO性能要求比较，其精度满足APV-I进近要求。开展SBAS机载设备的研制、飞行验证所形成的技术、测试的方法及经验也有助后续开展SBAS民航航电设备的研制。

[1] RTCA DO-229E, Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment[S]. 2016: 12-15.

[2] 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件——星基增强服务信号BDSBAS-B1C [S]. 1.0版，2020.

[3] ICAO 国际标准和建议措施（附件10）：无线电导航设备[S]. 7版，2018.

[4] ICAO Doc 9849, 全球导航卫星系统（GNSS）手册 [S]. 3版，2017.

[5] 邵搏，耿永超，丁群，等. 国际星基增强系统综述[J]. 现代导航，2017，8（3）：157-161.

BDSBAS Airborne Application and Flight Test

YANG Ming, SU Congbing, WANG Anshi, WANG Xuefeng

As a wide-area enhancement method, the satellite-based augmentation system can provide civil aviation with lower-cost and higher-availability navigation functions. The research and development of airborne equipment with SBAS function, which meets the requirements of civil aviation, conforms to the development trend of GNSS. The airborne processing algorithm of the BDSBAS is analyzed and sorted out in the paper, flight test data of developed airborne equipment with SBAS function from the perspective of accuracy and integrity is analyzed and evaluated, which flight test carried out in Tianjin airport in May 2021. The results show that the developed airborne equipment can meet the accuracy requirements of the APV-I approach under the current BDSBAS signal, and there was no integrity abnormality during the test.

Avonics; BDSBAS; Precision Approach; Flight Test

TN96.1

A

1674-7976-(2022)-03-183-07

2022-03-23。

杨明（1979.04—），陕西西安人，硕士，高级工程师，主要研究方向为民用航空空中交通管理。