基于民航校验飞机的星基增强服务性能评估

2022-10-09邵搏，张键，熊帅，原彬

导航定位与授时 2022年5期

邵搏，张键，熊帅，原彬

(中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068)

0 引言

随着全球卫星导航系统(Global Navigation Sa-tellite System，GNSS)的不断发展，其在民用航空等高生命安全领域的应用也在不断拓展。国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)在其发布的第六版全球空中航行计划(Global Air Navi-gation Plan，GANP)中明确表示，现代空中航行系统需要以GNSS为基础，提升全球空中航行的安全性。

为了将GNSS全面应用于民航的各个飞行阶段，出现了以星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)为代表的增强系统。SBAS利用广泛分布的监测站对导航卫星进行监测，生成改正数信息(卫星轨道改正数、卫星钟差改正数、格网电离层改正数)和完好性信息(用户差分测距误差/双频测距误差、格网电离层垂直误差)，通过地球同步卫星(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)向用户进行广播，实现对GNSS定位精度、完好性、连续性和可用性的提升。

目前，国际上已经正式向民航等高生命安全领域提供服务的SBAS主要有：美国的广域增强系统(Wide Area Augmentation System，WAAS)、欧洲地球静止导航重叠服务(European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS)、日本的多功能卫星增强系统(Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS)和印度的GPS辅助型静地轨道增强导航系统(GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN)，这些SBAS均为提供单频增强服务的增强系统。美国的WAAS已于2014年实现了LPV-200服务能力，LPV-200服务可用性(99%)在美国大陆的覆盖率达到100.00%;欧洲的EGONS在2015年实现了LPV-200服务能力，LPV-200服务可用性(99%)在欧洲服务区域的覆盖率为93.16%；MSAS于2007年9月开始正式运行，提供非精密进近(Non-Precision Approach，NPA)服务，正在开展LPV服务能力的验证工作和LPV-200服务能力的论证工作；GAGAN系统于2015年4月实现了一类垂直引导进近(APV-I)服务。

北斗星基增强系统(BDSBAS)是我国依据ICAO标准要求建设的服务于民航等高生命安全用户的星基增强系统，将向中国及周边区域用户提供分别满足APV-I和一类精密进近(CAT-I)指标要求的单频增强服务和双频多星座增强服务。中国民航局将对BDSBAS单频增强服务进行认证，预期3～4年完成。在通过认证后，中国民航局将批准向航空用户正式提供BDSBAS单频增强服务。

本文重点针对BDSBAS单频增强服务性能评估开展研究工作，首先从定位精度、完好性、可用性和连续性四个方面对星基增强服务评估方法进行了论述；再通过多次航空飞行试验对BDSBAS单频增强服务性能进行了验证；最后对BDSBAS单频增强服务在全国301个中大型机场的NPA、APV-I和LPV-200服务的可用性进行了分析。

1 星基增强服务评估方法

ICAO在其制定的国际民用航空公约附件10第I卷中给出了GNSS应用于民用航空的性能要求，具体如表1所示。

表1 GNSS应用于民用航空的性能要求[14]

依据表1中的要求，星基增强服务性能主要从定位精度、完好性、连续性和可用性四个方面进行评估，其中需要使用的单频增强信息如表2所示，电文27和电文28为二选一(例如WAAS和BDSBAS仅播发电文28、EGNOS仅播发电文27)。

表2 服务性能评估涉及的单频增强信息类型

1.1 定位精度评估

利用观测数据、GNSS导航电文以及SBAS单频增强电文进行定位解算，并与基准位置进行比较，评估定位精度，处理流程如图1所示。

图1 定位精度评估流程Fig.1 Positioning accuracy evaluation process

(1)导航电文解算

从GNSS导航电文中读取GNSS卫星轨道参数和时钟参数，计算GNSS卫星轨道位置和钟差。

(2)增强电文解算

从电文2～5读取快变改正数信息；从电文25读取慢变改正数信息；从电文18和26读取电离层格网改正数信息。

(3)数据预处理

进行粗差剔除和周跳探测与修复，利用载波相位观测量平滑伪距观测量。

(4)定位解算

首先利用快变改正数和慢变改正数修正卫星轨道位置和卫星钟差；再利用电离层格网改正数计算参考点与卫星观测方向上的电离层延迟；然后利用对流层模型计算对流层延迟；最后利用平滑后的伪距观测量，结合修正后的轨道位置和钟差、电离层延迟、对流层延迟等，计算参考点位置。

利用定位解算得到参考点的位置[]，并结合后处理得到的真实位置[R,,R,,R,]，可以得到地心地固(Earth-Centered, Earth-Fixed，ECEF)坐标系下的参考点定位误差

(1)

从ECEF坐标系到东北天坐标系的转换矩阵为

(2)

其中，和分别为参考点所处位置的地理纬度和经度。

结合式(1)和式(2)，可得到东北天(ENU)坐标系下的定位误差如下

( 3 )

基于式(3)可以得到水平定位误差(Horizontal Position Error，HPE)和垂直定位误差(Vertical Position Error，VPE)如下

(4)

VPE=Δ

(5)

(5)定位精度

对HPE和VPE统计其分布的95%分位数分别作为水平定位精度(Horizontal Position Accu-racy，HPA)和垂直定位精度(Vertical Position Accuracy，VPA)，得到的精度值可以在95%的置信度下包络住相应的定位误差。

(||≤HPA)=95%

(6)

(|VPE|≤VPA)=95%

(7)

1.2 完好性评估

完好性为系统在不能提供服务时及时向用户提供告警的能力。在服务层面，主要通过完好性风险概率来描述完好性性能。首先，利用SBAS单频增强电文的完好性信息进行保护级解算，计算水平保护级(Horizontal Protection Level，HPL)和垂直保护级(Vertical Protection Level，VPL)，基于定位误差和保护级判断是否出现完好性风险(如果定位误差超过保护级，则认为出现完好性风险)，进而统计完好性风险概率，处理流程如图2所示。

图2 完好性评估流程Fig.2 Integrity evaluation process

(1)增强电文解算

从电文2～5和电文6读取UDREI信息；从电文28读取协方差矩阵信息；从电文7和10读取降效参数信息；从电文26读取GIVEI信息。

(2)保护级解算

在计算保护级之前，需要计算参考点与可观测卫星间的观测矩阵，该矩阵的第行如下所示

=[-cossin
-coscos-sin1]

(8)

其中，为参考点与卫星间的仰角；为方位角。

参考点与第个可观测卫星间的观测伪距噪声方差为

(9)

其中

(10)

HPL和VPL计算方式如下

HPL=

(11)

VPL=

(12)

其中

(3)定位精度

按照2.1节的方法，输出HPE和VPE。

(4)完好性风险统计

如果HPE>HPL或VPE>VPL，则认为出现完好性风险，统计完好性风险出现概率。

1.3 可用性评估

可用性是SBAS在其服务空域内能为运载体提供可用增强服务的时间百分比。在可用性评估中，将保护级低于告警门限的时间百分比视为系统服务的可用性。

可用性评估利用完好性评估中得到的HPL和VPL，与相应飞行阶段的水平告警门限(Horizontal Alert Limit，HAL)和垂直告警门限(Vertical Alert Limit，VAL)进行对比，统计流程如下：

1)如果VPL≤VAL且HPL≤HAL，则服务可用，否则服务不可用；

2)如果服务不可用，在之后的15min内都有VPL≤VAL且HPL≤HAL，则认为服务再次可用；

3)统计服务可用时间的百分比。

1.4 连续性评估

连续性是对服务中断概率的描述，连续性评估以可用性评估输出的服务可用性作为输入，如果当前时刻服务可用，但在之后的15s内出现服务不可用的情况，则认为出现连续性事件，统计连续性事件的发生概率，则连续性=1-连续性事件发生概率。

连续性评估通过16s滑动窗的方法统计得出参考时间段内的连续性事件发生概率，16s滑动窗方法如图3所示。主要方法为：对于某个特定历元，如果系统在开始时可用，而在接下来的15s中至少有1s系统变为不可用(例如信号丢失超过4s或保护级超过告警门限)，则为出现一次连续性事件。如果某一秒出现了服务不可用的情况，将导致出现15个连续性事件。最终统计一段时间内的连续性事件数量与可用样本总数之间的比值，作为连续性事件发生概率。

图3 16s连续性滑动窗示意图Fig.3 Diagram of 16s continuous sliding window

2 试验验证

2.1 评估方法验证

由于可用性是星基增强服务能力的综合体现，利用EGNOS实际播发的单频增强电文，按照本文保护级和可用性评估方法分析EGNOS服务的可用性覆盖性能(空间分辨率1°×1°，时间分辨率30s)，并与EGNOS官网(https://egnos-user-support.essp-sas.eu)公布的可用性结果(空间分辨率1°×1°，时间分辨率1s)进行比对。2020年9月7日EGNOS的APV-I和LPV-200可用性对比结果分布如图4和图5所示。

(a)本文结果

(b)EGNOS官网结果图4 EGNOS APV-I可用性对比Fig.4 EGNOS APV-I availability

(a)本文结果

(b)EGNOS官网结果图5 EGNOS LPV-200可用性对比Fig.5 EGNOS LPV-200 availability

从图4和图5可以看到，使用本文保护级和可用性评估方法得到的EGNOS APV-I和LPV-200服务可用性覆盖范围与EGNOS官方公布结果基本一致。

2.2 航空飞行试验

为了验证BDSBAS服务性能在航空领域的适用性，采用民航校验飞机开展航空飞行试验。进近飞行验证科目主要包括圆周飞行、圆弧飞行和水平飞行。进近飞行验证主要用于验证机场区域内BDSBAS的服务性能。

航空飞行试验使用的民航校验飞机为塞斯纳奖状560，在2021年7月13日～7月18日期间，在安顺黄果树机场共进行了4次累积约12h的飞行，数据采样频率2Hz，涵盖了圆周飞行、圆弧飞行和水平飞行等科目，飞机航迹如图6所示。

(a) 7月13日

(b) 7月14日

(d) 7月18日图6 飞机航迹图Fig.6 Aircraft track map

利用飞行试验期间采集的观测数据、GPS导航电文以及BDSBAS单频增强服务电文，依据第2节介绍的星基增强服务评估方法，以ICAO的APV-I指标要求为基准，对BDSBAS单频增强服务的性能进行评估(飞机的基准位置通过事后精密单点定位的方式获取)。受制于篇幅，2021年7月13日飞行试验的定位误差直方图、定位误差/保护级曲线、水平斯坦福图和垂直斯坦福图分别如图7～图10所示。

从图7所示结果可见，在7月13日进行的飞行试验中，BDSBAS单频增强服务的水平和垂直定位精度分别为0.998m和2.763m。从图8所示结果可见，水平/垂直保护级曲线均可对相应的定位误差进行包络，且小于相应的APV-I告警门限(表1：40m/50m)，

(a) 水平

(b) 垂直图7 定位误差直方图Fig.7 Histogram of positioning error

(a)水平

(b)垂直图8 定位误差/保护级曲线Fig.8 Curve of positioning error/protection level

图9 水平斯坦福图Fig.9 Horizontal Stanford map

图10 垂直斯坦福图Fig.10 Vertical Stanford map

表明在飞行试验过程中未出现完好性事件，完好性风险概率为0.0%。图9和图10为水平和垂直斯坦福图，不同于图8的展示结果，斯坦福图以另一种形式对定位误差(XPE，X为H或V)、保护级(XPL，X为H或V)和告警门限(XAL，X为H或V)的对应关系进行了展示，图中彩色条表示[XPE, XPL]处样本点的数量，红色线条为XAL。如图9和图10所示，所有样本点均分布在XPE≤XPL≤XAL，与图7所示结果一致，未出现完好性事件(XPE>XPL)。

基于4次航空飞行试验的BDSBAS单频增强服务性能评估结果如表3所示。BDSBAS单频增强服务的水平和垂直定位精度为0.87m和3.03m，测试期间未出现完好性事件，完好性风险概率为0.0%，服务连续性为100%，服务可用性为100%，满足ICAO APV-I指标要求，达到了BDSBAS APV-I设计指标要求。

表3 基于航空飞行试验的BDSBAS单频增强服务性能评估结果

2.3 全国机场可用性评估

为了进一步评估BDSBAS单频增强服务在我国的服务可用性，依据星基增强服务评估方法中的可用性评估方法，采用商业接收机在西安于2021年7月17日实测接收的BDSBAS单频增强电文，对全国范围内301个中大型民用机场的NPA、APV-I和LPV-200可用性进行分析，解算间隔30s，卫星高度截止角10°，统计结果如图11～图13所示。

由图11所示结果可见，2021年7月17日，除去我国新疆、东北边境的9个机场外，其余292个机场的NPA可用性均能达到ICAO NPA可用性指标要求(优于99%)，NPA可用性在全国机场的覆盖率达到了97.0%。

图11 全国机场BDSBAS单频增强服务NPA可用性分布图Fig.11 NPA service availability distribution map of China airport

图12 全国机场BDSBAS单频增强服务APV-I可用性分布图Fig.12 APV-I service availability distribution map of China airport

图13 全国机场BDSBAS单频增强服务LPV-200可用性分布图Fig.13 LPV-200 service availability distribution map of China airport

由图12所示结果可见，随着服务等级由NPA提升至APV-I，未满足ICAO APV-I可用性指标要求(优于99%)的机场增多到31个，且集中于我国新疆、西藏、东北和台湾等区域；而我国中东部及沿海地区机场依然能够满足APV-I可用性要求。APV-I可用性在全国机场的覆盖率达到了89.7%。

由图13所示结果可见，当服务等级提升至LPV-200时，我国新疆、西藏、东北和台湾等区域LPV-200可用性低于99%的机场增加到51个，虽然沿海地区的江苏、浙江、福建和海南等机场的可用性有所降低，但依然满足ICAO LPV-200可用性指标要求(优于99%)。LPV-200可用性在全国机场的覆盖率达到了83.1%。

根据图11～图13所示结果可见，BDSBAS单频增强服务在我国边境地区、高纬度地区和东南沿海区域的服务性能有所下降，主要是由单频增强电文播发的有效电离层格网在这些区域较为稀疏导致的，而在我国中部区域已经达到了ICAO LPV-200可用性指标要求。