淺析地基增強系統完好性技術

王俊

摘 要：地基增強系統GBAS作為民用航空飛機精密進近及著陸引導的新型導航系統，必須盡可能減少誤差，濾除不正常衛星數據信息，確保導航信號中不含有錯誤指示，因此GBAS完好性技術及完好性監測是十分重要的環節。文章將對地基增強系統的部分完好性技術進行介紹，并針對完好性監測的方法與構架展開研究。通過各類算法的解析，分析多系統中各誤差的監測原理、工作邏輯及處理過程，從而得出系統完好性結論，并針對不同誤差和干擾，提出完善建議。

關鍵詞：GBAS；地基增強系統；完好性；完好性監測；監測執行

引言

隨著我國民用航空業的迅速發展，持續增長的航空業務量對機場導航設施設備提出了更高的要求。GBAS 地基增強系統，作為民用航空導航新技術，能有效解決傳統導航方式的各類缺陷，實現以GPS 為核心的全天候、高精度、高可靠性的進近、著陸引導。

GBAS 主要用于機場終端區，是提供飛機進近及著陸的衛星差分定位導航系統，其系統組成如圖1所示。

圖1 GBAS系統組成圖

GBAS 工作原理：地面站收到衛星數據，發至數據處理中心。處理中心對收到的衛星信息進行完好性監測，過濾有可能存在的故障及部分誤差信息。過濾后的衛星信息，將用于計算對應的差分修正量，并再次開始完好性監測。監測完畢后，利用VHF網絡將差分修正量及完好性信息發送至飛機，為系統覆蓋區內的飛機提供導航服務。

GBAS 作為精密進近、著陸引導的導航設備，應盡可能減少衛星差分信息的誤差，過濾故障及不正常衛星數據，確保廣播至飛機用戶的數據中不含有錯誤信息。因此，系統完好性技術及完好性監測是GBAS 系統中的重要環節，下文將進行詳細分析。

1 建立多系統GBAS 風險模型

GBAS 的誤差及干擾包括機載、地面和衛星部分。主要有時鐘誤差、星歷誤差、信號畸變誤差、多徑效應誤差、差分數據誤差等。完好性監測算法應針對各誤差的完好性影響及概率分布，來分別處理。

因此，正確分析衛星導航局域增強系統的完好性風險模型，是提高完好性監測算法有效性的基礎，包括如下兩個方面的內容：

1.1 建立系統數據處理誤差模型

系統誤差模型的建立是一個復雜的過程，必須考慮每個觀測量的誤差分布的等級，同時還必須考慮每個數據處理模塊的誤差分布和等級。對每個處理過程產生的檢測概率進行評估，衡量誤檢概率和漏檢概率。并依據誤差分布和檢驗算法的特點，分配系統指標。通過仿真手段驗證系統誤差模型建立的正確性。

1.2 建立系統設備故障模型

為了保證空間信號的可用性，由地面站發布的差分校正信息必須具有高的可用性，因此需要建立系統設備故障模型。地面站的設備較多，包括監測接收機、數據處理設備、通信設備等，這些設備數量多少需要通過系統設備故障模型進行可用性指標分配，才能確定。

通過建立多系統故障模型，根據不同模型情況，進行監測算法設定。

2 多系統GBAS 完好性監測

完好性監測是對衛星完好性進行監視的一種處理方法，對可能的故障源分別進行檢測排查。完好性監測包括信號質量監視、數據質量監視、觀測量質量監視，并通過綜合處理及多接收機一致性檢驗排除不可用衛星，并計算出滿足完好性要求的可用衛星組，用于導航信號計算。信號質量監視方法（SQM）：應用滿足局域增強要求的基準站接收機對衛星信噪比、碼-載波偏差和空間信號的畸變進行監視，完成信號質量的監視；數據質量的監視（DQM）：主要對星歷的異常進行監視，通過使用新舊星歷對比等方法生成星歷的判斷結果；觀測量數據監視（MQM）：通過對偽距中的階躍、加速和跳變等變化監視，保證偽距沒有發生大的突變；接收機多基準一致性檢驗（MRCC）：對比多臺接收機的B值，判定監視接收機是否發生故障；綜合判斷（EXM）：對各種檢驗方法生成的判斷結果進行綜合分析，形成滿足完好性指標要求的可用衛星組，保證機載的完好性得到保護；多系統完好性監測，為獨立監視加綜合判定模式，首先對某一個系統的觀測值使用以上方法進行判定，然后綜合判斷多個系統的判斷結果。將觀測值轉換至相同時空標準下，進行綜合判斷處理，計算出完好性達標的可用衛星組。不同的故障及誤差，按照系統結構劃分，分別以不同的監測方法進行監測，以下就各完好性監測方法分別進行分析。

2.1 信號質量監測

SQM 是對GPS 偽隨機碼的畸變進行監測。GBAS 信號質量監測模塊接收到衛星數據的偽隨機碼，并同本地生產的偽隨機碼進行相關處理，以處理結果是否畸變，來判斷偽隨機碼的畸變。

SQM 對GPS 信號功率進行監測，當信號功率低于標稱值時，即可能存在誤差，系統完好性降低。SQM 的功率監測計算在t和t-1時刻，接收機的通道m與所鎖定的衛星n的平均載噪比C/N0，如式（1）。

C/N0與設置的門限對比，若未超過門限數值，則說明接收信號功率過小，存在完好性風險；相反，則通過監測。

（1）

不同的接收機系統配置及外界環境不同，設置的門限也有所不同。

2.2 數據質量監測

DQM 主要對收到的GPS 電文進行監測。GBAS 數據處理中心用數據質量監測方法檢查更新的衛星星歷和時鐘信號可用性。

衛星星歷兩小時一更新，前一時間在接收機的范圍內的衛星，DQM 利用新星歷及舊星歷，分別計算衛星方位，通過比較方位信息，對新星歷的可靠性進行檢查。最出現在范圍內的衛星，DQM 利用新星歷，計算出十個小時內的方位，與最新的衛星歷書計算的方位進行對比，判定新星歷的完好性。

2.3 測量質量監測

MQM 對因時鐘信息不正常及設備故障所造成的數據步長突變誤差及其它劇烈變化誤差進行檢查。MQM 由三個監測模塊組成：（1）通過對參考接收機報告的鎖定時間差進行計算，來保證相位一致性；（2）對載波相位測量值的步長、加速度及斜率等參數變化情況進行監測，當其某個參數或某幾個參數超過設定門限時，測量值所對應通道的質量監測不通過；（3）載波平滑的碼相位測量更新值檢測，主要是用于檢查原始偽距值的步長誤差及脈沖誤差。當超過門限的更新值大于等于2時，更新值對應的通道質量監測不通過。

2.4 接收機一致性監測

SQM 監測、DQM 監測以及MQM 監測處理后的信息，進行EXM-I 監測執行。最終數據將用來計算GPS的差分修正值。一致性監測通過計算衛星及對應接收機修正值的一致性參數（即B值），過濾修正誤差超過門限的某一接收機或某一通道。

B值計算：

式中：？漬ca，i，n（0）為通道（m，n）初始相位，Sn為所有接收機集合，Mn（k）為k時刻，衛星n對應的接收機數量。

圖2為MRCC 檢測流程圖。首先，檢測是否擁有可用衛星集合，當不存在可用集合時終止檢測；當存在可用集合時候計算B的和值。通過判定和值與高斯包絡法所計算的門限值的大小，并根據通道情況，判定出四種結果并返回。

圖2 MRCC故障監測流程圖

圖3 EXM-II預篩選

圖3為監測執行流程圖。接收機一致性檢測的結果，經過EXM-II進行監測執行處理。如結果不為0和2，濾除可用衛星集合SC中，B值最大的通道數據，用SC中剩余數據再次計算B值，并重復MRCC監測。

2.5 均值與標準差監測

簡稱？滓？滋監測。一致性監測中計算的B值，作為均值與標準差監測的輸入，使偽距修正誤差分布在標準差為？滓pr_gnd，均值為0的高斯區間，用以檢測真實的偽距修正誤差分布是否存在偏移。

2.6 測信息域范圍測試

簡稱MFRT，是把偽距修正值及修正率，和設定門限對比，用來判斷數據可信度。MFRT是數據處理中心廣播至飛機前的EXM-II 中的最終檢查方式。偽距修正率定義為：

（4）

式中，TS為采樣時間間隔。

3 多系統GBAS 完好性監測執行

SQM、DQM與MQM算法所產生報警標識的故障，由監測執行EXM-I進行分析處理。當三個監測模塊中檢查到誤差和故障，監測執行處理輸出flag=1，反之輸出flag=0。并形成以下兩個矩陣：

和 （5）

矩陣中參數Tmn為數據通道，Dmn為處理結果，0為正常，1為故障，NULL 為未跟蹤到衛星。結果如表1所示，“√”為可用，“×”為故障，“-”為未跟蹤到。

表1

由表1 可知，處理結果為三種狀態：（1）單衛星與單接收機結果為故障；（2）單衛星與若干接收機結果為故障；（3）若干衛星與若干接收機結果為故障。

（1）狀態為測量值為濾除狀態； （2）狀態為該單衛星測量值濾除狀態；（3）狀態為該單接收機測量值濾除狀態； （2）、（3）同時出現為全部衛星和全部接收機測量值濾除狀態。

利用EXM-I處理所得的可用衛星集合SC，使接收機時鐘調節計算過程中使用相同SC集合。SC至少由兩個可用接收機跟蹤的至少四顆衛星組成。如三個接收機所跟蹤的衛星數目少于四顆，則選擇任意兩個接收機組成的最大可用集合。如至少四顆衛星的可用集合不滿足，則刪除所有測量值，重置IMT。

EXM-II主要處理MRCC、？滓？滋和MRFT等監測算法產生的故障及報警信息，濾除存在較大誤差的差分修信息，保障飛機接收導航數據完好性。

圖4 EXM-II預篩流程圖

圖4為EXM-II 監測執行圖，當B值存在故障狀態，從可用集合SC中濾除對應通道，剩余SC數據再次計算B值，并進行MRCC 監測。當EXM-II返回為非0，將轉至EXM-II故障排除。EXM-II循環重復處理最大為4次。當EXM-II返回為0，則執行？滓？滋及MFRT 檢測，如通過，則結束EXM-II，如沒有通過，則重復以上監測流程。如MRCC 返回狀態為0，則結束EXM-II ；反之濾除可用集合，并再次計算B，重復MRCC和EXM-II故障排除流程。

4 結束語

文章對地基增強系統完好性技術及完好性監測的相關內容進行研究分析，解析各系統組成及算法流程。GBAS 在實際運行中存在的大部分誤差及干擾，能有效的進行監測與過濾，時鐘誤差、星歷誤差、信號畸變誤差、多徑效應誤差、差分數據誤差等均得到有效控制，可以達到機場精密進近及著陸引導的各項指標要求。

GBAS 地基增強系統，目前仍為試運行階段，針對系統完好性的各項技術功能，也在不斷完善之中。現有系統中各完好性監測算法部分較為復雜，且不能完全排除干擾信息，有進一步改善空間，后續可繼續進行分析研究。除去地面系統本身完好性技術外，亦可使用配套設施設備及相關技術，提高系統完好性，如抗多徑寬頻帶天線的使用、地基增強系統環境評估技術、多頻點處理技術應用，均能較好提高GBAS 系統完好性。相信在未來幾年內，GBAS 將會得到更為廣泛的應用。