基于北斗的地基增強(qiáng)系統(tǒng)

李平++田曉霞

【摘 要】 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，由于剛剛啟用兩年時(shí)間，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ渫旰眯陨形刺岢雒鞔_要求，2020年將形成覆蓋能力充分利用已有國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施開展北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)，能夠?yàn)閲?guó)家節(jié)約大量資金。為了處理傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)存在的某些問題，如航空運(yùn)輸中的容量、安全以及效率不足等，新航行系統(tǒng)（Future Aero Navigation System，F(xiàn)ANS）提出利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite Systems，GNSS）及其增強(qiáng)系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地面導(dǎo)航設(shè)備，以解決地面設(shè)施對(duì)于航路導(dǎo)航和航路監(jiān)視有限制的缺陷，從而降低航空導(dǎo)航成本、優(yōu)化航路設(shè)計(jì)和提高進(jìn)場(chǎng)路線的靈活性、加強(qiáng)飛機(jī)進(jìn)近以及著陸的安全保障。

【關(guān)鍵詞】 北斗系統(tǒng)；地基增強(qiáng)系統(tǒng)；航空安全

【Abstract】BeiDou ground-based augmentation system， duo to used just the two years， the application of the field of its integrity has not yet posed a clear request. Before 2020， it will develop the covering ability which makes full use of existing national infrastructure to carry out the Beidou GBAS to enhance the construction of the system， and it can save a lot of money for the country .In order to deal with some problems of the traditional Navigation System， such as lack of capacity， safety and efficiency in air transport， such as the new Navigation System （Future Aero Navigation System， the FANS） puts forward using Global Navigation Satellite System （Global Navigation Satellite Systems， GNSS） and its enhanced System instead of the traditional Navigation equipment on the ground，in order to solve the ground facilities for Navigation route and route surveillance limited defects，thereby lowering the cost of aviation Navigation， optimizing the route design and improving the flexibility of approach route， to strengthen the safety of the aircraft landing approach and security. This request based on satellite navigation and positioning services must meet the integrity monitoring contains performance index.

【Key Words】BDS； GBAS； Aviation safety

【中圖分類號(hào)】G64.26 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）15-000-02

1.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 BDS概述

由國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他GNSS系統(tǒng)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)—“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”，采用的地面參考站間距為50-300米，通過地面通信數(shù)據(jù)鏈播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)修正量及輔助定位信號(hào)，提供厘米級(jí)至米級(jí)的精密導(dǎo)航定位服務(wù)于航空用戶。

“北斗一號(hào)”由三個(gè)部分構(gòu)成，即空間段、控制段、用戶段。每部分負(fù)責(zé)著各自重要的任務(wù)。（1）空間段執(zhí)行地面控制中心與用戶端之間的雙向無線電信號(hào)的中繼任務(wù)；（2）地面控制段負(fù)責(zé)的發(fā)送、接收無線電信號(hào)及監(jiān)控管理整個(gè)系統(tǒng)；（3）用戶段是航空用戶使用的設(shè)備，主要用于接收地面控制中心經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)出的測(cè)距信號(hào)。

中國(guó)于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，先后發(fā)射了3顆“北斗”靜止軌道試驗(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星，建成“北斗一號(hào)”——具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。2007年2月3日和4月14日成功發(fā)射的2顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，如今已按原計(jì)劃進(jìn)入正常工作模式。

2004年，BDS建設(shè)工作開始啟動(dòng)；2011年12月27日，BDS試運(yùn)行；2012年12月27日，BDS正式運(yùn)行，并發(fā)布了正式版的北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（ICD）；截止2014年12月31日，BDS正式運(yùn)行，發(fā)布了北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（ICD）正式版；2015年3月30日，第一代BDS衛(wèi)星發(fā)射成功。

1.2 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

2014年3月，中國(guó)著手全力建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。計(jì)劃在中國(guó)境內(nèi)建設(shè)150個(gè)基站，目前已經(jīng)基本完成基本系統(tǒng)建設(shè)，并完成了增強(qiáng)型高精度北斗手機(jī)的研制，和增強(qiáng)型北斗車載終端的研制。

目前已經(jīng)開始在杭州、上海、北京、武漢等地進(jìn)行試驗(yàn)。初步結(jié)果表明，通過北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，在基本不增加設(shè)備成本的前提下，可以實(shí)現(xiàn)米級(jí)、厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)定位，為高精度北斗產(chǎn)品的大規(guī)?；茝V應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的了基礎(chǔ)。

2.地基增強(qiáng)系統(tǒng)

2.1 GBAS基本組成

地基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground Based Augmentation System，GBAS）主要是指安裝于機(jī)場(chǎng)的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)，用于增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性信息，以及提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，可以為用戶提供24小時(shí)高精度的位置、時(shí)間和速度信息，可以引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)行精密進(jìn)近和著陸，形成衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)（GLS），GLS的明顯優(yōu)勢(shì)就是使飛機(jī)平滑著陸，而目前的儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）很難滿足這一要求。因此，在不久的將來GBAS甚至可以代替ILS。

GBAS由三部分組成：導(dǎo)航衛(wèi)星子系統(tǒng)、機(jī)載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)。

①衛(wèi)星子系統(tǒng)：用于測(cè)距信號(hào)，然后發(fā)送給地面子系統(tǒng)和機(jī)載子系統(tǒng)。

②地面子系統(tǒng)：指固定在地面的參考接收機(jī)（通常2-4個(gè)），包括地面信息處理設(shè)備和VDB設(shè)備地面接收機(jī)。

③機(jī)載子系統(tǒng)：飛機(jī)用戶上的接收處理機(jī)、GBAS信號(hào)接收處理機(jī)等設(shè)備。（得到飛機(jī)自身的精確位置）

2.2 GBAS與ILS比較所具有的優(yōu)勢(shì)

（1）對(duì)于GBAS系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)場(chǎng)只需要一套設(shè)備即可，該系統(tǒng)包括4個(gè)基準(zhǔn)接收機(jī)，1個(gè)處理中心和1套VDB電臺(tái)；而ILS系統(tǒng)比較復(fù)雜，它的每條跑道都要安裝航向臺(tái)、下滑臺(tái)和指點(diǎn)標(biāo)臺(tái)。由此可見，GBAS大大減輕了工程量，并縮小了資金的投入，更有利于后期運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)維護(hù)。

（2）GBAS系統(tǒng)可以采用直線進(jìn)近、區(qū)間進(jìn)近、角度進(jìn)近、平行進(jìn)近和曲線進(jìn)近等多種進(jìn)近方式，而ILS只能采用單一的直線進(jìn)近方式，GBAS大大提高了終端空域飛行路線的靈活性，可以避開噪音敏感區(qū)或是障礙物或是擁擠空域，從而優(yōu)化進(jìn)近路線。同時(shí)由于增大了精密進(jìn)近覆蓋的范圍，從而避免了事故和傷害的發(fā)生。

（3）在飛機(jī)滑行過程中，GBAS可以提供全天候24小時(shí)的引導(dǎo)與監(jiān)視服務(wù)；而ILS只能在飛行著陸過程中提供引導(dǎo)。

綜合上述三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，GBAS可以提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率，采用先進(jìn)的飛行程序在航線設(shè)計(jì)上提高機(jī)場(chǎng)和終端區(qū)的容量，并降低進(jìn)近和著陸引導(dǎo)設(shè)備的成本，減輕了空中交通管制員的負(fù)擔(dān)。

2.3地基增強(qiáng)系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)

平滑濾波技術(shù)：利用實(shí)時(shí)高精度載波相位消除電離層和對(duì)流層等對(duì)平滑濾波的影響，同時(shí)降低觀測(cè)噪聲；誤差包絡(luò)技術(shù)即保護(hù)級(jí)完好性監(jiān)測(cè)：根據(jù)實(shí)際觀測(cè)值計(jì)算誤差標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值和放大因子，即計(jì)算保護(hù)級(jí)，形成誤差包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)完好性保護(hù)；故障檢測(cè)技術(shù)即故障完好性監(jiān)測(cè)：針對(duì)每種故障場(chǎng)景建立故障模型，再根據(jù)故障模型設(shè)定門限值進(jìn)行故障的檢測(cè)，排除錯(cuò)誤的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

3.結(jié)論

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，應(yīng)涵蓋兩方面的內(nèi)容：一是提高北斗定位和授時(shí)精度，擴(kuò)大北斗的應(yīng)用領(lǐng)域，二是提高北斗系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)的完好性，使北斗導(dǎo)航成為經(jīng)濟(jì)、生活攸關(guān)領(lǐng)域的主導(dǎo)航定位或授時(shí)手段。由于北斗系統(tǒng)剛剛啟用兩年時(shí)間，各應(yīng)用領(lǐng)域尚未對(duì)完好性提出具體要求。今后，隨著北斗應(yīng)用的進(jìn)一步深入，對(duì)北斗完好性要求會(huì)逐漸明確，或者說，完好性問題將成為北斗系統(tǒng)應(yīng)用中不可回避的問題。

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