基于MHSS算法的ARAIM完好性和可用性預測

呂宗平，倪育德，陳君，劉瑞華，朱金芳

1.中國民航大學 國家空管運行安全技術重點實驗室，天津 300300 2.中國民航大學 電子信息和自動化學院，天津 300300 3.天津764通信導航技術有限公司，天津 300210

基于MHSS算法的ARAIM完好性和可用性預測

呂宗平1，倪育德2，*，陳君2，劉瑞華2，朱金芳3

1.中國民航大學 國家空管運行安全技術重點實驗室，天津 300300 2.中國民航大學 電子信息和自動化學院，天津 300300 3.天津764通信導航技術有限公司，天津 300210

傳統的接收機自主完好性監視只能提供非精密進近階段的完好性監視，無法實現對完好性要求更加嚴格的飛行階段的監視，而高級接收機自主完好性監視(Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring，ARAIM)可以在精密進近階段為飛機提供滿足航向信標性能垂直引導(Localizer Performance with Vertical guidance，LPV)的完好性監視服務。文章基于多假設分組解算法，根據目前的星座環境，結合民航不同飛行階段的應用需求，對ARAIM算法進行仿真研究。針對水平保護級(Horizontal Protection Level，HPL)和垂直保護級(Vertical Protection Level，VPL)的指標，在不同星座組合環境下，選取南北半球不同經緯度的5個觀測機場，分別仿真了HPL和VPL的變化情況，并對全球HPL和VPL平均分布趨勢，以及以99%的概率滿足LPV-200進近可用性指標時，ARAIM可用性的全球覆蓋率進行了仿真預測分析。仿真結果表明，不論是全球定位系統和格洛納斯雙星座還是增加北斗衛星導航系統后的三星座，5個觀測機場的HPL和VPL均能滿足LPV-200進近對完好性指標的要求；但在全球范圍內，雙星座條件下，ARAIM并不能完全支持LPV-200進近對完好性監視的要求，而三星座則可大大提高ARAIM的可用性，為民航用戶提供滿足精密進近的所需導航服務性能。

高級接收機;自主完好性監視；多假設分組解；LPV-200；全球定位系統；格洛納斯；北斗衛星導航系統

經典的接收機自主完好性監視(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)算法大多是基于全球定位系統(Global Positioning System，GPS)單星座單頻信號及單星故障假設而進行的，其完好性監視結果僅可以支持民用航空航路、終端區和非精密進近飛行對完好性的要求1]。隨著全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)的發展，GNSS發展結構研究小組2008年提出了高級接收機自主完好性監視(Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring，ARAIM)的概念。與RAIM只能提供水平完好性監視相比，ARAIM則可支持具有垂直引導滿足航向信標性能(Localizer Performance with Vertical guidance，LPV)的進近對完好性監視的要求，最多可以支持將飛機以規定的所需導航性能(Required Navigation Performance，RNP)引導至距地面200英尺(60 m)高度的LPV，即LPV-2002]。

目前ARAIM的研究仿真大多基于全球定位系統(Global Positioning System，GPS)和格洛納斯(Global Orbiting Navigation Satellite System，GLONASS)星座，并沒有考慮到中國自主研發并已經可以在亞太地區提供服務的北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)，本文主要結合現有的衛星星座環境，驗證了ARAIM算法是否能夠提供滿足民用航空非精密進近飛行階段的高安全等級的導航性能需求。

1 ARAIM導航要求

1.1 LPV-200性能要求

GNSS發展結構研究小組(GNSS Evolutionary Architecture Study，GEAS)在其第二階段報告中對LPV-200的性能要求是：

1)在99.999 99%時間內，垂直保護級(Vertical Protection Level，VPL)和水平保護級(Horizontal Protection Level，HPL)應分別小于35 m和40 m；

2)告警時間(TTA)=6 s；

3)總虛警率Pfa≤4×10-6/(15 s)；

4)在95%時間內垂直方向的定位精度小于4 m3]。

1.2 完好性支持信息

GEAS小組的第二階段報告建議在ARAIM算法中使用完好性支持信息(Integrity Support Message，ISM)。ISM為ARAIM提供地面支持，且反映了GNSS星座性能的改善4]。ISM主要包括：

1)用戶測距誤差(User Range Error，URE)：用來計算精度和連續性的標稱誤差高斯分布的標準差。

2)用戶測距精度(User Range Accuracy，URA)：用來計算完好性的標稱誤差高斯分布的標準差，通常取URE的2倍。

3)衛星故障率Psat，星座故障率Pconst。

4)連續性偏差(bnom)：估計精度和連續性的標準狀況下典型偏差大小。

5)完好性偏差(bmax)：用于無故障條件下完好性評估的最大偏差。

6)FLAG信息：表明ISM信息中是否含有以上5種信息。

2 ARAIM用戶算法

與RAIM算法流程不同，ARAIM直接根據具體飛行階段對導航系統完好性的要求來計算保護限值，即通過保證危險誤導信息概率(Probabily of Hazardously Misleading Information，PHMI)來滿足某一飛行階段的完好性要求5-6]。ARAIM的算法主要包括新穎的完好性優化算法、最優加權平均解算法和基于多假設分組解(Multiple Hypothesis Solution Separation，MHSS)的ARAIM算法，其中MHSS算法因更容易實現ARAIM的性能而得到GEAS工作小組的推薦。

基于MHSS的ARAIM算法，通過擴展傳統分組解法和使用多種假設法對完好性風險進行評估，考慮到在多個獨立和相關衛星故障條件下多衛星星座的偽距測量值，通過最優分配連續性和完好性風險來計算水平和垂直保護級，在算法上更加嚴格和靈活。PHMI的具體分配如圖1所示。

圖1 ARAIM算法的PHMI分配Fig.1 PHMI distribution of ARAIM algorithm

2.1 MHSS算法的實現

根據衛星導航定位解算原理，可得線性化觀測方程為:

(1)

式中：y為觀測偽距與線性化偽距預測值之間的差值；G為觀測矩陣，由接收機與衛星間方向余弦及接收機鐘差相關系數組成；x表示接收機三維位置及時鐘與標稱值的偏差；ε為測量誤差矢量，假定各分量服從零均值的高斯分布。多星座下ARAIM算法需考慮將觀測量建立在統一的時空坐標基準下，不同系統之間的鐘差分別進行估計7]。

(2)

(3)

因此，第k顆衛星的檢驗統計量為:

(4)

檢測門限為:

(5)

有效監視門限(EffectiveMonitoringThreshold，EMT)為:

(6)

假定總的誤警概率Pfa平均分配給n顆可見星，則

(7)

式中：Q-1為標準正態累積分布函數的逆函數。

對比檢驗統計量和檢測門限，若dk>Dk，則存在衛星故障。

2.2 垂直保護級的解算

垂直保護級(VPL)定義為

(8)

式中：VPL0為假定全部可視衛星無故障(正常情況)時的VPL值，其值為:

(9)

(10)

式中：PHMI0為無衛星故障情況下的危險誤導信息概率。

而VPLk為假設第k顆衛星發生故障情況下，排除第k顆衛星后其余可見星對應的VPL值，其值為:

(11)

(12)

PHMI0和PHMIk滿足：

(13)

2.3 水平保護級的解算

(14)

(15)

想要計算HPL，首先要計算HPLq(q=1和2)，HPLq是以下方程的解：

3 ARAIM完好性和可用性仿真

3.1ARAIM的可用性

如果以下3個條件都得到滿足，就稱ARAIM為可用的：

1)VPL

2)EMT=max{Dk}≤15m；

3)95%垂直精度≤4m。

其中，Dk表示垂直定位誤差的檢測閾值。ARAIM可用性的最大化可以通過最小化VPL來實現，即VPL值越小，ARAIM的可用性越大10-11]。

3.2 仿真和分析

衛星星歷采取http：∥celestrak.com/網站上下載的兩行軌道數據，包括正在運行的31顆GPS衛星、29顆GLONASS衛星和14顆BDS衛星。衛星截止高度角設為5°。ISM參數根據GEAS第二階段報告設置如表1所示。

表1 ISM參數設置

在全球范圍內分別選取倫敦希思羅國際機場(LHR)、美國亞特蘭大國際機場(ATL)、北京首都國際機場(PEK)、約翰內斯堡坦博國際機場(JNB)和悉尼國際機場(SYD)作為觀測點，其坐標見表2。通過MATLAB軟件仿真，分別得到了GPS+GLONASS雙星座(以下簡稱雙星座)和GPS+GLONASS+BDS三星座(以下簡稱三星座)環境下，各觀測點可見星數目以及HPL和VPL隨時間變化的曲線，分別如表2、圖2～圖6所示。仿真開始時間為2016年3月10日0時，仿真時間為24h，采樣間隔為60s。

表2 各觀測點位置信息和可見星數

圖2 LHR 24 h內不同星座組合下HPL和VPL值變化Fig.2 HPL and VPL value under different combinations of constellation within 24 hours in LHR

圖3 ATL 24 h內不同星座組合下HPL和VPL值變化Fig.3 HPL and VPL value under different combinations of constellation within 24 hours in ATL

圖4 PEK 24 h內不同星座組合下HPL和VPL值變化Fig.4 HPL and VPL value under different combinations of constellation within 24 hours in PEK

圖5 JNB 24 h內不同星座組合下HPL和VPL值變化Fig.5 HPL and VPL value under different combinations of constellation within 24 hours in JNB

圖6 SYD 24 h內不同星座組合下HPL和VPL值變化Fig.6 HPL and VPL value under different combinations of constellation within 24 hours in SYD

從表2可以看出，隨著星座數目的增加，各觀測點的可見星數都有不同程度的增加，由圖2～圖6可以看出，由于多星座組合大大增加了可見星數，從而優化了衛星和用戶間的幾何結構，定位精度得到很大增強，5個觀測點在雙星座條件下，HPL和VPL值均能達到LPV-200的完好性要求，可提供達到性能標準的完好性監視服務。在三星座環境下，隨著BDS星座的加入，5個觀測點的HPL和VPL都有不同程度的減小，其中圖4所示的北京首都國際機場和圖6所示的悉尼國際機場，其HPL和VPL都呈現出明顯的減小趨勢。這是因為增加的BDS星座目前的服務范圍主要是亞太地區，該星座增強了PEK和SYD機場的可見星數，改善了HPL和VPL的值。而另外3個觀測點LHR、ATL和JNB機場，HPL和VPL值均在BDS衛星覆蓋時間內呈現不同程度的減小。說明BDS系統能夠對目前覆蓋區域提供有效的導航服務，進一步提高導航定位精度，改善性能指標，與其他星座組合提供更強的完好性保障。

為了更直觀和全面觀測全球范圍內不同星座組合下ARAIM的可用性分布，按5°×5°對全球進行網格劃分，通過MATLAB仿真分別得到雙星座和三星座條件下，HPL和VPL的全球平均分布趨勢，以及ARAIM滿足99%時的可用性的全球覆蓋，如圖7～圖9所示。仿真開始時間為2016年3月10日0時，仿真時間為24h，采樣間隔為60s。

圖7 不同星座組合下全球范圍內HPL值平均分布Fig.7 HPL value distribution on average across the globe under different combinations of constellation

圖8 不同星座組合下全球范圍內VPL值平均分布Fig.8 VPL value distribution on average across the globe under different combinations of constellation

圖9 全球范圍ARAIM可用性覆蓋平均分布Fig.9 ARAIM availability distribution on average across the globe

由圖7～圖9可以看出，在GPS+GLONASS雙星座環境下，并不能在全球范圍內提供支持LPV-200的完好性監視，而GPS+GLONASS+BDS三星座組合則可大大減小BDS覆蓋區內的HPL和VPL，提高ARAIM的可用性，提供滿足更高性能指標要求的導航服務。從圖9可以得出，三星座環境下ARAIM的可用性可以獲得在全球范圍內99.79%的覆蓋率，比雙星座條件下的可用性覆蓋率提高6%以上。盡管仿真得到三星座條件下ARAIM可用性覆蓋率只達到了99.79%，但是從圖7和圖8中可以看出，三星座條件下全球范圍內絕大部分區域HPL值小于40m，VPL的值小于3m，可以滿足飛機進近垂直引導所需導航性能。

4 結束語

本文詳細闡述了基于MHSS的ARAIM算法，并結合ARAIM算法在民航精密進近中的應用，分別仿真分析了單點和全球范圍內，GPS+GLONASS雙星座和GPS+GLONASS+BDS三星座環境下的ARAIM的完好性和可用性。仿真結果表明了在多星座組合條件下，在全球絕大部分范圍內，ARAIM能提供滿足LPV-200進近所要求的完好性監視，且能以99.79%的覆蓋率提供相應的可用性。

References)

[1] 劉瑞華，趙慶田，呂小平，等. “北斗區域導航系統”非精密進近導航性能分析J]. 中國空間科學技術，2015，35(4)：53-59，83.

LIU R H，ZHAO Q T，LYU X P，et al.Performance analysis for BeiDou regional navigation satellite system of NPAJ]. Chinese Space Science and Technology，2015，35(4)：53-59，83(in Chinese).

[2] 郭靖，崔曉偉，陸明泉. 支持垂直引導進近的多星座RAIM算法J]. 清華大學學報(自然科學版)，2011,51(2)：156-160.

GUO J，CUI X W，LU M Q. Multi-constellation RAIM for approach with vertical guidanceJ]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology)，2011，51(2)：156-160(in Chinese).

[3] MILNER CARL，OCHIENG WASHINGTON. ARAIM for LPV-200：the ideal protection levelJ]. Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation，2010，23(6)：3191-3198.

[4] FAA GEAS Panel.Phase II of the GNSS Evolutionary Architecture StudyR].Washington,February，2010.

[5] RIPPL MARKUS，SPLETTER ALEXANDRU，GUNTHER CHRISTOPH. Parametric performance study of advanced receiver autonomous integrity monitoring(ARAIM) for combined GNSS constellationsJ]. Proceedings of the International Technical Meeting of the Institute of Navigation，2001，34(6)：285-295.

[6] KROPP VICTORIA，EISSFELLER BEND，BERZ GERHARD. Optimized MHSS ARAIM user algorithms：assumptions，protection level calculation and availability analysisC].Position，Location and Navigation Symposium-PLANS 2014,Monterey CA，May,2014:308-323.

[7] 劉瑞華，鄧明智，蔚保國，等. 基于北斗的機載終端完好性算法仿真研究J]. 中國空間科學技術，2016，36(2)：20-27.

LIU R H，DENG M Z，YU B G，et al. Simulation and research on RAIM algorithm built-incivilaviation airborne receiver based on BeiDou satellite systemsJ]. Chinese Space Science and Technology，2016，36(2)：20-27(in Chinese).

[8] 朱金芳. 高級接收機自主完好性監視研究D].天津：中國民航大學，2013：30-32.

ZHU J F. Research of advanced receiver autonomous integrity monitoringD]. Tianjin：Civil Aviation University of China，2013：30-32.

[9] 蔣虎，袁運斌，王海濤，等. 精密進近階段的多系統GNSS組合RAIM可用性算法及分析J]. 中國空間科學技術，2016，36(3)：32-40.

JIANG H，YUAN Y B，WANG H T，et al. Multi-GNSS RAIM availability algorithms and analysis for precise approachJ] Chinese Space Science and Technology，2016，36(3)：32-40(in Chinese).

[10] BLANCH JUAN，WALTER TODD，ENGE PER. Advanced RAIM user algorithm description：integrity support message processing，fault detection，exclusion，and protection level calculationC]. The 25th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation，Nashville TN，September，2012：2828-2849.

[11] WU YUN，WANG JINLING，JIANG YIPING. Advanced receiver autonomous integrity monitoring (ARAIM) schemes with GNSS time offsetsJ]. Advances in Space Research，2013，52(1)：52-61.

(編輯：車曉玲)

Prediction of ARAIM integrity and availability based on MHSS algorithm

LYU Zongping1，NI Yude2，*，CHEN Jun2，LIU Ruihua2，ZHU Jinfang3

1.NationalKeyLaboratoryofAirTrafficOperationSafetyTechnology，CivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China2.CollegeofElectronic&InformationandAutomation，CivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China3.Tianjin764CommunicationNavigationTechnologyCo.Ltd.，Tianjin300210，China

As the traditional receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) merely provides non-precision approach integrity monitoring，a stricter monitoring service won′t be available by RAIM. However，advanced receiver autonomous integrity monitoring (ARAIM)，which supports localizer performance with vertical guidance，can meet the requirements of integrity monitoring within precision approach. Based on multiple hypothesis solution separation (MHSS) algorithm and different constellation situation，the solution process of horizontal protection level (HPL) and vertical protection level (VPL) for ARAIM was expounded. Five observation airports located at different longitudes and latitudes in the north and south hemispheres were selected to simulate the changes of the HPL and VPL under different combination of constellation systems as well as the average distribution trend of the HPL and VPL around the world and global coverage ratio of the ARAIM availability，which met the availability requirements of the LPV-200 approach with 99% probability. The simulation results show that the HPL and VPL of that five observation airports can meet the integrity requirements of the LPV-200 approach for both the GPS & GLONASS dual-constellation and the GPS & GLONASS & BDS tri-constellation，however，ARAIM can not fully support the requirements of integrity monitoring for the LPV-200 approach worldwide under the condition of the GPS & GLONASS dual-constellation，whereas the availability and navigation service performances of the ARAIM can be greatly improved when GPS & GLONASS & BDS tri-constellation is used.

advanced receiver;autonomous integrity monitoring；multiple hypothesis solution separation；localizer performance with vertical guidance-200；Global Positioning System；Global Orbiting Navigation Satellite System；BeiDou Navigation Satellite System

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0012

2016-05-18；

2016-08-31；錄用日期：2016-11-24；

時間：2016-12-16 11:29:21

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161216.1129.011.html

國家空管委基金“ADS-B系統自主式防欺騙關鍵技術研究”(GKG201410004)；民航安全能力建設“北斗機載設備技術標準規定與應用研究”(AADSA0007)；中央高校基本科研業務費中國民航大學專項“基于北斗的通用航空指揮監控系統”(ZXH2011C013)

呂宗平(1964-)，男，副研究員，zplv_cauc@sina.com，研究方向為空管運行安全技術

*通訊作者：倪育德(1963-)，男，教授，yudeni_cauc@sina.com，研究方向為無線電導航與監視

呂宗平，倪育德，陳君，等.基于MHSS算法的ARAIM完好性和可用性預測J].中國空間科學技術，2017， 37(1)：41-48.LYUZP，NIYD，CHENJ，etal.PredictionofARAIMintegrityandavailabilitybasedonMHSSalgorithmJ].2017，37(1)：41-48(inChinese).

TN967.1

A

http:∥zgkj.cast.cn