GBAS應用于民用航空的研究

任杰 任嵩

摘 要：北斗地基增強系統（GBAS），作為我國自行研發的導航系統，系統的完好性問題始終是應用中不可回避的問題。文章在研究北斗地基增強系統完好性及其相關理論知識的基礎上，結合民航中實際出現的問題，將抽象的理論知識用計算與相關流程直觀地表示出來。充分研究系統完好性理論，為今后提高民航導航系統安全和所需導航性能做了鋪墊。

關鍵詞：北斗地基增強系統；完好性；所需性能導航

中圖分類號：TN967.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0063-04

Abstract： The Beidou Ground-Based Augmentation System （GBAS）， as a navigation system developed by China itself， has always been an unavoidable problem in application. Based on the study of the integrity of the Beidou Foundation Enhancement System and its related theoretical knowledge， this paper combines the actual problems in civil aviation and visualizes the abstract theoretical knowledge using calculation and related processes. The theory of system integrity is fully studied， which will provide a basis for improving the safety and navigation performance of civil aviation navigation systems in the future.

Keywords： Beidou Ground-Based Augmentation System （GBAS）； system integrity； required performance navigation

引言

民用航空導航在定位時只能使用GPS定位，很難滿足精度、完好性、連續性、可用性等所需導航性能要求，因此出現了各種增強系統，其中就有以廣域增強系統（WAAS）為代表的星基增強系統（SBAS）和以局域增強系統（LAAS）為代表的地基增強系統[2]（GBAS）。我國則出現了北斗增強系統。北斗增強系統主要包括國家范圍的增強系統以及省級范圍的增強系統。它們都是以差分技術為主要方式來提高精度的[1]。北斗國家增強系統一般采用廣域差分技術和精密單點定位技術；北斗省級增強系統一般采用厘米級的實時網絡RTK技術和分泌級的網絡差分技術[3]。星基增強系統（SBAS）能滿足CI類精密進近的要求，但是對于具有更大難度，更高導航性能要求的CII和CIII類精密進近，則需要采用地基增強系統（Ground Based Augmentation System，GBAS）。

圖1 地基增強系統構成圖

GBAS基本結構如圖1所示。由于GBAS能夠取代傳統的微波著陸系統（MLS）和儀表著陸系統（ILS），提供更為經濟的導航服務，因此GBAS在近年來一直是衛星導航領域研究的一大熱點。首先，GBAS減小了空中管制人員的工作壓力，是通過減少通信和雷達引導實現的；其次，縮短飛行所用時間以及距離，從而節省燃料和減少運行成本；最后，因為GBAS能夠在終端區提供高可靠性的定位精度，還可以提高完好性信息，航空用戶能按照已經預定的航線飛行，這些預定航線能夠盡量規避城市的上空，從而減小航空器飛行噪聲對周邊城市居民的影響。

1 北斗地基增強系統（GBAS）

由國家統一規劃建設的以北斗衛星導航系統為主，兼容其他GNSS系統的地基增強系統——“北斗地基增強系統”，采用的地面參考站間距為50-300米，通過地面通信數據鏈播發導航信號修正量及輔助定位信號，提供厘米級至米級的精密導航定位服務于航空用戶[4]。

主要是指安裝于機場的GNSS增強系統，用于增強衛星導航系統的完好性信息，以及提高導航系統的定位精度。GNSS是一種基于衛星的無線電導航系統，可以為用戶提供24小時高精度的位置、時間和速度信息。地基增強系統可以引導飛機進行精密進近和著陸，形成衛星導航著陸系統（GLS），GLS的明顯優勢就是使飛機平滑著陸，而目前的儀表著陸系統（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。

1.1 定位方程

北斗系統提供兩種測量方式給用戶：一種是偽距測量方式。偽距（PR）指的是由于衛星鐘、接收機鐘的誤差以及無線電信號經過大氣層（電離層和對流層）的延遲，實際測量出的距離與衛星到接收機由星歷確定的幾何距離R存在誤差，因此稱測量出的距離？籽為偽距（？籽偽距=R+△？籽）。偽距值是傳播時間和光速的乘積，也就是說，所測量的衛星到用戶的距離，是通過記錄衛星信號傳播到用戶所經歷的那段時間，再乘以光速所得（？籽偽距=C·△t）。另一種為載波相位測量，嚴格來說，載波相位應該被稱為載波拍頻相位，它是收到的衛星信號載波相位與接收機本機震蕩產生信號相位的差值。接收機連續地跟蹤載波，當以上未知整數部分（稱為整周模糊度）和差值部分（小數部分）相加就是衛星到用戶的載波相位測量距離。各種誤差的存在嚴重影響到了偽距測量和載波相位測量，使得航空用戶的定位精度降低[4]。

1.2 北斗系統用于精密進近的導航性能需求

在飛機飛行過程中，精密進近是該過程中最為關鍵的階段。表1對精密進近的三個階段進行了描述：CATI、CATII和CATIII。精密進近三個階段的所需導航性能（Required Navigation Performance，RNP）。飛行員或飛機必須在決斷高度處做出是繼續或是中斷著陸的重要決定，這取決于在相應決斷高度上的跑道視程（RVR）。由于北斗系統的定位精度在水平方向要比垂直方向高，也就使得垂直方向的完好性相對更加難以滿足，因此，我們主要以垂直保護級為研究對象[5]。

為了增加飛機在飛行過程中的安全性，飛機的導航系統必須在其定位誤差超過某一邊界時發出報警，我們稱這一邊界為告警極限，相應的，水平方向稱為水平告警極限（Horizontal Alert Limit， HAL），垂直方向稱為垂直告警極限（Vertical Alert Limit，VAL），左右方向稱為橫向告警極限（Lateral Alert Limit，LAL）。保護級是指的誤差范圍，導航系統的誤差要控制在這個范圍內。水平方向稱為水平保護級（ Horizontal Protect Level，HPL），垂直方向稱為垂直保護級（Vertical Protect Level，VPL），左右方向稱為橫向保護級（Lateral Protect Level，LPL）。導航系統的定位精度決定它的保護級，定位精度越高，誤差越小，則系統的保護級也就越小，由于保護級必須要小于告警極限，因此系統的可用性也就越高。

1.3 完好性概念

完好性是指在系統因故障不能被用作導航定位時[6]，及時向用戶發出報警的能力。完好性是保證用戶安全性的重要參數，是用戶對導航系統所提供信息的可信程度的一種度量。北斗地基增強系統的完好性監測技術基礎：

平滑濾波技術：利用實時高精度載波相位消除電離層和對流層等對平滑濾波的影響，同時降低觀測噪聲。

誤差包絡技術：根據實際觀測值計算誤差標準差的估計值和放大因子，即計算保護級，形成誤差包絡，實現完好性保護。（即保護級完好性監測）

故障檢測技術：針對每種故障場景建立故障模型，再根據故障模型設定門限值進行故障的檢測，排除錯誤的衛星數據。（即故障完好性監測）

2 基于民用航空的計算模型

GBAS完好性計算：

我們已經知道，只有當保護級小于告警極限時，才認為系統是正常的并可以用于導航[7]。對于地基增強系統而言，它最重要的作用是能夠減少定位誤差，并實時地提供定位誤差的邊界，稱這些邊界為保護級，我們只研究VPL和LPL。即垂直方向的定位誤差的邊界稱為垂直保護級（VPL），左右方向的定位誤差的邊界稱為橫向保護級（LPL）。

VPL=MAX{VPLH0，VPLH1}

LPL=MAX{LPLH0，LPLH1}

在GBAS系統中，參考接收機的工作狀態會影響用戶接收機的定位誤差，雖然參考接收機產生故障的概率很小，但在飛機精密進近與著陸這種特殊情況下，還是必須要考慮到這類可能。因此，在用戶接收機對VPL和LPL進行計算時，作如下假設：

（1）假設：為正常測量情況，即所有的參考接收機和測距源都能正常工作，得到

垂直保護級和橫向保護級的定義式為

結合偽距測量誤差公式

Kffmd-由誤警率和接收機的數目確定的已知系數

其中：Mffmd=MAX{m[i]}

m[i]-地面參考接收機的數量，該接收機是用來測量第i顆衛星和第j個接收機差分修正的偽距的。

s_verti=sv，i+sx，i×tan（GPA）

s_lati=Sy，i

sx，i-由第i顆衛星的偽距誤差推導出的x方向的定位誤差分量；

sy，i-由第i顆衛星的偽距誤差推導出的y方向定位誤差分量；

sv，i-由第i顆衛星的偽距誤差推導出的z方向定位誤差分量；

GPA-最終進近航路的下滑角；

N-用于定位的衛星的數量；

i-第i個用于定位的衛星；

加權的最小二乘投影矩陣S定義為

（2）H1假設：H1為故障測量情況，即假設地面參考接收機只能一個出現故障時，得到

Bi，j-所有接收機測量第i顆衛星的偽距修正值的平均值，與除了第j個接收機外的其余接收機測量第i顆衛星的偽距修正值之間的平均值的差值，正常范圍是-0.5到+0.5。

Kmd-由誤警率和接收機數量在參考接收機有故障時確定的已知系數

3 完好性的仿真

要判斷GBAS是否存在完好性風險，主要通過定性地分析保護級，若保護級能夠將定位誤差控制在它的范圍內，即保護級小于告警極限時，就說此時計算的保護級是可信的，然后，就能判斷系統的完好性以及可用性。

北斗系統至少需要四顆衛星才能完成對用戶位置和接收機時鐘偏差的估計，這種要求便很容易滿足的：通常北斗系統能夠提供6至8顆可見衛星。但是對于應用到飛機的精密進近和著陸過程，則對定位精度的要求更加嚴格：CATI的垂直定位精度極限（VAL）為10米，CATII與CATIII的VAL都為5.3米。因此，北斗系統的可用性基于如下假設：可用的導航服務可以大致地等效為滿足某一門限要求的北斗系統的定位精度。所以，如果要使北斗系統在飛機精密進近的導航系統中可用，須滿足：

VPL

如果采用12顆衛星進行的完好性問題的仿真試驗。采樣數據是時間長度為50個小時所有可見衛星的數量，并且這些衛星的俯仰角大于5度（包括每個衛星的方位角和俯仰角）。

由圖3試驗中可知，北斗衛星星座中參與計算的衛星個數最多為12顆，最少為5顆，因此，滿足至少4顆衛星才能定位的要求。

3.1 衛星及參考接收機均無故障時的仿真試驗

假設12顆衛星均無故障，參考接收機也無故障。在這種情況下北斗衛星50個小時的仿真曲線圖如下圖4：

圖4所示的VPL值，結合可見衛星數（圖3）分析得出：在衛星以及參考接收機均無故障的條件下，北斗系統滿足CATI精密進近和著陸（即VPL<10米），不滿足CATII和CATIII（即VPL<5.3米）。將采樣數據與仿真圖比較又可以看出：可見衛星數量越多，VPL值越小，相反，可見衛星數量越少，VPL值越大，如當衛星個數均可見即12顆可見衛星時，VPL值最小，說明此時的垂直定位精度相對較高，測量誤差小；另外即使相同數目的衛星，VPL值也未必相同，因此，還和衛星的幾何分布有關系。

3.2 有一個參考接收機出現故障時的仿真試驗

假設12顆衛星均無故障，地面參考接收機一個出現故障。在這種情況下北斗衛星50個小時的仿真曲線圖如下。由圖可知，在衛星無故障，有且僅有一個地面參考接收機出現故障的條件下，北斗系統不滿足CATI精密進近和著陸。將采樣數據與仿真圖比較又可以看出：可見衛星數量越多，VPL值越小，相反，可見衛星數量越少，VPL值越大；即使相同數目的可見衛星，VPL值也未必相同，因此，還和衛星的幾何分布有關系。

3.3 結果分析

（1）在衛星和參考接收機均無故障時，系統滿足CATI精密進近（VPL

（2）VPL值與可見衛星的數量有關系。可見衛星數量越多，定位精度越高，誤差越小，VPL值也就越小；相反，可見衛星數量越少，定位精度越低，誤差相對較大，VPL值也就越大。

（3）VPL值與可見衛星的幾何分布有關系。當可見衛星數量相同時，VPL值也有可能會不同。

4 結束語

本論文以北斗地基增強系統完好性監測關鍵技術為主要研究目的，以完好性監測技術為核心進行介紹。通過對GBAS完好性的詳細講解，研究了以VPL為指標的算法。最后對當前北斗衛星在不同情況下進行了仿真及結論分析。以上仿真對于我國把北斗系統應用于飛機的精密進近和著陸具有相當高的參考價值和現實意義。

參考文獻：

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[4]尹為松，魏永，章兵，等.北斗地基增強系統在電力地理信息數據采集中的應用[J].中州煤炭，2016（912）：147-151.

[5]魏紅波.組合精密進近著陸技術研究[J].2017（1）：5-88.

[6]孫曉婷，北斗SMR車道級應用地基增強系統及關鍵技術研究[D].山東：山東大學，2016.

[7]劉天恒，陳明劍，等.北斗地基增強系統數據通信綜述[J].全球定位系統，2017，42（01）：66-72.