航空高精度高可用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量診斷軟件

龐晗 楊懿松 徐丁海 蔣興城

摘要：目前業(yè)界對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的專業(yè)化測(cè)試方法的研究處在不斷探索和發(fā)展的階段，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也因廠商和應(yīng)用場(chǎng)景的不同而有所差異，接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量診斷的方法沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。隨著高精度導(dǎo)航接收機(jī)在民用航空領(lǐng)域應(yīng)用的普及，急需一套有針對(duì)性的測(cè)試方法和診斷工具，立足于航空安全要求，對(duì)接收機(jī)功能和性能進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量診斷。本文針對(duì)這一需求研制了一款“航空高精度高可用的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量診斷軟件”（以下簡(jiǎn)稱軟件），通過(guò)軟件來(lái)模擬和檢驗(yàn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī);評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);民用航空;診斷軟件

中圖分類號(hào)：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）07-0066-04

0 引言

近幾年我國(guó)民用航空事業(yè)已經(jīng)進(jìn)入黃金發(fā)展期，航空客貨運(yùn)輸?shù)玫娇焖?、持續(xù)以及大量的增長(zhǎng)，需要加強(qiáng)空中和地面交通的安全管理，提升空中和地面交通的運(yùn)行效率。[1]針對(duì)民用航空運(yùn)輸現(xiàn)階段所出現(xiàn)的問(wèn)題，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》已將“新一代空中交通管理系統(tǒng)”列為重點(diǎn)研究方向?，F(xiàn)階段的民用航空基于性能導(dǎo)航（performance based navigation，PBN）主要以GPS為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）為主，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國(guó)家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，怎樣切實(shí)的使其在“新一代空中交通管理系統(tǒng)”中得到實(shí)施和運(yùn)用，已經(jīng)成為我國(guó)民用航空持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵所在，也是實(shí)施民航強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)。

2019年7月為止，北斗系統(tǒng)的服務(wù)范圍已經(jīng)覆蓋了全球，共計(jì)發(fā)射衛(wèi)星46顆，其中包含北斗二號(hào)衛(wèi)星24顆和北斗三號(hào)衛(wèi)星22顆，具體分為地球同步軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星9顆、中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星26 顆和傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）衛(wèi)星11顆[2]。

1 接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量需求分析

根據(jù)民用航空在地面和空中的各種環(huán)境中運(yùn)行所需條件，國(guó)際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）在《航空電信》的“標(biāo)準(zhǔn)和建議措施（standards and recommended practices，SARPs）”中給出了對(duì)GNSS 精度、完好性、連續(xù)性和可用性等的性能指標(biāo)要求。

針對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)，ICAO Doc9830《先進(jìn)的場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)（A-SMGCS）手冊(cè)》中給出了跑到入侵檢測(cè)情形下的精度要求如圖1所示，手冊(cè)中指出，20米是飛行員獲得信息并避免沖突的臨界距離，考慮到信息傳輸延遲等情況，實(shí)際中的監(jiān)視精度都會(huì)高于20米，允許有更多的時(shí)間來(lái)避免發(fā)生沖突?？v向精度推薦為6米。此外手冊(cè)還給出來(lái)了不同機(jī)場(chǎng)位置點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)下的精度要求[3]。

當(dāng)能見度條件低至機(jī)場(chǎng)能見度運(yùn)行等級(jí)時(shí)，航空器和車輛應(yīng)當(dāng)能夠在A-SMGCS指定的速度下工作。當(dāng)能見度條件低于機(jī)場(chǎng)能見度運(yùn)行等級(jí)時(shí)，航空器和車輛應(yīng)當(dāng)降低其場(chǎng)面活動(dòng)的速度達(dá)到A-SMGCS可以接收的水平[4]。為此，我們需要對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行診斷，參照表1位置點(diǎn)精度要求，對(duì)接收數(shù)據(jù)的精度、可用性等質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)A-SMGCS對(duì)各種場(chǎng)景的要求，民用航空對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面定位的監(jiān)控要求將隨著我國(guó)民用航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展而提升，為了應(yīng)對(duì)各種可能出現(xiàn)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面情況，大范圍的采用高精度導(dǎo)航定位接收機(jī)是必然趨勢(shì)，所以對(duì)導(dǎo)航定位接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢驗(yàn)就顯得極為重要，軟件正是為此而研發(fā)的一款專用軟件。

2 接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法

參照民用航空關(guān)于飛機(jī)場(chǎng)面活動(dòng)的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，制定出評(píng)估接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量的方案：通過(guò)軟件對(duì)接收機(jī)的精度和可用性進(jìn)行測(cè)量。

2.1 精度評(píng)估方法

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度是指導(dǎo)航接收機(jī)生成的實(shí)時(shí)位置信息與其實(shí)際位置情況之間的接近程度，包括PVT精度（定位精度、授時(shí)精度、測(cè)速精度）、測(cè)距精度（偽距精度、載波相位精度）以及多普勒頻移精度等，在一般情況下指的是定位精度。

置信度為95%的水平和垂向定位精度是民用航空應(yīng)用對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航的定位的基本精度要求，通常對(duì)定位精度的估計(jì)是對(duì)所有的定位結(jié)果進(jìn)行分析和排序，統(tǒng)計(jì)得到概率為95%的定位誤差值來(lái)作為精度估計(jì)值[5]。

2.2 可用性評(píng)估方法

根據(jù)ICAO Doc9830《先進(jìn)的場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)（A-SMGCS）手冊(cè)》中所給出的指標(biāo)，航空器或車輛的時(shí)速在55km/h（30節(jié)）時(shí)，兩秒鐘移動(dòng)的距離大約為30米，這也是機(jī)場(chǎng)跑道兩個(gè)中線燈的安放距離。所以在使用中線燈為航空器或車輛做引導(dǎo)時(shí)，兩秒將是避免發(fā)生沖突的最長(zhǎng)時(shí)間[3]。由此將地面延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)T1定為2s。

3 軟件總體設(shè)計(jì)

本論文軟件為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的系統(tǒng)功能級(jí)測(cè)試提供軟件工具和環(huán)境，為后續(xù)研制基于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)提供測(cè)試數(shù)據(jù)支撐和邏輯驗(yàn)證環(huán)境，從而形成面向航空器監(jiān)視以及機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面管理等實(shí)際應(yīng)用需求的可復(fù)制可推廣的產(chǎn)品和系統(tǒng)。

軟件的總體應(yīng)用環(huán)境是為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)提供數(shù)據(jù)匯聚融合以及轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

根據(jù)圖2所示，接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給軟件，軟件支持單個(gè)接收機(jī)連續(xù)發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，也支持大批量的接收機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。向軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的接收機(jī)需要事先在軟件內(nèi)部進(jìn)行注冊(cè)，否則無(wú)法在軟件上顯示其位置信息。軟件在收到傳輸信息之后會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，只有格式正確的數(shù)據(jù)才會(huì)進(jìn)行后續(xù)操作否則直接報(bào)錯(cuò)處理。軟件在處理數(shù)據(jù)時(shí)，除了會(huì)進(jìn)行校驗(yàn)外還會(huì)對(duì)相同設(shè)備一定時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和融合（例如對(duì)相鄰接收時(shí)間小于50ms內(nèi)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較），并將融合之后的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)便于事后調(diào)取和分析。數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且可以和軟件搭配形成更多實(shí)用性的功能，這里我們通過(guò)軟件測(cè)試得到的結(jié)果來(lái)對(duì)接收機(jī)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

如圖3所示，接收外部傳輸過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果融合轉(zhuǎn)發(fā)并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量診斷

4.1 定位數(shù)據(jù)精度診斷

針對(duì)各種機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)場(chǎng)景，根據(jù)表1參考點(diǎn)精度要求，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面安全需要能夠達(dá)到亞米級(jí)的定位精度，所以我們通過(guò)軟件對(duì)接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估其是否能夠達(dá)到亞米級(jí)的精度要求。

選用亞米級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，在軟件中注冊(cè)接收機(jī)的ID信息，打開儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。為模擬實(shí)際機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面定位，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選在室外的空曠地帶，并且選用4臺(tái)設(shè)備分別來(lái)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)接收機(jī)以秒為單位向軟件不斷的發(fā)送信息，經(jīng)過(guò)軟件融合后轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)記錄接收機(jī)上報(bào)的位置信息和利用標(biāo)定設(shè)備獲取的參考位置信息進(jìn)行比較，獲得置信度在95%以上的精度指標(biāo)，從而判斷被測(cè)設(shè)備是否滿足亞米級(jí)定位要求。

每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行了至少20次測(cè)量，表2導(dǎo)航接收機(jī)精度測(cè)試結(jié)果中所出現(xiàn)的水平精度為結(jié)合試驗(yàn)次數(shù)計(jì)算出的平均值。以實(shí)際設(shè)備放置點(diǎn)為中心畫一個(gè)圓，圓內(nèi)包含95%的定位點(diǎn)，該圓的最小半徑就是水平精度。

通過(guò)以上多次測(cè)試，如圖4所示，證明被測(cè)接收機(jī)都能夠達(dá)到0.5m精度，達(dá)到了亞米級(jí)定位精度目標(biāo)且不同接收機(jī)之間的水平精度差異很小，證明所使用的導(dǎo)航接收機(jī)數(shù)據(jù)接收的一致性較好，能夠應(yīng)對(duì)民用航空各種場(chǎng)面應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

4.2 定位數(shù)據(jù)延時(shí)診斷

接收機(jī)在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行運(yùn)用時(shí)對(duì)延時(shí)的范圍以及穩(wěn)定性都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，其中系統(tǒng)的延時(shí)的范圍以及穩(wěn)定性是判定接收機(jī)可用性的重要依據(jù)。

具體診斷過(guò)程如下：導(dǎo)航接收機(jī)通過(guò)捕獲衛(wèi)星信號(hào)，解算生成當(dāng)前接收機(jī)定位信息以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，然后再將這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳給軟件。

如圖5所示，計(jì)算五次實(shí)驗(yàn)的延時(shí)時(shí)間平均值為1.195s，小于空中延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)T0和地面延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)T1，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備能夠同時(shí)滿足空中和地面的延時(shí)要求。

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間會(huì)在1.195s±70ms的時(shí)間范圍內(nèi)變化，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.168，如圖6所示，平均數(shù)據(jù)丟失率為0.013%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于“北斗二號(hào)”導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合民用航空A-SMGCS場(chǎng)面監(jiān)管等運(yùn)行要求，提出了面向民用航空應(yīng)用的北斗系統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)性能的測(cè)試和評(píng)估方法，結(jié)合自主研發(fā)的工具包軟件，通過(guò)對(duì)精度和延時(shí)的范圍以及穩(wěn)定性等指標(biāo)的分析，對(duì)接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量做了比較和研究，驗(yàn)證了軟件具有通過(guò)定位數(shù)據(jù)精度和延時(shí)范圍的以及穩(wěn)定性等指標(biāo)對(duì)接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量診斷的能力。

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