基于WAAS模擬飛行實驗的LPV可用性分析

張天陽

摘要：美國的廣域增強系統（Wide?Area?Augmentation?System，WAAS）目前已能在WAAS服務區的絕大部分空域支持從航路到具有垂直引導滿足航向信標性能（Localizer?performance?with?vertical?guidance，LPV）進近的所需導航性能（Required?navigation?performance，RNP）。為評估基于WAAS的LPV-200進近期間的可用性，首先使用實際監測數據解析了BILL站點的LPV可用性，其次，使用R&S信號源、NovAtel接收機以及相應軟件構成LPV-200進近模擬系統，實驗了正常情況、1顆衛星故障和2顆衛星故障下的美國比靈斯洛根國際機場LPV-200進近的整個運行過程，獲得并分析了進近動態過程中的精度、完好性及可用性。實驗結果表明，正常情況和1顆衛星故障下的WAAS對比靈斯洛根國際機場LPV-200運行支持良好，且與監測數據解析結果吻合。對LPV進近及其可用性的研究，可為今后評估某一機場基于我國建設的北斗星基增強系統（BeiDou?Satellite?Based?Augmentation?System，BDSBAS）的LPV進近運行的可用性提供理論和實驗支持。

關鍵詞：SBAS;WAAS;LPV;RNP;可用性;模擬飛行實驗

中圖分類號：TN967.1/V19?文獻標識碼：A

引言

本文結合實測GPS導航數據和WAAS廣播報文，首先闡述WAAS的精度和完好性增強機理，其次基于監測數據解算了BILL站點的LPV-200可用性，并搭建模擬實驗系統解算了正常情況、1顆衛星故障和2顆衛星故障下的LPV進近可用性。對基于WAAS的LPV可用性的研究，可為我國基于北斗星基增強系統（BeiDou?Satellite?Based?Augmentation?System，BDSBAS）的LPV建設提供一定的參考和借鑒。

1?精度和完好性增強機理

用戶通過解碼WAAS報文對GPS定位的精度進行增強，DO-229中詳細闡述了解碼WAAS報文對衛星鐘差、電離層誤差和觀測偽距進行改正的算法和流程。

完好性是飛行安全中的關鍵指標，而保護級則是衡量完好性的重要參數。保護級分為水平保護級（Horizontal?protection?level，HPL）和垂直保護級（Vertical?protection?level，VPL），它們分別為

式中，KH，NPA=6.18，KH，PA=6.0，KV，PA=5.33，dmajor為誤差橢圓半長軸的標準差，dU為天向誤差的均方差。

dmajor和dU均為協方差矩陣d中的元素

式中，G為幾何矩陣，只與用戶和衛星的幾何位置有關，權重矩陣W是保護級計算中的關鍵參數，可按DO-229中的算法結合WAAS報文解算得到。

2?基于監測數據的LPV可用性解算

取國際地球動力學GPS服務（International?GPS?service?for?geodynamics，IGS）位于比靈斯的BILL觀測站點2018年3月9日1?Hz實測觀測數據（包含偽距和載波相位測量值等信息），按本文第1節所述算法解析相應GPS導航數據和WAAS報文，設置衛星截止仰角為5°，截止信噪比為33dBHz，進行精度和完好性解算，得其用于LPV-200進近時的水平和垂直斯坦福圖，水平和垂直方向上滿足精度和完好性的可用性（斯坦福圖中所示正常運行的百分比）分別為100.00%和98.34%。

3?模擬LPV-200進近實驗

3.1?實驗設備及設置

模擬LPV-200進近實驗使用R&S?SMBV?100A信號源和NovAtel?FlexPak6接收機。信號源產生并發射射頻（Radio?frequency，RF）信號，通過RF傳輸線與接收機相連，接收機通過數據線和NovAtel?Connect軟件與PC連接，在Connect軟件端用戶可以對接收機進行設置并選擇存儲數據。信號源支持用戶自定義數據，下載并解析NSTB網站上2018年3月9日的數據作為信號源輸入。接收機帶有SBAS功能，但需要在Connect軟件端輸入“SBAS?CONTROL?ENABLE?WAAS”命令開啟WAAS功能。

模擬進近選擇比靈斯洛根國際機場的10L跑道，此跑道發布LPV-200進近程序。10L跑道入口的經度、緯度和高度已知，高度上加51ft即為最后進近航段上一點，設此點為（10Llon，10Llat，10Lalt）。為貼近實際運行，進近階段的速度設置為自240節到125節的勻減速，設最后進近航段上任一點x的速度為v，則x的位置可由（10Llon，10Llat，10Lalt）和v確定。具體的航路點解算及實驗設置在圖1中闡釋，在Connect軟件端選擇圖1所示的log語句作為輸出，即可轉換為所需的RINEX文件。

使用圖1中方法解算得到的航路點文件理論上是無限長的，在高度上截取6000～200ft的數據作為信號源的航路輸入，如圖2所示，其中第一行為時間分辨率（ms），以逗號分隔的三列數據分別為經度（°）、緯度（°）和高度（m）。

搭建好實驗系統后，在Connect軟件端記錄數據。飛機于2018年3月9日18點08分左右開始進近，在相同設置的情況下，共接收了15組數據。由于每次實驗中信號源和接收機的反應時間各不相同，而在不同時刻衛星位置不同，故選取18：10：00至18：13：45的數據（1991周497400秒至1991周497625秒），統一各組實驗時間。數據接收完畢后，轉換得到RINEX格式觀測文件，正常情況下可觀測到11顆GPS衛星和PRN?135、PRN?138兩顆GEO衛星信息。在飛機進近過程中，隨著用戶位置和衛星位置的變化，PRN?14衛星的仰角變化至低于5°時，參與定位的GPS衛星數量由11顆變為10顆。

假設PRN?23衛星故障，其余設置不變，進行15組重復實驗。假設PRN?23和PRN?26衛星故障，其余設置不變，進行15組重復試驗。

3.2?實驗結果及分析

1、正常情況下的飛機進近性能

由于參與定位解算的GPS衛星數量對定位性能有直接影響，故結合參與定位的衛星數量繪制模擬進近過程中東、北和天向誤差（圖3～圖5）。進近過程中的保護級變化則如圖6所示。

由于15組實驗是在相同條件下進行的，其余實驗結果與圖3～圖6所得數據波動趨勢基本一致，故只選取一組數據進行圖像展示。

對3種情況下的模擬進近實驗所得精度和完好性數據進行統計分析，結果如表1和表2所示。

由實驗所得圖形和統計數據分析可得，正常情況下飛機進近過程中LPV可用性為100.00%，LPV-200可用性為97.35%。本文第2節中基于監測數據解算的BILL站點2018年3月9日一天內的LPV-200可用性為98.342%。

1顆衛星故障時，飛機進近過程中LPV可用性為99.12%，LPV-200可用性為96.46%。2顆衛星故障時，飛機進近過程中LPV可用性為96.46%，LPV-200可用性為68.58%。

4?總結與結論

本文在結合GPS導航數據分析WAAS系統精度和完好性的基礎上，解算了LPV可用性。首先以BILL站點的水平和垂直斯坦福圖分析LPV-200可用性，其次，使用信號源和接收機模擬飛機進近，證明了正常情況下和1顆衛星故障時WAAS對比靈斯洛根國際機場LPV-200運行支持良好。當有2顆衛星發生故障時，WAAS不足以支持飛機完成LPV-200進近，但仍可支持LPV進近。對LPV進近及其可用性的研究，可為今后評估某一機場基于我國建設的BDSBAS的LPV進近運行的可用性提供理論和實驗支持。

參考文獻

[1]DO-229E，Minimum?Operational?Performance?Standard?for?Global?Positioning?System/Wide?Area?Augmentation?System?Airborne?Equipment[S].Washington，DC：RTCA?SC-159，2016.

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[3]Skyvector.Billings?Logan?International?Airport[EB/OL].https：//skyvector.com/airport/?BIL/Billings-Logan-International-Airport.