基于民航校驗飛機的星基增強服務性能評估

邵 搏，張 鍵，熊 帥，原 彬

(中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068)

0 引言

隨著全球衛星導航系統(Global Navigation Sa-tellite System，GNSS)的不斷發展，其在民用航空等高生命安全領域的應用也在不斷拓展。國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)在其發布的第六版全球空中航行計劃(Global Air Navi-gation Plan，GANP)中明確表示，現代空中航行系統需要以GNSS為基礎，提升全球空中航行的安全性。

為了將GNSS全面應用于民航的各個飛行階段，出現了以星基增強系統(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)為代表的增強系統。SBAS利用廣泛分布的監測站對導航衛星進行監測，生成改正數信息(衛星軌道改正數、衛星鐘差改正數、格網電離層改正數)和完好性信息(用戶差分測距誤差/雙頻測距誤差、格網電離層垂直誤差)，通過地球同步衛星(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)向用戶進行廣播，實現對GNSS定位精度、完好性、連續性和可用性的提升。

目前，國際上已經正式向民航等高生命安全領域提供服務的SBAS主要有：美國的廣域增強系統(Wide Area Augmentation System，WAAS)、歐洲地球靜止導航重疊服務(European Geostationary Navigation Overlay Service，EGNOS)、日本的多功能衛星增強系統(Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS)和印度的GPS輔助型靜地軌道增強導航系統(GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN)，這些SBAS均為提供單頻增強服務的增強系統。美國的WAAS已于2014年實現了LPV-200服務能力，LPV-200服務可用性(99%)在美國大陸的覆蓋率達到100.00%;歐洲的EGONS在2015年實現了LPV-200服務能力，LPV-200服務可用性(99%)在歐洲服務區域的覆蓋率為93.16%；MSAS于2007年9月開始正式運行，提供非精密進近(Non-Precision Approach，NPA)服務，正在開展LPV服務能力的驗證工作和LPV-200服務能力的論證工作；GAGAN系統于2015年4月實現了一類垂直引導進近(APV-I)服務。

北斗星基增強系統(BDSBAS)是我國依據ICAO標準要求建設的服務于民航等高生命安全用戶的星基增強系統，將向中國及周邊區域用戶提供分別滿足APV-I和一類精密進近(CAT-I)指標要求的單頻增強服務和雙頻多星座增強服務。中國民航局將對BDSBAS單頻增強服務進行認證，預期3～4年完成。在通過認證后，中國民航局將批準向航空用戶正式提供BDSBAS單頻增強服務。

本文重點針對BDSBAS單頻增強服務性能評估開展研究工作，首先從定位精度、完好性、可用性和連續性四個方面對星基增強服務評估方法進行了論述；再通過多次航空飛行試驗對BDSBAS單頻增強服務性能進行了驗證；最后對BDSBAS單頻增強服務在全國301個中大型機場的NPA、APV-I和LPV-200服務的可用性進行了分析。

1 星基增強服務評估方法

ICAO在其制定的國際民用航空公約附件10第I卷中給出了GNSS應用于民用航空的性能要求，具體如表1所示。

表1 GNSS應用于民用航空的性能要求[14]

依據表1中的要求，星基增強服務性能主要從定位精度、完好性、連續性和可用性四個方面進行評估，其中需要使用的單頻增強信息如表2所示，電文27和電文28為二選一(例如WAAS和BDSBAS僅播發電文28、EGNOS僅播發電文27)。

表2 服務性能評估涉及的單頻增強信息類型

1.1 定位精度評估

利用觀測數據、GNSS導航電文以及SBAS單頻增強電文進行定位解算，并與基準位置進行比較，評估定位精度，處理流程如圖1所示。

圖1 定位精度評估流程Fig.1 Positioning accuracy evaluation process

(1)導航電文解算

從GNSS導航電文中讀取GNSS衛星軌道參數和時鐘參數，計算GNSS衛星軌道位置和鐘差。

(2)增強電文解算

從電文2～5讀取快變改正數信息；從電文25讀取慢變改正數信息；從電文18和26讀取電離層格網改正數信息。

(3)數據預處理

進行粗差剔除和周跳探測與修復，利用載波相位觀測量平滑偽距觀測量。

(4)定位解算

首先利用快變改正數和慢變改正數修正衛星軌道位置和衛星鐘差；再利用電離層格網改正數計算參考點與衛星觀測方向上的電離層延遲；然后利用對流層模型計算對流層延遲；最后利用平滑后的偽距觀測量，結合修正后的軌道位置和鐘差、電離層延遲、對流層延遲等，計算參考點位置。

利用定位解算得到參考點的位置[]，并結合后處理得到的真實位置[R,,R,,R,]，可以得到地心地固(Earth-Centered, Earth-Fixed，ECEF)坐標系下的參考點定位誤差

(1)

從ECEF坐標系到東北天坐標系的轉換矩陣為

(2)

其中，和分別為參考點所處位置的地理緯度和經度。

結合式(1)和式(2)，可得到東北天(ENU)坐標系下的定位誤差如下

( 3 )

基于式(3)可以得到水平定位誤差(Horizontal Position Error，HPE)和垂直定位誤差(Vertical Position Error，VPE)如下

(4)

VPE=Δ

(5)

(5)定位精度

對HPE和VPE統計其分布的95%分位數分別作為水平定位精度(Horizontal Position Accu-racy，HPA)和垂直定位精度(Vertical Position Accuracy，VPA)，得到的精度值可以在95%的置信度下包絡住相應的定位誤差。

(||≤HPA)=95%

(6)

(|VPE|≤VPA)=95%

(7)

1.2 完好性評估

完好性為系統在不能提供服務時及時向用戶提供告警的能力。在服務層面，主要通過完好性風險概率來描述完好性性能。首先，利用SBAS單頻增強電文的完好性信息進行保護級解算，計算水平保護級(Horizontal Protection Level，HPL)和垂直保護級(Vertical Protection Level，VPL)，基于定位誤差和保護級判斷是否出現完好性風險(如果定位誤差超過保護級，則認為出現完好性風險)，進而統計完好性風險概率，處理流程如圖2所示。

圖2 完好性評估流程Fig.2 Integrity evaluation process

(1)增強電文解算

從電文2～5和電文6讀取UDREI信息；從電文28讀取協方差矩陣信息；從電文7和10讀取降效參數信息；從電文26讀取GIVEI信息。

(2)保護級解算

在計算保護級之前，需要計算參考點與可觀測衛星間的觀測矩陣，該矩陣的第行如下所示

=[-cossin
-coscos-sin1]

(8)

其中，為參考點與衛星間的仰角；為方位角。

參考點與第個可觀測衛星間的觀測偽距噪聲方差為

(9)

其中

(10)

HPL和VPL計算方式如下

HPL=

(11)

VPL=

(12)

其中

(3)定位精度

按照2.1節的方法，輸出HPE和VPE。

(4)完好性風險統計

如果HPE>HPL或VPE>VPL，則認為出現完好性風險，統計完好性風險出現概率。

1.3 可用性評估

可用性是SBAS在其服務空域內能為運載體提供可用增強服務的時間百分比。在可用性評估中，將保護級低于告警門限的時間百分比視為系統服務的可用性。

可用性評估利用完好性評估中得到的HPL和VPL，與相應飛行階段的水平告警門限(Horizontal Alert Limit，HAL)和垂直告警門限(Vertical Alert Limit，VAL)進行對比，統計流程如下：

1)如果VPL≤VAL且HPL≤HAL，則服務可用，否則服務不可用；

2)如果服務不可用，在之后的15min內都有VPL≤VAL且HPL≤HAL，則認為服務再次可用；

3)統計服務可用時間的百分比。

1.4 連續性評估

連續性是對服務中斷概率的描述，連續性評估以可用性評估輸出的服務可用性作為輸入，如果當前時刻服務可用，但在之后的15s內出現服務不可用的情況，則認為出現連續性事件，統計連續性事件的發生概率，則連續性=1-連續性事件發生概率。

連續性評估通過16s滑動窗的方法統計得出參考時間段內的連續性事件發生概率，16s滑動窗方法如圖3所示。主要方法為：對于某個特定歷元，如果系統在開始時可用，而在接下來的15s中至少有1s系統變為不可用(例如信號丟失超過4s或保護級超過告警門限)，則為出現一次連續性事件。如果某一秒出現了服務不可用的情況，將導致出現15個連續性事件。最終統計一段時間內的連續性事件數量與可用樣本總數之間的比值，作為連續性事件發生概率。

圖3 16s連續性滑動窗示意圖Fig.3 Diagram of 16s continuous sliding window

2 試驗驗證

2.1 評估方法驗證

由于可用性是星基增強服務能力的綜合體現，利用EGNOS實際播發的單頻增強電文，按照本文保護級和可用性評估方法分析EGNOS服務的可用性覆蓋性能(空間分辨率1°×1°，時間分辨率30s)，并與EGNOS官網(https://egnos-user-support.essp-sas.eu)公布的可用性結果(空間分辨率1°×1°，時間分辨率1s)進行比對。2020年9月7日EGNOS的APV-I和LPV-200可用性對比結果分布如圖4和圖5所示。

(a)本文結果

(b)EGNOS官網結果圖4 EGNOS APV-I可用性對比Fig.4 EGNOS APV-I availability

(a)本文結果

(b)EGNOS官網結果圖5 EGNOS LPV-200可用性對比Fig.5 EGNOS LPV-200 availability

從圖4和圖5可以看到，使用本文保護級和可用性評估方法得到的EGNOS APV-I和LPV-200服務可用性覆蓋范圍與EGNOS官方公布結果基本一致。

2.2 航空飛行試驗

為了驗證BDSBAS服務性能在航空領域的適用性，采用民航校驗飛機開展航空飛行試驗。進近飛行驗證科目主要包括圓周飛行、圓弧飛行和水平飛行。進近飛行驗證主要用于驗證機場區域內BDSBAS的服務性能。

航空飛行試驗使用的民航校驗飛機為塞斯納獎狀560，在2021年7月13日～7月18日期間，在安順黃果樹機場共進行了4次累積約12h的飛行，數據采樣頻率2Hz，涵蓋了圓周飛行、圓弧飛行和水平飛行等科目，飛機航跡如圖6所示。

(a) 7月13日

(b) 7月14日

(c) 7月15日

(d) 7月18日圖6 飛機航跡圖Fig.6 Aircraft track map

利用飛行試驗期間采集的觀測數據、GPS導航電文以及BDSBAS單頻增強服務電文，依據第2節介紹的星基增強服務評估方法，以ICAO的APV-I指標要求為基準，對BDSBAS單頻增強服務的性能進行評估(飛機的基準位置通過事后精密單點定位的方式獲取)。受制于篇幅，2021年7月13日飛行試驗的定位誤差直方圖、定位誤差/保護級曲線、水平斯坦福圖和垂直斯坦福圖分別如圖7～圖10所示。

從圖7所示結果可見，在7月13日進行的飛行試驗中，BDSBAS單頻增強服務的水平和垂直定位精度分別為0.998m和2.763m。從圖8所示結果可見，水平/垂直保護級曲線均可對相應的定位誤差進行包絡，且小于相應的APV-I告警門限(表1：40m/50m)，

(a) 水平

(b) 垂直圖7 定位誤差直方圖Fig.7 Histogram of positioning error

(a)水平

(b)垂直圖8 定位誤差/保護級曲線Fig.8 Curve of positioning error/protection level

圖9 水平斯坦福圖Fig.9 Horizontal Stanford map

圖10 垂直斯坦福圖Fig.10 Vertical Stanford map

表明在飛行試驗過程中未出現完好性事件，完好性風險概率為0.0%。圖9和圖10為水平和垂直斯坦福圖，不同于圖8的展示結果，斯坦福圖以另一種形式對定位誤差(XPE，X為H或V)、保護級(XPL，X為H或V)和告警門限(XAL，X為H或V)的對應關系進行了展示，圖中彩色條表示[XPE, XPL]處樣本點的數量，紅色線條為XAL。如圖9和圖10所示，所有樣本點均分布在XPE≤XPL≤XAL，與圖7所示結果一致，未出現完好性事件(XPE>XPL)。

基于4次航空飛行試驗的BDSBAS單頻增強服務性能評估結果如表3所示。BDSBAS單頻增強服務的水平和垂直定位精度為0.87m和3.03m，測試期間未出現完好性事件，完好性風險概率為0.0%，服務連續性為100%，服務可用性為100%，滿足ICAO APV-I指標要求，達到了BDSBAS APV-I設計指標要求。

表3 基于航空飛行試驗的BDSBAS單頻增強服務性能評估結果

2.3 全國機場可用性評估

為了進一步評估BDSBAS單頻增強服務在我國的服務可用性，依據星基增強服務評估方法中的可用性評估方法，采用商業接收機在西安于2021年7月17日實測接收的BDSBAS單頻增強電文，對全國范圍內301個中大型民用機場的NPA、APV-I和LPV-200可用性進行分析，解算間隔30s，衛星高度截止角10°，統計結果如圖11～圖13所示。

由圖11所示結果可見，2021年7月17日，除去我國新疆、東北邊境的9個機場外，其余292個機場的NPA可用性均能達到ICAO NPA可用性指標要求(優于99%)，NPA可用性在全國機場的覆蓋率達到了97.0%。

圖11 全國機場BDSBAS單頻增強服務NPA可用性分布圖Fig.11 NPA service availability distribution map of China airport

圖12 全國機場BDSBAS單頻增強服務APV-I可用性分布圖Fig.12 APV-I service availability distribution map of China airport

圖13 全國機場BDSBAS單頻增強服務LPV-200可用性分布圖Fig.13 LPV-200 service availability distribution map of China airport

由圖12所示結果可見，隨著服務等級由NPA提升至APV-I，未滿足ICAO APV-I可用性指標要求(優于99%)的機場增多到31個，且集中于我國新疆、西藏、東北和臺灣等區域；而我國中東部及沿海地區機場依然能夠滿足APV-I可用性要求。APV-I可用性在全國機場的覆蓋率達到了89.7%。

由圖13所示結果可見，當服務等級提升至LPV-200時，我國新疆、西藏、東北和臺灣等區域LPV-200可用性低于99%的機場增加到51個，雖然沿海地區的江蘇、浙江、福建和海南等機場的可用性有所降低，但依然滿足ICAO LPV-200可用性指標要求(優于99%)。LPV-200可用性在全國機場的覆蓋率達到了83.1%。

根據圖11～圖13所示結果可見，BDSBAS單頻增強服務在我國邊境地區、高緯度地區和東南沿海區域的服務性能有所下降，主要是由單頻增強電文播發的有效電離層格網在這些區域較為稀疏導致的，而在我國中部區域已經達到了ICAO LPV-200可用性指標要求。

3 結論

隨著民用航空對衛星導航需求的不斷提高，世界主要國家爭相發展SBAS。目前，美歐等國的SBAS已正式向民用航空領域提供了LPV-200服務。我國的BDSBAS也已經完成系統建設，將向中國及周邊區域提供滿足ICAO APV-I指標要求的單頻增強服務。民航應用驗證工作成為今后系統發展的重要工作內容。

1)本文基于國內SBAS服務性能評估現狀，給出了SBAS服務性能評估的具體方法，能夠有效支撐后續BDSBAS民航應用驗證評估工作。

2)本文采用中型商務飛機實測數據進行BDSBAS的單頻服務性能測試，與以往地面靜止試驗相比更加接近真實民航用戶飛行環境，能夠較為真實地反映BDSBAS單頻服務在用戶實際使用中的性能，試驗結果表明，在試驗時段BDSBAS單頻服務能夠滿足ICAO APV-I指標要求。

3)基于實測數據評估分析國內301個中大型機場NPA、AVP-I和LPV-200服務可用性覆蓋率分別達到了97%、89%和83%，在我國東北、西北及東南等延邊、沿海地區由于監測站架設限制，導致電離層格網點分布稀疏，機場可用性下降。

BDSBAS服務性能評估是一項需要長期進行的工作，本文所提出的評估方法與試驗結論能夠為后續官方機構對BDSBAS適航認證工作的開展提供參考與借鑒。