任杰 任嵩

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

關(guān)鍵詞：北斗地基增強系統(tǒng)；完好性；所需性能導(dǎo)航

中圖分類號：TN967.1 文獻標(biāo)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(dǎo)航在定位時只能使用GPS定位，很難滿足精度、完好性、連續(xù)性、可用性等所需導(dǎo)航性能要求，因此出現(xiàn)了各種增強系統(tǒng)，其中就有以廣域增強系統(tǒng)（WAAS）為代表的星基增強系統(tǒng)（SBAS）和以局域增強系統(tǒng)（LAAS）為代表的地基增強系統(tǒng)[2]（GBAS）。我國則出現(xiàn)了北斗增強系統(tǒng)。北斗增強系統(tǒng)主要包括國家范圍的增強系統(tǒng)以及省級范圍的增強系統(tǒng)。它們都是以差分技術(shù)為主要方式來提高精度的[1]。北斗國家增強系統(tǒng)一般采用廣域差分技術(shù)和精密單點定位技術(shù)；北斗省級增強系統(tǒng)一般采用厘米級的實時網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和分泌級的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)[3]。星基增強系統(tǒng)（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(dǎo)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(tǒng)（Ground Based Augmentation System，GBAS）。

圖1 地基增強系統(tǒng)構(gòu)成圖

GBAS基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于GBAS能夠取代傳統(tǒng)的微波著陸系統(tǒng)（MLS）和儀表著陸系統(tǒng)（ILS），提供更為經(jīng)濟的導(dǎo)航服務(wù)，因此GBAS在近年來一直是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)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(dǎo)實現(xiàn)的；其次，縮短飛行所用時間以及距離，從而節(jié)省燃料和減少運行成本；最后，因為GBAS能夠在終端區(qū)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(jīng)預(yù)定的航線飛行，這些預(yù)定航線能夠盡量規(guī)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(tǒng)（GBAS）

由國家統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他GNSS系統(tǒng)的地基增強系統(tǒng)——“北斗地基增強系統(tǒng)”，采用的地面參考站間距為50-300米，通過地面通信數(shù)據(jù)鏈播發(fā)導(dǎo)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(dǎo)航定位服務(wù)于航空用戶[4]。

主要是指安裝于機場的GNSS增強系統(tǒng)，用于增強衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性信息，以及提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。GNSS是一種基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，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(tǒng)可以引導(dǎo)飛機進行精密進近和著陸，形成衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)（GLS），GLS的明顯優(yōu)勢就是使飛機平滑著陸，而目前的儀表著陸系統(tǒng)（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(tǒng)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(wèi)星鐘、接收機鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過大氣層（電離層和對流層）的延遲，實際測量出的距離與衛(wèi)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(wèi)星到用戶的距離，是通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)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(yán)格來說，載波相位應(yīng)該被稱為載波拍頻相位，它是收到的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機震蕩產(chǎn)生信號相位的差值。接收機連續(xù)地跟蹤載波，當(dāng)以上未知整數(shù)部分（稱為整周模糊度）和差值部分（小數(shù)部分）相加就是衛(wèi)星到用戶的載波相位測量距離。各種誤差的存在嚴(yán)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(tǒng)用于精密進近的導(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(xù)或是中斷著陸的重要決定，這取決于在相應(yīng)決斷高度上的跑道視程（RVR）。由于北斗系統(tǒng)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(dǎo)航系統(tǒng)必須在其定位誤差超過某一邊界時發(fā)出報警，我們稱這一邊界為告警極限，相應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)的誤差要控制在這個范圍內(nèi)。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(dǎo)航系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的可用性也就越高。

1.3 完好性概念

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

平滑濾波技術(shù)：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(luò)技術(shù)：根據(jù)實際觀測值計算誤差標(biāo)準(zhǔn)差的估計值和放大因子，即計算保護級，形成誤差包絡(luò)，實現(xiàn)完好性保護。（即保護級完好性監(jiān)測）

故障檢測技術(shù)：針對每種故障場景建立故障模型，再根據(jù)故障模型設(shè)定門限值進行故障的檢測，排除錯誤的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。（即故障完好性監(jiān)測）

2 基于民用航空的計算模型

GBAS完好性計算：

我們已經(jīng)知道，只有當(dāng)保護級小于告警極限時，才認(rèn)為系統(tǒng)是正常的并可以用于導(dǎo)航[7]。對于地基增強系統(tǒng)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(tǒng)中，參考接收機的工作狀態(tài)會影響用戶接收機的定位誤差，雖然參考接收機產(chǎn)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(shè)：

（1）假設(shè)：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(jié)合偽距測量誤差公式

Kffmd-由誤警率和接收機的數(shù)目確定的已知系數(shù)

其中：Mffmd=MAX{m[i]}

m[i]-地面參考接收機的數(shù)量，該接收機是用來測量第i顆衛(wèi)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(wèi)星的偽距誤差推導(dǎo)出的x方向的定位誤差分量；

sy，i-由第i顆衛(wèi)星的偽距誤差推導(dǎo)出的y方向定位誤差分量；

sv，i-由第i顆衛(wèi)星的偽距誤差推導(dǎo)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(wèi)星的數(shù)量；

i-第i個用于定位的衛(wèi)星；

加權(quán)的最小二乘投影矩陣S定義為

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

Bi，j-所有接收機測量第i顆衛(wèi)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(wèi)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(shù)量在參考接收機有故障時確定的已知系數(shù)

3 完好性的仿真

要判斷GBAS是否存在完好性風(fēng)險，主要通過定性地分析保護級，若保護級能夠?qū)⒍ㄎ徽`差控制在它的范圍內(nèi)，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(tǒng)的完好性以及可用性。

北斗系統(tǒng)至少需要四顆衛(wèi)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(tǒng)能夠提供6至8顆可見衛(wèi)星。但是對于應(yīng)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(yán)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(tǒng)的可用性基于如下假設(shè)：可用的導(dǎo)航服務(wù)可以大致地等效為滿足某一門限要求的北斗系統(tǒng)的定位精度。所以，如果要使北斗系統(tǒng)在飛機精密進近的導(dǎo)航系統(tǒng)中可用，須滿足：

VPL

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

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

3.1 衛(wèi)星及參考接收機均無故障時的仿真試驗

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

圖4所示的VPL值，結(jié)合可見衛(wèi)星數(shù)（圖3）分析得出：在衛(wèi)星以及參考接收機均無故障的條件下，北斗系統(tǒng)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(shù)據(jù)與仿真圖比較又可以看出：可見衛(wèi)星數(shù)量越多，VPL值越小，相反，可見衛(wèi)星數(shù)量越少，VPL值越大，如當(dāng)衛(wèi)星個數(shù)均可見即12顆可見衛(wèi)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??；另外即使相同數(shù)目的衛(wèi)星，VPL值也未必相同，因此，還和衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)系。

3.2 有一個參考接收機出現(xiàn)故障時的仿真試驗

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

3.3 結(jié)果分析

（1）在衛(wèi)星和參考接收機均無故障時，系統(tǒng)滿足CATI精密進近（VPL

（2）VPL值與可見衛(wèi)星的數(shù)量有關(guān)系?？梢娦l(wèi)星數(shù)量越多，定位精度越高，誤差越小，VPL值也就越??；相反，可見衛(wèi)星數(shù)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(wèi)星的幾何分布有關(guān)系。當(dāng)可見衛(wèi)星數(shù)量相同時，VPL值也有可能會不同。

4 結(jié)束語

本論文以北斗地基增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)為主要研究目的，以完好性監(jiān)測技術(shù)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(biāo)的算法。最后對當(dāng)前北斗衛(wèi)星在不同情況下進行了仿真及結(jié)論分析。以上仿真對于我國把北斗系統(tǒng)應(yīng)用于飛機的精密進近和著陸具有相當(dāng)高的參考價值和現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]陳伏州.關(guān)于我國北斗地基增強系統(tǒng)發(fā)展的思考[J].數(shù)字通信世界，2013.

[2]丁樂樂，戈樂樂，馮媛媛，等.天津市北斗地基增強系統(tǒng)性能測試及分析[J].工程勘察，2017（03）：64-68.

[3]張乙志，金鍇，劉立，等.北斗地基增強系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK測試分析[J].全球定位系統(tǒng)，2016，41（06）：115-118.

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

[5]魏紅波.組合精密進近著陸技術(shù)研究[J].2017（1）：5-88.

[6]孫曉婷，北斗SMR車道級應(yīng)用地基增強系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].山東：山東大學(xué)，2016.

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