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        基于GBAS的可用性預(yù)測(cè)研究

        2022-01-18 08:29:36張建軍呂自鵬劉文亮
        宇航計(jì)測(cè)技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:仰角基準(zhǔn)點(diǎn)可用性

        韓 明 張建軍 呂自鵬 鄧 琪 劉文亮

        (天津七一二通信廣播股份有限公司,天津 300462)

        1 引 言

        全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)是包含一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星星座,能夠提供定位、測(cè)速和授時(shí)(PVT)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GNSS導(dǎo)航的快速發(fā)展,為人類帶來(lái)了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。為了提高GNSS的精度和完好性,GNSS增加了外部系統(tǒng)以增強(qiáng)其性能,如地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS,其完好性也日益受到關(guān)注。目前,國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)大力推行基于性能的導(dǎo)航(Performance Based Navigation,PBN)技術(shù),根據(jù)特定運(yùn)行或空域所要求達(dá)到的精確性、完好性、可用性、連續(xù)性以及相應(yīng)功能來(lái)確定航空器的系統(tǒng)性能要求,由基于傳統(tǒng)導(dǎo)航向基于性能的現(xiàn)代導(dǎo)航轉(zhuǎn)變。衛(wèi)星導(dǎo)航GBAS是ICAO提出的航空系統(tǒng)組塊升級(jí)計(jì)劃中的核心導(dǎo)航技術(shù)之一,ICAO將逐步推動(dòng)從陸基導(dǎo)航向星基導(dǎo)航平穩(wěn)過(guò)渡,逐漸形成以GNSS為主用導(dǎo)航源、陸基導(dǎo)航設(shè)備為備份導(dǎo)航源的導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)架。GBAS在導(dǎo)航精度、可靠性、安全性及運(yùn)行成本方面較傳統(tǒng)的進(jìn)近方式有了很大的改善,GBAS服務(wù)運(yùn)行的可靠性和安全性是民航新技術(shù)應(yīng)用和驗(yàn)證工作的重中之重[1]。

        GBAS系統(tǒng)運(yùn)行所使用的衛(wèi)星數(shù)量、軌道參數(shù)及星座布局對(duì)GBAS系統(tǒng)的服務(wù)性能,(如導(dǎo)航定位精度、可用性、完好性、連續(xù)性等)是至關(guān)重要的。目前現(xiàn)有的技術(shù)研究主要利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的衛(wèi)星數(shù)量、位置精度衰減因子PDOP值和定位精度來(lái)評(píng)估其系統(tǒng)當(dāng)前衛(wèi)星星座的性能[2]。對(duì)于GBAS精密進(jìn)近引導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),GBAS可用性的服務(wù)狀態(tài)與衛(wèi)星星座狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果有關(guān),星座告警預(yù)測(cè)可以有效提高GBAS引導(dǎo)服務(wù)的安全性,但目前對(duì)衛(wèi)星星座當(dāng)前及未來(lái)狀態(tài)預(yù)測(cè)的相關(guān)研究很少。本文在保證覆蓋性能、導(dǎo)航定位精度的前提下,對(duì)衛(wèi)星星座狀態(tài)及GBAS的服務(wù)狀態(tài)展開(kāi)了深入研究。

        2 系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)

        GBAS系統(tǒng)的服務(wù)狀態(tài)是塔臺(tái)狀態(tài)顯示單元的重要部分[3],包括可用和不可用,系統(tǒng)是否可用與衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)結(jié)果直接相關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星星座告警(即不可用)時(shí),GBAS系統(tǒng)不可用。

        衛(wèi)星星座狀態(tài)預(yù)測(cè)包括星座可用性的預(yù)測(cè)信息和當(dāng)前信息,狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果在塔臺(tái)進(jìn)行顯示。星座可用性預(yù)測(cè)是預(yù)測(cè)未來(lái)至少15min內(nèi)星座的可用狀態(tài),若預(yù)測(cè)星座不可用,需及時(shí)向監(jiān)控人員給出衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)告警,預(yù)示GBAS進(jìn)近服務(wù)狀態(tài)在未來(lái)某個(gè)時(shí)刻不可用。星座可用性的當(dāng)前信息是指當(dāng)前衛(wèi)星星座的可用狀態(tài),若不可用,GBAS將產(chǎn)生星座告警和GBAS進(jìn)近服務(wù)狀態(tài)不可用告警[4]。

        結(jié)合衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)峰及GBAS系統(tǒng)產(chǎn)生的報(bào)文等信息,使用星歷或者歷書進(jìn)行系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)。若發(fā)生如下情況,產(chǎn)生相應(yīng)的星座告警和系統(tǒng)不可用告警如下。

        a)當(dāng)預(yù)測(cè)使用的衛(wèi)星數(shù)量低于4顆時(shí),產(chǎn)生告警;

        b)在FAS(Final Approach Segment)跑道坐標(biāo)系下,若無(wú)故障H0(所有基準(zhǔn)接收機(jī)和測(cè)距源均正常工作沒(méi)有異常,稱為H0假設(shè))下的保護(hù)級(jí)超過(guò)告警門限時(shí),產(chǎn)生告警。

        系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)流程圖如圖1所示,具體流程如下。

        圖1 GBAS系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)流程圖

        a)使用相關(guān)峰、星歷、歷書、GBAS報(bào)文等信息預(yù)測(cè)衛(wèi)星數(shù)量,數(shù)量為m;

        b)若衛(wèi)星數(shù)量m<4顆,衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)不可用;若衛(wèi)星數(shù)m≥4顆,計(jì)算H0下的保護(hù)級(jí)PL(Protection Level),包括側(cè)向、垂直保護(hù)級(jí),并找到最大值;

        c)將最大值與告警門限AL(Alert Limit)比較,若在告警門限內(nèi),衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)可用,否則不可用;

        d)當(dāng)產(chǎn)生星座預(yù)測(cè)不可用告警,且星座不可用狀態(tài)一直未恢復(fù),則會(huì)發(fā)生當(dāng)前衛(wèi)星星座不可用和GBAS當(dāng)前服務(wù)狀態(tài)不可用,此時(shí)需要及時(shí)調(diào)整或終止GBAS進(jìn)近程序,防止危險(xiǎn)發(fā)生。

        2.1 衛(wèi)星數(shù)量預(yù)測(cè)

        系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)是以機(jī)場(chǎng)GBAS基準(zhǔn)位置(GBAS報(bào)文中的基準(zhǔn)位置)為觀測(cè)點(diǎn),預(yù)測(cè)基準(zhǔn)位置處衛(wèi)星的可見(jiàn)性,衛(wèi)星的可見(jiàn)性由衛(wèi)星相對(duì)于地面觀測(cè)點(diǎn)的高度角決定,高度角是觀測(cè)點(diǎn)地平線與觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)衛(wèi)星連線的夾角,高度角范圍為(-90°,90°)。當(dāng)高度角>0°,即衛(wèi)星位于地平線以上,此衛(wèi)星對(duì)觀測(cè)點(diǎn)是可見(jiàn)的,實(shí)際中還應(yīng)考慮遮蔽性。當(dāng)衛(wèi)星仰角較小時(shí)會(huì)引起電離層誤差和對(duì)流層誤差的增大,因此設(shè)定基準(zhǔn)接收機(jī)的截止仰角為一定角度(如5°),當(dāng)衛(wèi)星仰角大于該值時(shí)認(rèn)為衛(wèi)星是可見(jiàn)的,反之不可見(jiàn)。

        衛(wèi)星和GBAS基準(zhǔn)點(diǎn)之間的角度(統(tǒng)一為高度角)可以用衛(wèi)星位置和基準(zhǔn)點(diǎn)位置來(lái)確定。通過(guò)使用星歷或歷書求得衛(wèi)星在地心固定坐標(biāo)系中的預(yù)測(cè)位置后,然后將該衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)換成以GBAS基準(zhǔn)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的站心直角坐標(biāo),即可求得衛(wèi)星的仰角。仰角計(jì)算方法如下。

        a)設(shè)GBAS基準(zhǔn)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的位置為(B,L,H),在空間直角坐標(biāo)系中的位置為(Xr,Yr,Zr);

        b)利用導(dǎo)航電文中的星歷或歷書參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星在地心地固坐標(biāo)系中的空間預(yù)測(cè)位置為(Xs,Ys,Zs),可參考文獻(xiàn)[5];

        c)求得衛(wèi)星在以基準(zhǔn)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的站心直角坐標(biāo)系下的位置(Xp,Yp,Zp)為

        (1)

        其中,

        (2)

        d)根據(jù)仰角el和方位角az的定義可以得出

        (3)

        根據(jù)GBAS基準(zhǔn)位置為觀測(cè)點(diǎn),進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)量可用性預(yù)測(cè),當(dāng)預(yù)測(cè)的衛(wèi)星仰角小于5°時(shí),視衛(wèi)星為不可見(jiàn)。其中預(yù)測(cè)的衛(wèi)星不包括星歷不健康和GBAS地面設(shè)備完好性排除的衛(wèi)星。當(dāng)預(yù)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量低于4顆時(shí),進(jìn)行星座告警及系統(tǒng)相應(yīng)的不可用告警。

        2.2 FAS跑道坐標(biāo)系下的保護(hù)級(jí)

        在FAS跑道坐標(biāo)系下,利用無(wú)故障H0下的保護(hù)級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)。所有衛(wèi)星在H0假設(shè)下,精密進(jìn)近的垂直保護(hù)級(jí)(VPLH0)和側(cè)向保護(hù)級(jí)(LPLH0)分別與垂直告警門限(FASVAL)和側(cè)向告警門限(FASLAL)比較,若保護(hù)級(jí)大于告警門限,進(jìn)行衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)告警,系統(tǒng)不可用。

        衛(wèi)星故障是影響導(dǎo)航系統(tǒng)完好性和可用性的因素之一,在VPLH0和LPLH0數(shù)值計(jì)算中,地面設(shè)備不能利用以下a)、b)和c)情況的衛(wèi)星信息;d)、e)和f)為計(jì)算保護(hù)級(jí)的條件說(shuō)明。

        a)星歷或歷書不正確的衛(wèi)星;

        b)結(jié)合衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)峰,監(jiān)測(cè)3個(gè)及以上相關(guān)對(duì)及峰值,排除信號(hào)質(zhì)量差的衛(wèi)星;

        c)結(jié)合信號(hào)質(zhì)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量、測(cè)量質(zhì)量等GBAS完好性監(jiān)測(cè)算法,排除故障衛(wèi)星;

        d)衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)是相對(duì)于地面基準(zhǔn)點(diǎn)位置中心產(chǎn)生的,因此計(jì)算保護(hù)級(jí)時(shí)應(yīng)以GBAS的基準(zhǔn)位置觀測(cè)的衛(wèi)星進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)需要將觀測(cè)信息轉(zhuǎn)換到機(jī)場(chǎng)FAS坐標(biāo)系下,以FAS跑道起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),然后計(jì)算無(wú)故障下的保護(hù)級(jí);

        e)衛(wèi)星仰角:5°~90°,方位角:0°~360°;

        f)衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)使用所有可見(jiàn)衛(wèi)星的當(dāng)前星歷。當(dāng)所有的衛(wèi)星正在進(jìn)入視界時(shí),應(yīng)使用最近的歷書。

        衛(wèi)星星座告警時(shí),當(dāng)預(yù)測(cè)衛(wèi)星與機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)位置的幾何分布(即幾何構(gòu)型)不夠理想時(shí),未來(lái)可能產(chǎn)生危險(xiǎn)事件,F(xiàn)AS跑道坐標(biāo)系下的無(wú)故障保護(hù)級(jí)能夠?yàn)轱w機(jī)進(jìn)近和著陸提供良好的安全預(yù)警提示[6]。FAS跑道坐標(biāo)系下的無(wú)故障保護(hù)級(jí)計(jì)算方法如下。

        a)首先確定空間直角坐標(biāo)系與FAS跑道坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)化矩陣,在計(jì)算跑道FAS坐標(biāo)系過(guò)程中,以跑道入口為參考原點(diǎn),確定跑道徑向、垂向、側(cè)向的方向矢量[7],機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系與XYZ坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣A=[u_rwu_latu_vert]T;

        b)利用轉(zhuǎn)換矩陣A,轉(zhuǎn)為FAS坐標(biāo)系下的衛(wèi)星觀測(cè)矢量為A×(Xs_i,Ys_i,Zs_i)T,其中i=1,2…N,i為衛(wèi)星編號(hào);

        c)確定FAS跑道下的S矩陣,構(gòu)建機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系下的S矩陣為

        S=(GT·W·G)-1·GT·W

        (4)

        式中:S——加權(quán)的最小二乘投影矩陣,4行N列,N為衛(wèi)星數(shù)量;G——基準(zhǔn)點(diǎn)和FAS坐標(biāo)系下衛(wèi)星之間的幾何觀測(cè)矩陣。

        利用基準(zhǔn)位置處的衛(wèi)星觀測(cè)矢量計(jì)算衛(wèi)星仰角θi和方位角Azi,給出G矩陣。

        Gi=[-cosθicosAzi,-cosθisinAzi,-sinθi,1]

        (5)

        經(jīng)差分修正后的剩余誤差協(xié)方差矩陣為W,W的逆矩陣可表示為

        (6)

        (7)

        式中:σpr_gnd——GBAS廣播的偽距修正誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;σtropo——對(duì)流層延遲殘余誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;σpr_air——噪聲、干擾和多徑效應(yīng)等引起的殘余誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;σiono——電離層延遲殘余誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。

        a)無(wú)故障H0下的進(jìn)近側(cè)向保護(hù)級(jí)為

        (8)

        SApr_lat,i=S2,i

        (9)

        b)無(wú)故障H0下的進(jìn)近垂直保護(hù)級(jí)為

        (10)

        SApr_vert,i=S3,i+S1,itan(θGPA)

        (11)

        式中:Kffmd——由保護(hù)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、基準(zhǔn)接收機(jī)的個(gè)數(shù)、故障先驗(yàn)概率計(jì)算得到;DV——取決于GBAS進(jìn)近服務(wù)類型;θGPA——最終進(jìn)近航路的下滑角。

        當(dāng)LPLApr_H0和VPLApr_H0超過(guò)預(yù)設(shè)的告警門限時(shí)[8],產(chǎn)生星座可用性預(yù)測(cè)告警。

        3 仿真分析

        通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)模擬源進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的模擬,驗(yàn)證系統(tǒng)能否正常輸出衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)信息、衛(wèi)星星座當(dāng)前信息及系統(tǒng)不可用信息。首先設(shè)置模擬源場(chǎng)景[9],模擬6顆衛(wèi)星,當(dāng)模擬源場(chǎng)景運(yùn)行一段時(shí)間后(周內(nèi)秒為88 685),此時(shí)預(yù)計(jì)衛(wèi)星數(shù)將在15min后少于4顆。驗(yàn)證仿真結(jié)果如圖2、圖3所示,當(dāng)距離衛(wèi)星星座告警15min時(shí),此時(shí)周內(nèi)秒為88 685,文中算法預(yù)測(cè)垂直保護(hù)級(jí)將超過(guò)告警線,衛(wèi)星星座預(yù)測(cè)中斷,衛(wèi)星星座即將在15min后告警,系統(tǒng)將不可用。當(dāng)衛(wèi)星星座開(kāi)始告警時(shí),此時(shí)周內(nèi)秒為89 584,當(dāng)前垂直保護(hù)級(jí)超過(guò)告警線,告警當(dāng)前衛(wèi)星星座不可用,GBAS服務(wù)狀態(tài)不可用。

        圖2 系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)-VPL

        圖3 系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)-LPL

        4 結(jié)束語(yǔ)

        目前,大部分現(xiàn)有技術(shù)研究只是針對(duì)衛(wèi)星星座幾何分布對(duì)當(dāng)前定位精度的影響,而缺少一種根據(jù)對(duì)衛(wèi)星星座狀態(tài)的預(yù)測(cè)給出相應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的技術(shù)手段,以保證GBAS進(jìn)近服務(wù)狀態(tài)的長(zhǎng)期可靠性。針對(duì)GBAS進(jìn)近引導(dǎo)系統(tǒng),提出了一種基于機(jī)場(chǎng)GBAS基準(zhǔn)位置的系統(tǒng)可用性預(yù)測(cè)方法,可以預(yù)測(cè)衛(wèi)星星座的狀態(tài)及系統(tǒng)可用性狀態(tài),有效避免了GBAS衛(wèi)星星座的潛在不安全因素,進(jìn)而保證了GBAS進(jìn)近服務(wù)的安全性。

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