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)是包含一個或多個衛(wèi)星星座，能夠提供定位、測速和授時(PVT)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GNSS導(dǎo)航的快速發(fā)展，為人類帶來了巨大的社會、經(jīng)濟效益。為了提高GNSS的精度和完好性，GNSS增加了外部系統(tǒng)以增強其性能，如地基增強系統(tǒng)GBAS，其完好性也日益受到關(guān)注。目前，國際民航組織(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)特定運行或空域所要求達到的精確性、完好性、可用性、連續(xù)性以及相應(yīng)功能來確定航空器的系統(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)組塊升級計劃中的核心導(dǎo)航技術(shù)之一，ICAO將逐步推動從陸基導(dǎo)航向星基導(dǎo)航平穩(wěn)過渡，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、安全性及運行成本方面較傳統(tǒng)的進近方式有了很大的改善，GBAS服務(wù)運行的可靠性和安全性是民航新技術(shù)應(yīng)用和驗證工作的重中之重[1]。

GBAS系統(tǒng)運行所使用的衛(wèi)星數(shù)量、軌道參數(shù)及星座布局對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值和定位精度來評估其系統(tǒng)當前衛(wèi)星星座的性能[2]。對于GBAS精密進近引導(dǎo)系統(tǒng)來說，GBAS可用性的服務(wù)狀態(tài)與衛(wèi)星星座狀態(tài)預(yù)測結(jié)果有關(guān)，星座告警預(yù)測可以有效提高GBAS引導(dǎo)服務(wù)的安全性，但目前對衛(wèi)星星座當前及未來狀態(tài)預(yù)測的相關(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，對衛(wèi)星星座狀態(tài)及GBAS的服務(wù)狀態(tài)展開了深入研究。

2 系統(tǒng)可用性預(yù)測

GBAS系統(tǒng)的服務(wù)狀態(tài)是塔臺狀態(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)測結(jié)果直接相關(guān)。當衛(wèi)星星座告警(即不可用)時，GBAS系統(tǒng)不可用。

衛(wèi)星星座狀態(tài)預(yù)測包括星座可用性的預(yù)測信息和當前信息，狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果在塔臺進行顯示。星座可用性預(yù)測是預(yù)測未來至少15min內(nèi)星座的可用狀態(tài)，若預(yù)測星座不可用，需及時向監(jiān)控人員給出衛(wèi)星星座預(yù)測告警，預(yù)示GBAS進近服務(wù)狀態(tài)在未來某個時刻不可用。星座可用性的當前信息是指當前衛(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進近服務(wù)狀態(tài)不可用告警[4]。

結(jié)合衛(wèi)星信號的相關(guān)峰及GBAS系統(tǒng)產(chǎn)生的報文等信息，使用星歷或者歷書進行系統(tǒng)可用性預(yù)測。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)當預(yù)測使用的衛(wèi)星數(shù)量低于4顆時，產(chǎn)生告警；

b)在FAS(Final Approach Segment)跑道坐標系下，若無故障H0(所有基準接收機和測距源均正常工作沒有異常，稱為H0假設(shè))下的保護級超過告警門限時，產(chǎn)生告警。

系統(tǒng)可用性預(yù)測流程圖如圖1所示，具體流程如下。

圖1 GBAS系統(tǒng)可用性預(yù)測流程圖

a)使用相關(guān)峰、星歷、歷書、GBAS報文等信息預(yù)測衛(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)測不可用；若衛(wèi)星數(shù)m≥4顆，計算H0下的保護級PL(Protection Level)，包括側(cè)向、垂直保護級，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)測可用，否則不可用；

d)當產(chǎn)生星座預(yù)測不可用告警，且星座不可用狀態(tài)一直未恢復(fù)，則會發(fā)生當前衛(wèi)星星座不可用和GBAS當前服務(wù)狀態(tài)不可用，此時需要及時調(diào)整或終止GBAS進近程序，防止危險發(fā)生。

2.1 衛(wèi)星數(shù)量預(yù)測

系統(tǒng)可用性預(yù)測是以機場GBAS基準位置(GBAS報文中的基準位置)為觀測點，預(yù)測基準位置處衛(wèi)星的可見性，衛(wèi)星的可見性由衛(wèi)星相對于地面觀測點的高度角決定，高度角是觀測點地平線與觀測點和觀測衛(wèi)星連線的夾角，高度角范圍為(-90°,90°)。當高度角>0°，即衛(wèi)星位于地平線以上，此衛(wèi)星對觀測點是可見的，實際中還應(yīng)考慮遮蔽性。當衛(wèi)星仰角較小時會引起電離層誤差和對流層誤差的增大，因此設(shè)定基準接收機的截止仰角為一定角度(如5°)，當衛(wèi)星仰角大于該值時認為衛(wèi)星是可見的，反之不可見。

衛(wèi)星和GBAS基準點之間的角度(統(tǒng)一為高度角)可以用衛(wèi)星位置和基準點位置來確定。通過使用星歷或歷書求得衛(wèi)星在地心固定坐標系中的預(yù)測位置后，然后將該衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)換成以GBAS基準點為坐標原點的站心直角坐標，即可求得衛(wèi)星的仰角。仰角計算方法如下。

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

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

c)求得衛(wèi)星在以基準點為坐標原點的站心直角坐標系下的位置(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基準位置為觀測點，進行衛(wèi)星數(shù)量可用性預(yù)測，當預(yù)測的衛(wèi)星仰角小于5°時，視衛(wèi)星為不可見。其中預(yù)測的衛(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。當預(yù)測的衛(wèi)星數(shù)量低于4顆時，進行星座告警及系統(tǒng)相應(yīng)的不可用告警。

2.2 FAS跑道坐標系下的保護級

在FAS跑道坐標系下，利用無故障H0下的保護級進行系統(tǒng)可用性預(yù)測。所有衛(wèi)星在H0假設(shè)下，精密進近的垂直保護級(VPLH0)和側(cè)向保護級(LPLH0)分別與垂直告警門限(FASVAL)和側(cè)向告警門限(FASLAL)比較，若保護級大于告警門限，進行衛(wèi)星星座預(yù)測告警，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)為計算保護級的條件說明。

a)星歷或歷書不正確的衛(wèi)星；

b)結(jié)合衛(wèi)星信號的相關(guān)峰，監(jiān)測3個及以上相關(guān)對及峰值，排除信號質(zhì)量差的衛(wèi)星；

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

d)衛(wèi)星星座預(yù)測是相對于地面基準點位置中心產(chǎn)生的，因此計算保護級時應(yīng)以GBAS的基準位置觀測的衛(wèi)星進行計算，計算時需要將觀測信息轉(zhuǎn)換到機場FAS坐標系下，以FAS跑道起點為坐標原點，然后計算無故障下的保護級；

e)衛(wèi)星仰角：5°～90°，方位角：0°～360°；

f)衛(wèi)星星座預(yù)測使用所有可見衛(wèi)星的當前星歷。當所有的衛(wèi)星正在進入視界時，應(yīng)使用最近的歷書。

衛(wèi)星星座告警時，當預(yù)測衛(wèi)星與機場基準位置的幾何分布(即幾何構(gòu)型)不夠理想時，未來可能產(chǎn)生危險事件，F(xiàn)AS跑道坐標系下的無故障保護級能夠為飛機進近和著陸提供良好的安全預(yù)警提示[6]。FAS跑道坐標系下的無故障保護級計算方法如下。

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

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

c)確定FAS跑道下的S矩陣，構(gòu)建機場坐標系下的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——基準點和FAS坐標系下衛(wèi)星之間的幾何觀測矩陣。

利用基準位置處的衛(wèi)星觀測矢量計算衛(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準差；σtropo——對流層延遲殘余誤差的標準差；σpr_air——噪聲、干擾和多徑效應(yīng)等引起的殘余誤差的標準差；σiono——電離層延遲殘余誤差的標準差。

a)無故障H0下的進近側(cè)向保護級為

(8)

SApr_lat,i=S2,i

(9)

b)無故障H0下的進近垂直保護級為

(10)

SApr_vert,i=S3,i+S1,itan(θGPA)

(11)

式中：Kffmd——由保護級風(fēng)險、基準接收機的個數(shù)、故障先驗概率計算得到；DV——取決于GBAS進近服務(wù)類型；θGPA——最終進近航路的下滑角。

當LPLApr_H0和VPLApr_H0超過預(yù)設(shè)的告警門限時[8]，產(chǎn)生星座可用性預(yù)測告警。

3 仿真分析

通過衛(wèi)星信號模擬源進行衛(wèi)星信號的模擬，驗證系統(tǒng)能否正常輸出衛(wèi)星星座預(yù)測信息、衛(wèi)星星座當前信息及系統(tǒng)不可用信息。首先設(shè)置模擬源場景[9]，模擬6顆衛(wèi)星，當模擬源場景運行一段時間后(周內(nèi)秒為88 685)，此時預(yù)計衛(wèi)星數(shù)將在15min后少于4顆。驗證仿真結(jié)果如圖2、圖3所示，當距離衛(wèi)星星座告警15min時，此時周內(nèi)秒為88 685，文中算法預(yù)測垂直保護級將超過告警線，衛(wèi)星星座預(yù)測中斷，衛(wèi)星星座即將在15min后告警，系統(tǒng)將不可用。當衛(wèi)星星座開始告警時，此時周內(nèi)秒為89 584，當前垂直保護級超過告警線，告警當前衛(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-VPL

圖3 系統(tǒng)可用性預(yù)測-LPL

4 結(jié)束語

目前，大部分現(xiàn)有技術(shù)研究只是針對衛(wèi)星星座幾何分布對當前定位精度的影響，而缺少一種根據(jù)對衛(wèi)星星座狀態(tài)的預(yù)測給出相應(yīng)安全風(fēng)險預(yù)警的技術(shù)手段，以保證GBAS進近服務(wù)狀態(tài)的長期可靠性。針對GBAS進近引導(dǎo)系統(tǒng)，提出了一種基于機場GBAS基準位置的系統(tǒng)可用性預(yù)測方法，可以預(yù)測衛(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，進而保證了GBAS進近服務(wù)的安全性。