劉瑞華，楊煥發(fā)

GBAS基準(zhǔn)站多徑效應(yīng)評(píng)估技術(shù)

劉瑞華，楊煥發(fā)

（中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

陸基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）播發(fā)的差分信息無(wú)法校正GBAS地面子系統(tǒng)與機(jī)載子系統(tǒng)之間的非相關(guān)誤差，如多徑誤差，致使其成為GBAS在標(biāo)稱環(huán)境下的最大誤差源。在GBAS基準(zhǔn)站正式部署之前，必須對(duì)初始臺(tái)址進(jìn)行多徑效應(yīng)的量化評(píng)估，以驗(yàn)證當(dāng)前站址是否滿足安裝要求。基于碼減載波（CMC）方法，進(jìn)行了實(shí)際安裝的GBAS基準(zhǔn)站的多徑效應(yīng)評(píng)估。結(jié)果表明，當(dāng)前GBAS基準(zhǔn)站布設(shè)環(huán)境可以滿足多徑誤差要求。同時(shí)，載波平滑算法可有效抑制站點(diǎn)的多徑效應(yīng)，且算法隨平滑時(shí)間常數(shù)的增大而更加有效。在當(dāng)前安裝條件下，GBAS基準(zhǔn)站多徑誤差指標(biāo)項(xiàng)結(jié)果滿足GAD-B3類精度等級(jí)要求。

陸基增強(qiáng)系統(tǒng)；基準(zhǔn)站；碼減載波；多徑效應(yīng)

0 引言

隨著民航業(yè)務(wù)吞吐量的日益增長(zhǎng)，龐大的空中交通運(yùn)輸體量對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)支持的進(jìn)近著陸引導(dǎo)服務(wù)提出了巨大挑戰(zhàn)。為了增強(qiáng)傳統(tǒng)空中交通管理（Air Traffic Management，ATM）技術(shù)能力，使飛機(jī)在進(jìn)近著陸過(guò)程中獲得更高級(jí)別的所需導(dǎo)航性能（Required Navigation Performance，RNP），陸基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground-Based Augmentation Systems，GBAS）應(yīng)運(yùn)而生[1]。從本質(zhì)上講，GBAS是一個(gè)利用本地差分信息對(duì)GPS、GLONASS等空間星座提供的導(dǎo)航服務(wù)進(jìn)行增強(qiáng)，進(jìn)而引導(dǎo)航空器實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)近的差分導(dǎo)航系統(tǒng)。GBAS由空間衛(wèi)星星座子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)和機(jī)載子系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，地面子系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星子系統(tǒng)播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的捕獲跟蹤以及解碼，并基于解碼數(shù)據(jù)計(jì)算生成機(jī)載端所需差分校正信息及完好性參數(shù)。地面子系統(tǒng)通過(guò)甚高頻（Very High Frequency，VHF）數(shù)據(jù)鏈向航空器播發(fā)增強(qiáng)信息，機(jī)載子系統(tǒng)則將增強(qiáng)信息應(yīng)用于航空器的位置解算和完好性分析。

差分處理后，地面子系統(tǒng)和機(jī)載子系統(tǒng)之間的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)等相關(guān)誤差基本消除。但廣播差分校正值無(wú)法消除地面子系統(tǒng)與機(jī)載子系統(tǒng)之間的非相關(guān)誤差，比如GBAS基準(zhǔn)站多徑誤差、機(jī)載天線多徑誤差、信號(hào)射頻干擾誤差等。衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)直射、繞射、反射等方式抵達(dá)接收機(jī)天線，其中直射信號(hào)由衛(wèi)星直接抵達(dá)接收機(jī)天線，由于未發(fā)生阻擋，直射信號(hào)強(qiáng)度衰減較慢。反射和繞射等信號(hào)在接觸接收機(jī)天線周圍環(huán)境后路徑發(fā)生改變，部分反射和繞射信號(hào)也能抵達(dá)接收機(jī)天線，但信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生較大衰減。當(dāng)衛(wèi)星仰角較小時(shí)，部分反射信號(hào)的強(qiáng)度甚至高于直射信號(hào)，導(dǎo)致觀測(cè)值數(shù)據(jù)可靠性降低，從而引入多徑誤差[2]。多徑誤差對(duì)地面基準(zhǔn)站和機(jī)載接收機(jī)都有影響，且多徑誤差在每部接收機(jī)上都是不同的，因此在差分校正過(guò)程中不會(huì)被消除。一般認(rèn)為多徑誤差是GBAS在標(biāo)稱環(huán)境下的最大誤差源。在GBAS基準(zhǔn)站布設(shè)時(shí)，應(yīng)對(duì)初始選址站點(diǎn)進(jìn)行多徑誤差的量化評(píng)估，以最小化多徑誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2010年，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）發(fā)布GBAS地面系統(tǒng)選址標(biāo)準(zhǔn)6884.1。標(biāo)準(zhǔn)中指出，利用碼減載波（Code Minus Cartier，CMC）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)站多徑誤差的量化評(píng)估，但未給出具體評(píng)估流程[3]。美國(guó)Alfred R. Lopez等人基于ARL-1900 LAAS/GBAS地面參考天線在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的多徑效應(yīng)，提出了一種緩解多徑效應(yīng)的方法，并描述了地面反射率對(duì)地面多徑效應(yīng)的影響，由此提出了減小GBAS基準(zhǔn)站天線多徑誤差的選址建議[4]。德國(guó)柏林大學(xué)André Schüttpelz等人，采用CMC技術(shù)，完成了法蘭克福機(jī)場(chǎng)霍尼韋爾SLS-3000型GBAS基準(zhǔn)站的多徑誤差量化評(píng)估，但未驗(yàn)證不同平滑時(shí)間常數(shù)的載波相位平滑算法在各個(gè)站點(diǎn)上的有效性[5]。北京航空航天大學(xué)王志鵬等人，對(duì)GBAS地面系統(tǒng)布設(shè)方案進(jìn)行研究，給出了GBAS基準(zhǔn)站的多徑誤差評(píng)估流程，但缺乏數(shù)據(jù)支持和驗(yàn)證，僅給出了評(píng)估步驟[6]。本文基于實(shí)驗(yàn)室搭建的測(cè)試型GBAS基準(zhǔn)站子系統(tǒng)，利用碼減載波技術(shù)，首次完成了不同載波相位平滑時(shí)間常數(shù)下基準(zhǔn)站多徑誤差的量化評(píng)估，所取得的研究成果可以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該方面研究的不足，為今后各個(gè)機(jī)場(chǎng)GBAS基準(zhǔn)站的多徑效應(yīng)評(píng)估提供技術(shù)參考。

1 碼減載波方法原理

對(duì)于GBAS基準(zhǔn)站，在某一觀測(cè)歷元，GPS偽距和載波相位觀測(cè)方程如式（1）和式（2）所示：

式中，各參數(shù)意義與式（2）相同。

式（9）給出原始偽距多徑誤差和接收機(jī)噪聲。將原始偽距多徑誤差和接收機(jī)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理并與航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）頒布的DO-253C號(hào)文件給出的多徑和接收機(jī)噪聲誤差標(biāo)準(zhǔn)差包絡(luò)值比較，對(duì)站址多徑環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。多徑和接收機(jī)噪聲誤差標(biāo)準(zhǔn)差包絡(luò)值如式（11）所示[9]：

表1 CMC樣本數(shù)據(jù)分塊間隔（單位：°）

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)條件

為滿足教學(xué)和科研需求，中國(guó)民航大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室搭建了測(cè)試型GBAS地面系統(tǒng)。其中，基準(zhǔn)站子系統(tǒng)位于中國(guó)民航大學(xué)北校區(qū)六號(hào)教學(xué)樓樓頂，如圖1所示。

每個(gè)基準(zhǔn)站由高精度基準(zhǔn)站型接收機(jī)和扼流圈天線組成，三個(gè)基準(zhǔn)站之間距離約為15 m，可接收GPS/BDS/Galileo三個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)。GBAS數(shù)據(jù)處理單元位于北六教學(xué)樓二樓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，實(shí)時(shí)計(jì)算本地差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息。

GBAS基準(zhǔn)站截止仰角設(shè)置為10°，收集2021年6月1日至4日基準(zhǔn)站子系統(tǒng)的GPS L1和L2雙頻觀測(cè)值數(shù)據(jù)。在計(jì)算CMC數(shù)據(jù)前，首先應(yīng)進(jìn)行雙頻觀測(cè)值數(shù)據(jù)的預(yù)處理。包括周跳探測(cè)以及剔除數(shù)據(jù)集中信噪比較低的觀測(cè)值數(shù)據(jù)（信噪比閾值設(shè)置為30 dB/Hz）。

每天的觀測(cè)值數(shù)據(jù)應(yīng)單獨(dú)分析，這是由于GPS星座衛(wèi)星的回歸周期為一天，更長(zhǎng)周期的觀測(cè)會(huì)在多徑誤差中引入額外的相關(guān)性。由于基準(zhǔn)站的靜態(tài)位置以及GPS衛(wèi)星軌道的周期重復(fù)性，四天內(nèi)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有相似的分析結(jié)果。本文以6月4日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，對(duì)評(píng)估流程與評(píng)估結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

以基準(zhǔn)站RR1為例，基準(zhǔn)站RR1的原始值數(shù)據(jù)集包括了6月4日當(dāng)天所有可用衛(wèi)星的值。圖2顯示了基準(zhǔn)站RR1對(duì)應(yīng)于所有可用衛(wèi)星的原始值數(shù)據(jù)隨仰角變化情況。

圖2 原始CMC值隨仰角變化圖

從圖2可看出，值在各仰角區(qū)間范圍內(nèi)均值均趨向于0。隨著衛(wèi)星仰角的增大，值逐漸減小，當(dāng)衛(wèi)星仰角超過(guò)60°時(shí)，值基本恒定。這可以歸因于，當(dāng)衛(wèi)星處于低仰角狀態(tài)時(shí)，由電離層延遲和多徑效應(yīng)等引起的偽距測(cè)量誤差較大。

以1°為分塊間隔，對(duì)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，統(tǒng)計(jì)各個(gè)仰角分塊內(nèi)的值標(biāo)準(zhǔn)差，并與DO-253C中給出的標(biāo)準(zhǔn)差包絡(luò)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。

不難發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果整體小于DO-253C中給出的包絡(luò)值，即在當(dāng)前安裝地點(diǎn)，基準(zhǔn)站的多徑誤差較小，滿足安裝要求?；鶞?zhǔn)站RR2、RR3的計(jì)算結(jié)果同樣滿足該安裝要求。

基于原始數(shù)據(jù)，驗(yàn)證載波相位平滑算法在站點(diǎn)上的有效性。將原始值輸入式（12）中的低通濾波器，載波相位平滑時(shí)間常數(shù)分別設(shè)置為30 s和100 s。圖4展示了在不同平滑時(shí)間常數(shù)下，所有可用衛(wèi)星的值隨仰角變化情況。

圖4 不同平滑時(shí)間常數(shù)下可用衛(wèi)星CMC值隨仰角變化圖

由圖4可知，值在各仰角區(qū)內(nèi)，均值趨向于0，相較于原始值，平滑算法處理后的值有明顯的減小，這是因?yàn)槠交瑸V波器具有低通濾波特性，多徑和接收機(jī)噪聲中的高頻分量被有效濾除。

同時(shí)，由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著載波相位平滑時(shí)間常數(shù)的增大，平滑變得更加有效。表2給出了不同平滑時(shí)間常數(shù)下所有可用衛(wèi)星值的均方根（Root Mean Square，RMS），由于值服從零均值分布，RMS可近乎表示值的標(biāo)準(zhǔn)差。隨著平滑時(shí)間常數(shù)的增大，RMS值逐漸減小。

表2 不同平滑時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)的CMC值均方根

具體到某一顆衛(wèi)星，以G02衛(wèi)星為例，圖5給出了6月4日G02衛(wèi)星的仰角與L1頻點(diǎn)上信噪比隨時(shí)間變化曲線。

圖5 G02仰角與信噪比變化曲線

不難發(fā)現(xiàn)，隨著衛(wèi)星仰角的增大，衛(wèi)星信號(hào)信噪比也隨之增大，整個(gè)觀測(cè)時(shí)段范圍內(nèi)，信號(hào)信噪比未降到門限值以下。

圖6顯示了G02衛(wèi)星在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的值隨時(shí)間變化曲線。可以看到，隨著平滑時(shí)間常數(shù)的增大，G02衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的值平滑效果更加明顯。

圖6 G02 CMC值隨時(shí)間變化曲線

將值取絕對(duì)值并沿衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡聯(lián)線得到站點(diǎn)周視圖，可以直觀看出站點(diǎn)環(huán)境對(duì)多徑效應(yīng)的影響?；谏鲜鲋禂?shù)據(jù)，將每顆衛(wèi)星的值進(jìn)行繪圖，得到6月4日基準(zhǔn)站RR1的多徑周視圖如圖7所示。

圖7中的計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)平滑算法處理后，該站點(diǎn)多徑效應(yīng)主要來(lái)源于西南和西北方向。分析站址周邊環(huán)境，結(jié)合圖1（a）可以看到，由于基準(zhǔn)站RR1位于樓體邊緣，樓體邊緣的護(hù)墻和植被對(duì)基準(zhǔn)站天線產(chǎn)生了一定的遮擋效應(yīng)?；谙嗤幚矸绞綄?duì)基準(zhǔn)站RR2、RR3的雙頻觀測(cè)值進(jìn)行處理，處理結(jié)果表明，RR2、RR3的多徑效應(yīng)均主要來(lái)源于東南方向。結(jié)合圖1（b）發(fā)現(xiàn)，這可以歸因于東南方向的護(hù)墻和植被對(duì)基準(zhǔn)站天線產(chǎn)生了遮擋，從而造成較大多徑誤差。

將經(jīng)過(guò)平滑處理得到的數(shù)據(jù)，以2倍的平滑時(shí)間常數(shù)為間隔進(jìn)行采樣，形成新的樣本數(shù)據(jù)，并對(duì)采樣得到的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖8 RR1平滑CMC值標(biāo)準(zhǔn)差隨仰角變化

觀察圖8可知，兩種平滑時(shí)間常數(shù)下的值標(biāo)準(zhǔn)差曲線，均包絡(luò)于GAD-B3類精度等級(jí)曲線。同時(shí)，在高仰角范圍內(nèi)，值標(biāo)準(zhǔn)差可以達(dá)到GAD-C3精度等級(jí)要求，但在低仰角范圍內(nèi)，值標(biāo)準(zhǔn)差無(wú)法包絡(luò)于GAD-C3曲線，即無(wú)法達(dá)到GAD-C3類精度等級(jí)要求。這是由于衛(wèi)星仰角較低時(shí)，電離層延遲誤差和多徑誤差等引起的偽距測(cè)量誤差較大。在GBAS實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，GBAS基準(zhǔn)站子系統(tǒng)裝配代表目前最高精度水平的接收機(jī)及多徑抑制天線（Multipath Limiting Antenna，MLA）來(lái)最大程度上減小多徑測(cè)量誤差，從而達(dá)到C類精度等級(jí)，實(shí)驗(yàn)室裝配的基準(zhǔn)接收機(jī)及扼流圈天線對(duì)多徑效應(yīng)的抑制仍然有限。

圖9和圖10為6月4日基準(zhǔn)站RR2、RR3兩種平滑時(shí)間常數(shù)下的值標(biāo)準(zhǔn)差曲線?？梢钥吹剑瑑煞N平滑時(shí)間常數(shù)下的標(biāo)準(zhǔn)差曲線均包絡(luò)于GAD-B3類精度等級(jí)曲線。對(duì)比圖8、圖9和圖10可以看到，三個(gè)基準(zhǔn)站的平滑值標(biāo)準(zhǔn)差曲線雖均包絡(luò)于GAD-B3類精度等級(jí)曲線，但也存在明顯不同，這可以歸因于每一部參考天線安裝環(huán)境的差異性。同時(shí)，相較于其他兩個(gè)基準(zhǔn)站，RR2的值標(biāo)準(zhǔn)差整體偏大，可以歸因于RR2參考天線較差的安裝環(huán)境。如圖1所示，相較于其它兩個(gè)基準(zhǔn)站，RR2更加靠近墻體，樓頂護(hù)墻可造成較大的多徑誤差，使得觀測(cè)值數(shù)據(jù)可靠性降低，最終導(dǎo)致RR2相較于其他兩個(gè)基準(zhǔn)站具有相對(duì)較差的精度性能。

圖9 RR2平滑CMC值標(biāo)準(zhǔn)差隨仰角變化

圖10 RR3平滑CMC值標(biāo)準(zhǔn)差隨仰角變化

上述結(jié)果表明，當(dāng)前GBAS基準(zhǔn)站子系統(tǒng)安裝環(huán)境滿足安裝要求。同時(shí)，GBAS基準(zhǔn)站子系統(tǒng)多徑誤差指標(biāo)項(xiàng)結(jié)果滿足GAD-B3類精度等級(jí)要求。

3 結(jié)論

GBAS基準(zhǔn)站實(shí)際布設(shè)時(shí)，站點(diǎn)的選取可直接影響GBAS整體運(yùn)行性能，對(duì)初始選址站點(diǎn)進(jìn)行多徑效應(yīng)的量化評(píng)估尤為重要。本文基于實(shí)驗(yàn)室搭建的GBAS地面系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，完成了基準(zhǔn)站站點(diǎn)多徑效應(yīng)的量化評(píng)估。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在當(dāng)前安裝環(huán)境下，各個(gè)基準(zhǔn)站的多徑誤差較小，滿足安裝要求。同時(shí)，載波相位平滑算法可以有效減小基準(zhǔn)站多徑誤差和接收機(jī)噪聲，在相關(guān)布設(shè)條件下，GBAS地面子系統(tǒng)多徑誤差指標(biāo)結(jié)果滿足GAD-B3類精度等級(jí)要求。

由于實(shí)驗(yàn)室搭建的GBAS基準(zhǔn)站子系統(tǒng)位于空曠樓頂，基準(zhǔn)站天線接收信號(hào)受建筑物、地形、地面植被等因素影響較小，因此評(píng)估結(jié)果較為理想。在GBAS基準(zhǔn)站實(shí)際布設(shè)過(guò)程中，機(jī)場(chǎng)建筑物、植被以及車輛等都會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)造成影響，產(chǎn)生多徑效應(yīng)。依照本文給出的測(cè)試評(píng)估方法和流程，可以有效地站址多徑環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，為GBAS基準(zhǔn)站的選址和布設(shè)提供決策依據(jù)。

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Multipath Effect Assessment Method for GBAS Reference Stations

LIU Ruihua, YANG Huanfa

Differential information broadcast by the Ground-Based Augmentation System (GBAS) cannot correct for uncorrelated errors between the GBAS ground subsystems and airborne subsystems, e.g, multipath errors, making it the largest error source of GBAS in the nominal environment. Before the GBAS reference station is formally deployed, the initial station site must be evaluated quantitatively for the multipath effect to verify that the current site location meets the installation requirements. The multipath effect assessment of an actual installed GBAS reference station is performed based on the code minus carrier (CMC) methodology. The results show that the GBAS reference station deployment environment can meet the multipath error requirements. Simultaneously, the carrier smoothing algorithm can effectively suppress the multipath effect of the site, the algorithm becomes much more effective with the smoothing time constant increasing. Under the current installation conditions, the results of the multipath error-index term of the GBAS reference station were found satisfying the requirements of the GAD-B3 class accuracy level.

GBAS; Reference Station; Code Minus Carrier; Multipath Effect

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-03-176-07

2022-04-08。

劉瑞華（1965.10—），陜西藍(lán)田人，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航及其在民航中的應(yīng)用。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0502402）