北斗GBAS著陸系統(tǒng)信號(hào)覆蓋評(píng)估方法

焦衛(wèi)東 唐志虎 沈笑云 萬(wàn)棣 張思遠(yuǎn)

(1.中國(guó)民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300;2.中國(guó)民用航空中南地區(qū)空中交通管理局湖北分局,武漢 430000)

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北斗GBAS著陸系統(tǒng)信號(hào)覆蓋評(píng)估方法

焦衛(wèi)東1唐志虎2沈笑云1萬(wàn)棣1張思遠(yuǎn)1

(1.中國(guó)民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300;2.中國(guó)民用航空中南地區(qū)空中交通管理局湖北分局,武漢 430000)

提出了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)(Ground-based Augmentation Systems,GBAS)的著陸系統(tǒng)(GBAS Landing System,GLS)信號(hào)覆蓋評(píng)估方法,從衛(wèi)星對(duì)地覆蓋及甚高頻數(shù)據(jù)廣播電臺(tái)(VHF Data Broadcast, VDB)信號(hào)覆蓋兩方面進(jìn)行評(píng)估.衛(wèi)星對(duì)地覆蓋評(píng)估中首先利用網(wǎng)格點(diǎn)分析法和視函數(shù)法評(píng)估衛(wèi)星對(duì)地覆蓋重?cái)?shù)及4個(gè)覆蓋性能指標(biāo):覆蓋百分比、最大覆蓋間隙、平均覆蓋間隙及時(shí)間平均間隙,然后從用戶角度分析衛(wèi)星覆蓋問(wèn)題(衛(wèi)星可見(jiàn)性).VDB信號(hào)覆蓋評(píng)估中,對(duì)電磁波傳播過(guò)程綜合考慮了地球曲率及地形影響.另外,綜合考慮目標(biāo)機(jī)場(chǎng)的衛(wèi)星可見(jiàn)性及VDB信號(hào)覆蓋范圍,結(jié)合美國(guó)聯(lián)邦航空管理局規(guī)定的VDB信號(hào)最小覆蓋空域,給出了本文評(píng)估方法在VDB選址中的應(yīng)用.仿真結(jié)果表明該方法可以合理確定北斗GLS信號(hào)的覆蓋情況及VDB位置.

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);地基增強(qiáng)系統(tǒng);著陸系統(tǒng);甚高頻數(shù)據(jù)廣播電臺(tái);信號(hào)覆蓋

DOI 10.13443/j.cjors.2016011801

引 言

地基增強(qiáng)系統(tǒng)(Ground-based Augmentation Systems,GBAS)是國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)規(guī)劃的基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)并采用差分技術(shù)建立的系統(tǒng),以其為基礎(chǔ)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星地基增強(qiáng)著陸系統(tǒng)(GBAS Landing System,GLS)正成為目前令人關(guān)注的一種新的著陸系統(tǒng)[1].中國(guó)基于性能的導(dǎo)航(Performance Based Navigation,PBN)路線圖[2]也指出,在“十二五”期間,應(yīng)該考慮使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)提供導(dǎo)航服務(wù)的統(tǒng)籌安排,并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).遠(yuǎn)期(2017-2025)計(jì)劃中,GNSS將成為PBN運(yùn)行的主要導(dǎo)航設(shè)施,中國(guó)民航應(yīng)該在多邊合作基礎(chǔ)上實(shí)施GNSS,包括考慮使用BDS,并計(jì)劃根據(jù)運(yùn)行價(jià)值和商業(yè)效益推廣使用GLS進(jìn)近.

GLS包括衛(wèi)星子系統(tǒng)、地面站子系統(tǒng)、機(jī)載子系統(tǒng)三部分.其中衛(wèi)星子系統(tǒng)包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)作為GLS的數(shù)據(jù)源,為整個(gè)系統(tǒng)提供導(dǎo)航信號(hào)源.地面站子系統(tǒng)由一組參考接收機(jī)、一臺(tái)或多臺(tái)甚高頻(Very High Frequency,VHF)數(shù)據(jù)廣播電臺(tái)(VHF Data Broadcast,VDB)和其它輔助設(shè)施組成,該子系統(tǒng)為機(jī)場(chǎng)附近GNSS信號(hào)提供精度和完好性增強(qiáng)服務(wù)[3].

文獻(xiàn)[4]從民用航空領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際需求出發(fā),結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能性能指標(biāo),分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于民用PBN的前景,并根據(jù)飛行驗(yàn)證需求,設(shè)計(jì)了部分驗(yàn)證科目和驗(yàn)證方法.文獻(xiàn)[5-7]分別構(gòu)建了基于BDS的GBAS著陸系統(tǒng)模型,并給出了評(píng)估導(dǎo)航系統(tǒng)性能的初步方法,在差分定位提高GNSS信號(hào)精度的基礎(chǔ)上,建立了終端區(qū)GBAS用于精密進(jìn)近的評(píng)估仿真平臺(tái).平臺(tái)主要通過(guò)系列完好性監(jiān)視算法[8],提高BDS及其增強(qiáng)系統(tǒng)的完好性、可用性、連續(xù)性指標(biāo),使機(jī)場(chǎng)GBAS覆蓋空域范圍內(nèi)配置相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)獲得達(dá)到一類飛行標(biāo)準(zhǔn)(Category I,CAT I)甚至更高精密進(jìn)近著陸引導(dǎo)服務(wù).

但這些方法均建立在機(jī)場(chǎng)空域被GBAS信號(hào)覆蓋的前提下,并沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)信號(hào)覆蓋情況進(jìn)行評(píng)估.在GLS引導(dǎo)著陸時(shí),相關(guān)接收機(jī)只有在GLS信號(hào)的覆蓋范圍內(nèi)并接收到準(zhǔn)確可靠的信號(hào),才能保證飛機(jī)著陸.因此對(duì)GLS信號(hào)的覆蓋分析關(guān)系著GLS實(shí)際的導(dǎo)航服務(wù)能力,同時(shí)對(duì)地面站的選址、飛行程序設(shè)計(jì)及機(jī)場(chǎng)選址有一定的指導(dǎo)意義.

本文從北斗衛(wèi)星對(duì)地覆蓋及VDB信號(hào)覆蓋兩方面評(píng)估北斗GLS的信號(hào)覆蓋情況,并基于此信號(hào)覆蓋分析給出了VDB選址方法.

1 衛(wèi)星覆蓋性能分析

在確定機(jī)場(chǎng)GLS是否可以正常使用時(shí),一個(gè)重要的方面就是確定飛機(jī)進(jìn)近航段是否存在接收機(jī)自體完好性監(jiān)控(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)“空洞”現(xiàn)象,一旦出現(xiàn),將終止GLS的工作.而可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)量不足(部分可見(jiàn)衛(wèi)星出現(xiàn)故障,整體上也可以看作可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量不足)可導(dǎo)致RAIM不可用[9].

1.1 衛(wèi)星對(duì)地覆蓋分析

衛(wèi)星對(duì)地覆蓋是指衛(wèi)星的儀器或天線在某一時(shí)刻或在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到的地球表面區(qū)域.

1.1.1 視函數(shù)法

本文采用網(wǎng)格點(diǎn)分析法[10]將要分析的地球表面劃分為許多網(wǎng)狀“小格子”,再分別分析不同衛(wèi)星對(duì)“小格子”的覆蓋狀況,使用0.5°×0.5°的網(wǎng)格進(jìn)行分析.對(duì)不同“小格子”采用視函數(shù)法進(jìn)行分析.如圖1中A、B、C分別代表衛(wèi)星軌道上的3點(diǎn),Emin代表地面點(diǎn)對(duì)于衛(wèi)星的最小仰角.

圖1 視函數(shù)法幾何關(guān)系圖

為求地面點(diǎn)與衛(wèi)星的夾角,設(shè)ρ、e分別為圖1中向量ros、robs的單位向量,則地面點(diǎn)與衛(wèi)星的夾角為arcsin(ρ·e).記視函數(shù)為

F=arcsin(ρ·e)-Emin.

(1)

當(dāng)F大于0時(shí),衛(wèi)星覆蓋該“小格子”區(qū)域,當(dāng)F小于0時(shí)則不覆蓋.

1.1.2 覆蓋性能分析指標(biāo)

對(duì)衛(wèi)星覆蓋性能指標(biāo)的計(jì)算分析,是反映衛(wèi)星星座覆蓋性能的一種重要方式.常見(jiàn)的分析指標(biāo)有:覆蓋百分比(Percent Coverage,PC)、最大覆蓋間隙(Maximum Coverage Gap,MCG)、平均覆蓋間隙(Mean Coverage Gap,MeCG)以及時(shí)間平均間隙(Time Average Gap,TAP)四個(gè)參數(shù)[11].本文在用四項(xiàng)指標(biāo)分析衛(wèi)星覆蓋性能時(shí)采用地心法求單顆衛(wèi)星覆蓋狀況.為簡(jiǎn)便起見(jiàn),選取地球?yàn)榍蛐?單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋分析如圖2所示.其中,S代表衛(wèi)星,M代表星下點(diǎn),U代表地面站終端,O為地心.另外,R為地球半徑,Ri代表衛(wèi)星到星下點(diǎn)的距離,θ為地心角,φ為衛(wèi)星半錐角,λ為地面站終端對(duì)衛(wèi)星的仰角.

圖2 單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋狀況

為求得衛(wèi)星S對(duì)地面的覆蓋面積大小,需首先求得地心角θ.由圖2及正弦定理可得:

(2)

θ=90-λ-φ.

(3)

由球體幾何知識(shí)可得,地心角θ所對(duì)應(yīng)的球冠面積C為

C=2πR2(1-cos θ).

(4)

設(shè)Cearth為地球表面積,則衛(wèi)星覆蓋率P為

(5)

當(dāng)仰角λ達(dá)到最小仰角截止高度角時(shí),衛(wèi)星在此時(shí)對(duì)地面的覆蓋面積達(dá)到最大.

但在分析衛(wèi)星星座覆蓋性能時(shí),僅有某一時(shí)刻的性能分析是不夠的,需要分析衛(wèi)星在一段時(shí)間甚至在一個(gè)周期內(nèi)的覆蓋性能.如圖3所示,T0為仿真的起始時(shí)刻,Tn為仿真的結(jié)束時(shí)刻,T1到Tn-1代表視函數(shù)等于0時(shí)的零值點(diǎn),即在該時(shí)刻某地面點(diǎn)對(duì)某顆衛(wèi)星由可見(jiàn)到不可見(jiàn)或者由不可見(jiàn)到可見(jiàn)的時(shí)刻點(diǎn).這樣,端點(diǎn)與零值點(diǎn)將仿真總時(shí)間分為n個(gè)區(qū)間,在某一區(qū)間,衛(wèi)星有兩種狀態(tài):可見(jiàn)或不可見(jiàn),lk(1≤k≤n)代表每一個(gè)小區(qū)間的時(shí)間長(zhǎng)度.設(shè)可視區(qū)間有m個(gè),不可視區(qū)間有n-m個(gè).覆蓋百分比代表可視區(qū)間長(zhǎng)度與仿真總時(shí)間的比值;最大覆蓋間隙代表不可視區(qū)間的最大值,即lk中的最大值;平均覆蓋間隙是不可視區(qū)間的長(zhǎng)度和與不可視區(qū)間個(gè)數(shù)的比值;時(shí)間平均間隙是不可視區(qū)間長(zhǎng)度的平方和與仿真總時(shí)間的比值[11],是按時(shí)間平均的平均間隙持續(xù)時(shí)間.

圖3 視函數(shù)法區(qū)間原理圖

1.2 衛(wèi)星可見(jiàn)性分析

從用戶角度來(lái)分析衛(wèi)星的覆蓋問(wèn)題,即衛(wèi)星可見(jiàn)性問(wèn)題,主要考慮因素包括地球曲率、接收機(jī)仰角及在地形復(fù)雜地區(qū)導(dǎo)航時(shí)由地形起伏較大引起的地形遮擋.衛(wèi)星與飛機(jī)有4種關(guān)系:衛(wèi)星對(duì)于飛機(jī)可見(jiàn)又可用、衛(wèi)星對(duì)于飛機(jī)可見(jiàn)但是因?yàn)樾l(wèi)星故障而不能使用、衛(wèi)星仰角低于接收機(jī)遮蔽角、衛(wèi)星仰角高于接收機(jī)仰角但被地物遮擋,如圖4所示.其中飛機(jī)接收機(jī)到衛(wèi)星之間的射線可稱為視線(Light of Sight,LOS).

導(dǎo)航接收機(jī)都有自己的仰角限制,而導(dǎo)航星座覆蓋的實(shí)際限制條件是接收機(jī)截止高度角(能接收到衛(wèi)星信號(hào)的最小仰角)為5°時(shí)至少提供6重覆蓋[12],因此通過(guò)比較判斷,如果仰角小于5°,則該衛(wèi)星肯定不可見(jiàn);如果仰角大于5°,此時(shí)需考慮地形(地形DEM數(shù)據(jù)來(lái)自于http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp)因素的影響,即計(jì)算地形遮蔽角(定義詳見(jiàn)2.3節(jié)),通過(guò)計(jì)算用戶周圍360°方向上的遮蔽角,同時(shí)用處于某一方位的衛(wèi)星的仰角與該方向上的遮蔽角進(jìn)行比較,如果仰角大于遮蔽角,則該衛(wèi)星可見(jiàn),否則不可見(jiàn).

圖4 衛(wèi)星可見(jiàn)性判斷示意圖

可見(jiàn)性是評(píng)價(jià)衛(wèi)星性能最基本的指標(biāo)之一,而精度因子(Dilution of Precision,DOP)值作為評(píng)價(jià)導(dǎo)航衛(wèi)星性能的重要指標(biāo),它反映當(dāng)下衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型的好壞[13].對(duì)衛(wèi)星可見(jiàn)性及DOP值的分析關(guān)系著GLS系統(tǒng)定位可靠性,另外可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)量也是完好性監(jiān)測(cè)的前提.北斗“公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)”說(shuō)明了位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)可用性作為服務(wù)可用性評(píng)價(jià)指標(biāo),其要求PDOP限值為6.0,24小時(shí)PDOP可用性要求到達(dá)98.0%.

2 VDB覆蓋空域分析

VDB是GLS數(shù)據(jù)鏈路中重要的組成部分,為其提供充分的通信保障,工作頻率范圍為108.025～117.950 MHz,頻率間隔為25.0 kHz[14].GLS的服務(wù)空域由兩個(gè)因素制約:一是地面VDB天線所提供的射頻信號(hào)的覆蓋狀況;二是確保GLS地面設(shè)施進(jìn)行正常差分廣播的最大距離(進(jìn)近階段通常會(huì)將該數(shù)值定為23海里)[15].

2.1 電磁波在自由空間傳播

自由空間中電磁波傳播最遠(yuǎn)距離D1由

(6)

決定.式中：PT代表發(fā)射機(jī)的輸出功率;PR代表接收機(jī)要求的最小功率;GR,GT代表接收機(jī)和發(fā)射機(jī)天線增益;λ=c/f代表發(fā)射電磁波波長(zhǎng)(c為光速,f為電磁波頻率,與所選VDB天線類型相關(guān)).

2.2 地球曲率的影響

VHF電波為直視傳播,發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的電波傳播路徑是一條直線.但地球是球體,凸起的球面將會(huì)阻擋這條“直線”.用圖5可以表述這種阻擋關(guān)系,由幾何關(guān)系可以得出直線距離

D2=(R+h1)sin α+(R+h2)sin β.

(7)

式中：R代表地球半徑;h1,h2分別為發(fā)射機(jī)Tx和接收機(jī)Rx的高度.在不考慮地球表面折射的情況下式(7)簡(jiǎn)化為

(8)

考慮大氣折射時(shí)式(8)中的3.6用4.12來(lái)代替[16].當(dāng)D2≥D1時(shí),表示VHF信號(hào)傳輸?shù)木嚯x在視距范圍內(nèi),比D1更遠(yuǎn)的目標(biāo)由于系統(tǒng)的監(jiān)視性能將不會(huì)被監(jiān)測(cè)到;當(dāng)D2≤D1時(shí),表示天線高度和目標(biāo)高度制約了VHF信號(hào)的傳播.

圖5 地球曲率對(duì)VHF信號(hào)的遮擋

2.3 地形遮擋

由于VDB天線位于地表,VHF信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)被地形地物遮擋,遮蔽物對(duì)信號(hào)傳播的繞射效應(yīng)使得信號(hào)在被遮擋后強(qiáng)度產(chǎn)生較大衰減[17].遮蔽角是指從天線中心點(diǎn)和該點(diǎn)所在水平面向上或向下算起的電波信號(hào)被地形地物遮擋的垂直張角[18],即在某個(gè)方向上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的最小仰角,如圖6中的±θs.

圖6 遮蔽角

當(dāng)天線的仰角小于這個(gè)角度時(shí),目標(biāo)被遮擋,無(wú)法被發(fā)現(xiàn).民航中一般考慮+θs,遮蔽角θs的計(jì)算公式為[19]

(9)

(10)

式中：λ為VDB的工作波長(zhǎng);di為遮蔽角對(duì)應(yīng)的障礙物斜距.利用所求得的遮蔽角,可以求取不同方位VDB視線的截止距離[20]為

Retan θrs.

(11)

比較式(6)、(8)、(11)考慮不同因素下所得出的信號(hào)傳輸距離,取三者中的最小值即為信號(hào)的最終覆蓋范圍.

3 應(yīng)用

VDB選址需要考慮衛(wèi)星與VDB信號(hào)覆蓋兩個(gè)方面.對(duì)北斗的覆蓋分析一方面關(guān)系到能否為飛機(jī)的正常飛行提供穩(wěn)定的導(dǎo)航信號(hào),另一方面需要考慮是否有足夠的可見(jiàn)星數(shù)量和DOP值來(lái)保證在進(jìn)近飛行過(guò)程中不存在“RAIM空洞”.而VDB信號(hào)覆蓋范圍與VDB發(fā)射功率、VDB天線類型、飛機(jī)飛行高度以及視線截止距離等相關(guān).在實(shí)際為飛機(jī)提供著陸服務(wù)時(shí),為確保飛機(jī)安全準(zhǔn)備著陸,必須確保VDB信號(hào)滿足規(guī)定的覆蓋空域,因此需要針對(duì)具體VDB天線的類型以及具體地形對(duì)VDB覆蓋狀況進(jìn)行分類分析.綜合考慮上述兩方面給出GLS信號(hào)覆蓋在VDB選址方面的應(yīng)用及基本流程:

1) 分析北斗對(duì)地覆蓋狀況以及北斗衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)量和DOP值,從理論上分析所選擇的位置必須滿足衛(wèi)星導(dǎo)航需求,即可見(jiàn)星數(shù)量盡可能多,DOP值滿足北斗“公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)”中規(guī)定的PDOP限值6.0和98%的可用性;

2) 分析布置GLS系統(tǒng)機(jī)場(chǎng)周圍的地形及地物特點(diǎn),對(duì)于平原地區(qū),通過(guò)航行資料匯編獲得機(jī)場(chǎng)周圍的障礙物分布數(shù)據(jù),對(duì)于山區(qū),建立地形高程數(shù)據(jù)庫(kù);

3) 根據(jù)選擇的VDB天線類型,對(duì)VDB天線在自由空間的傳播狀況進(jìn)行分析;

4) 結(jié)合地形地物分析遮蔽角,分析在障礙物遮蔽下信號(hào)的覆蓋狀況,結(jié)合步驟2)分析出VDB信號(hào)最終作用范圍,信號(hào)覆蓋狀況是選址的最基本參照,所選位置應(yīng)盡力讓信號(hào)覆蓋機(jī)場(chǎng)周圍的所有航路及關(guān)鍵點(diǎn);

5) 依據(jù)ICAO附件10及美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)的ORDER 6884.1關(guān)于“GBAS選址細(xì)則”所提出選址及覆蓋分析標(biāo)準(zhǔn)對(duì)VDB進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)空域覆蓋分析;

6) 完成上述步驟之后,根據(jù)衛(wèi)星可見(jiàn)性及DOP值選擇站臺(tái)的基本方位.選擇的臺(tái)站位置應(yīng)使遮蔽角盡可能小及信號(hào)盡可能覆蓋所有航路并滿足標(biāo)準(zhǔn)覆蓋所要求的指標(biāo),最終確定臺(tái)站位置.

4 仿真結(jié)果與分析

為了確保GLS信號(hào)覆蓋分析的完整性,分別對(duì)平原和山區(qū)兩種地形條件下的機(jī)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)例分析,目標(biāo)機(jī)場(chǎng)為天津機(jī)場(chǎng)(117.346 8°E,39.124 4°N,8 m)和林芝機(jī)場(chǎng)(94.335 3°E,29.303 3°N,2 967 m).

4.1 衛(wèi)星覆蓋性能分析

截止2013年12月,北斗系統(tǒng)目前在軌工作衛(wèi)星有5顆地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO)衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛(wèi)星,免費(fèi)向亞太地區(qū)提供公開(kāi)服務(wù).

對(duì)衛(wèi)星覆蓋狀況分析,一方面為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)定位,至少需要4顆可見(jiàn)并且可用的衛(wèi)星;另一方面為探求分析目標(biāo)機(jī)場(chǎng)的“RAIM空洞”效應(yīng),需要至少5顆可見(jiàn)衛(wèi)星[21].采用網(wǎng)格點(diǎn)分析法對(duì)從東經(jīng)70°到東經(jīng)110°,南緯55°到北緯55°的包括所有中國(guó)國(guó)土的區(qū)域進(jìn)行覆蓋重?cái)?shù)分析,結(jié)果如圖7所示.從圖7可以看出,在所分析的區(qū)域內(nèi),最小覆蓋重?cái)?shù)為5,最大為11,說(shuō)明在中國(guó)境內(nèi)北斗衛(wèi)星的覆蓋能力能夠滿足GLS進(jìn)近的最基本要求.

選擇地面站接收截止高度角為10°,由于北斗GEO、IGSO衛(wèi)星同為地球同步軌道衛(wèi)星,其距地球表面距離相近,故其覆蓋面積和覆蓋率較為接近,覆蓋面積約為9.4×1013m2,覆蓋率約為18.45%;而MEO衛(wèi)星為中軌道衛(wèi)星,其軌道高度相對(duì)較低,在相同截止高度角下,其覆蓋面積和覆蓋率小于GEO及IGSO衛(wèi)星.

林芝機(jī)場(chǎng)附近,總時(shí)長(zhǎng)24小時(shí)的北斗各顆衛(wèi)星的四項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)圖8.其中由圖8(a)可以看出在林芝機(jī)場(chǎng)附近GEO衛(wèi)星可以達(dá)到全天100%覆蓋,而IGSO不能達(dá)到,但都達(dá)到80%左右,MEO衛(wèi)星的覆蓋百分比比較低,基本保持在20%左右;圖8(b)反映北斗GEO在該地區(qū)全時(shí)間覆蓋,IGSO衛(wèi)星有單個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段不能覆蓋該地區(qū),整體上看來(lái)MEO衛(wèi)星都存在單個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段不能覆蓋該地區(qū)的問(wèn)題;圖8(c)、(d)整體上分別從數(shù)學(xué)平均及統(tǒng)計(jì)平均反映某顆衛(wèi)星的對(duì)地覆蓋狀況,可以看出MEO衛(wèi)星的間隙均值最高,IGSO次之,GEO最低.

圖7 亞太地區(qū)北斗衛(wèi)星覆蓋重?cái)?shù)圖

(a) 覆蓋百分比

(b) 最大覆蓋間隙

(c) 平均覆蓋間隙

(d) 時(shí)間平均間隙圖8 北斗衛(wèi)星的四項(xiàng)性能指標(biāo)

4.2 可見(jiàn)性分析

從4.1節(jié)看到,北斗衛(wèi)星星座能夠提供足夠的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量,但在實(shí)際中,由于環(huán)境因素的影響,如障礙物和地形的遮擋,會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)量出現(xiàn)不同程度的減少.

ICAO附件10提出VDB的選址必須在以機(jī)場(chǎng)中心為圓心2海里的范圍內(nèi).本文分別分析以兩個(gè)機(jī)場(chǎng)為中心,2海里為半徑,分別取正東、正南、正西、正北四個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行衛(wèi)星可見(jiàn)性分析,分析結(jié)果如圖9和圖10中上半部分所示.從圖中可以看出:對(duì)平原的天津機(jī)場(chǎng)四個(gè)不同地點(diǎn)的衛(wèi)星可見(jiàn)性基本保持一致,這是由于平原地形障礙物少,對(duì)衛(wèi)星可見(jiàn)性影響較小;而復(fù)雜地形的林芝機(jī)場(chǎng)四個(gè)不同地點(diǎn)的衛(wèi)星可見(jiàn)性變化有著很大的差異,主要是由于林芝機(jī)場(chǎng)周圍地形復(fù)雜,不同地點(diǎn)的障礙物遮擋變化狀況較大.

圖9 天津機(jī)場(chǎng)4個(gè)地點(diǎn)24 h內(nèi)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及PDOP值

圖10 林芝機(jī)場(chǎng)4個(gè)地點(diǎn)24 h內(nèi)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及PDOP值

圖9和圖10下半部分分別代表天津和林芝機(jī)場(chǎng)24小時(shí)PDOP值變化圖,對(duì)于平原機(jī)場(chǎng)PDOP值保持在1～3,PDOP可用性達(dá)到100%,滿足性能規(guī)范要求;對(duì)于山區(qū),從圖中可以看出林芝機(jī)場(chǎng)正西2海里處的PDOP值保持在1～3,PDOP可用性達(dá)到100%,相比于其他方向更有優(yōu)勢(shì).因此從可見(jiàn)性和PDOP值兩方面的分析,建議林芝機(jī)場(chǎng)VDB選址盡可能位于這個(gè)方位.

4.3 VDB信號(hào)覆蓋分析

選用TELERAD公司的ANT9009H天線,天線的工作頻段為108～118 MHz,水平極化,天線標(biāo)稱增益為3 dBi,天線高2.43 m.為研究VDB的覆蓋范圍,通常需要為信號(hào)輻射設(shè)定一個(gè)最小覆蓋場(chǎng)強(qiáng)[22].對(duì)于GBAS的CAT-I,在整個(gè)進(jìn)近過(guò)程中要求信號(hào)的最小場(chǎng)強(qiáng)為-70 dBm,本文選用VDB天線頻率為115 MHz,符合VDB頻率要求.該天線信號(hào)強(qiáng)度與通信距離的關(guān)系如圖11所示,其中有3個(gè)高度層.本文選用的最大通信距離為58 km,從圖中可以看出每個(gè)高度層下都表現(xiàn)為一種震蕩衰減的關(guān)系,隨著高度增加信號(hào)強(qiáng)度隨之衰減,而在三個(gè)高度層的信號(hào)強(qiáng)度在58 km以內(nèi)均大于規(guī)定的最小場(chǎng)強(qiáng)-70 dBm.

對(duì)于平原的天津機(jī)場(chǎng),對(duì)信號(hào)產(chǎn)生遮蔽作用的主要是機(jī)場(chǎng)周圍的障礙物,該障礙物數(shù)據(jù)由航行資料匯編(Aeronautical Information Publication, AIP)獲得,分析結(jié)果如圖12所示,遮蔽角在2°以內(nèi),在天津機(jī)場(chǎng)跑道方向障礙物遮蔽為0.林芝機(jī)場(chǎng)屬于高原機(jī)場(chǎng),機(jī)場(chǎng)海拔為2 967 m,結(jié)合該地的高程地形數(shù)據(jù)計(jì)算得出林芝機(jī)場(chǎng)遮蔽角分布狀況,如圖13所示.從圖13可以看出由于周圍地形的遮擋,造成該地遮蔽角普遍偏大,林芝機(jī)場(chǎng)跑道方向?yàn)?3°(正北為0°),該方向上遮蔽角相對(duì)較小.

圖11 ANT900H天線信號(hào)強(qiáng)度與通信距離關(guān)系

圖12 天津機(jī)場(chǎng)遮蔽角分布

圖13 林芝機(jī)場(chǎng)遮蔽角分布

結(jié)合第2節(jié),在考慮地球曲率以及障礙物遮蔽的前提下,VDB信號(hào)的最終覆蓋范圍如圖14所示.對(duì)于天津機(jī)場(chǎng),仿真了三個(gè)高度層的VDB信號(hào)覆蓋狀況,從圖14(a)可以看出隨著高度層的增加信號(hào)覆蓋的距離也隨之增加,當(dāng)VDB天線選在機(jī)場(chǎng)中心點(diǎn)時(shí),在機(jī)場(chǎng)跑道方向(約153°/333°)VDB信號(hào)基本不受障礙物的遮擋,可以滿足飛機(jī)的進(jìn)近著陸要求.對(duì)于林芝機(jī)場(chǎng),由于機(jī)場(chǎng)海拔的原因這里只分析了兩個(gè)高度層的VDB信號(hào)覆蓋狀況,對(duì)于在進(jìn)近階段高度層 5 000 m更有參考價(jià)值.從圖14(b)可以看出由于地形遮擋導(dǎo)致在跑道(約53°/233°)以外的其他方向上信號(hào)的覆蓋距離不到20 km,這嚴(yán)重影響飛機(jī)的進(jìn)近.

(a) 天津機(jī)場(chǎng)

(b) 林芝機(jī)場(chǎng)圖14 天津與林芝機(jī)場(chǎng)VDB信號(hào)覆蓋

對(duì)VDB覆蓋空域分析包括VDB信號(hào)覆蓋分析以及依據(jù)FAA關(guān)于GBAS的最小覆蓋空域分析兩部分.最小覆蓋空域示意如圖15所示,在橫向上,距離天線23海里為所求空域;在縱向上,距地平面10 000英尺處的平面,與在距地平面8英尺的平面,和以距地平面8英尺上空距天線左右各15海里為端點(diǎn),與水平面夾角為0.9°向左右各作射線所構(gòu)成的平面,三平面所圍區(qū)域即為所求空域.

在這個(gè)覆蓋空域內(nèi)存在兩個(gè)合理的飛行禁區(qū):一個(gè)是在VDB天線正上方,存在一個(gè)錐角為10°的信號(hào)盲區(qū);另一個(gè)是距VDB天線200 m的禁飛區(qū)域,該區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)大于VDB最大場(chǎng)強(qiáng).由于這兩個(gè)區(qū)域的存在,在VDB選址時(shí)要避免該區(qū)域覆蓋飛機(jī)的進(jìn)近路線.

綜合VDB射頻信號(hào)覆蓋分析以及VDB天線最小覆蓋空域分析,圖16為天津機(jī)場(chǎng)1 000 m、3 048 m、6 000 m高度層的VDB信號(hào)覆蓋狀況,由外到里的圓分別代表各個(gè)高度層的信號(hào)覆蓋狀況. 另外圖16中心小圓的范圍為VDB天線最小覆蓋空域,將兩種覆蓋狀況結(jié)合起來(lái),可以看出天津的VDB地址滿足飛機(jī)進(jìn)近對(duì)信號(hào)的要求.

圖16 天津機(jī)場(chǎng)VDB覆蓋狀況圖

圖17 林芝機(jī)場(chǎng)VDB覆蓋狀況圖

圖18 林芝機(jī)場(chǎng)VDB信號(hào)覆蓋三維效果圖

圖17和圖18為林芝機(jī)場(chǎng)VDB信號(hào)覆蓋與最小覆蓋空域三維顯示圖,圖中綠色線條為林芝機(jī)場(chǎng)進(jìn)近路線,結(jié)合前面衛(wèi)星可見(jiàn)性狀況分析,林芝機(jī)場(chǎng)VDB地址可以選靠機(jī)場(chǎng)西側(cè)以達(dá)到更好的VDB信號(hào)對(duì)進(jìn)近航線的覆蓋以及提高可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)量.

5 結(jié) 論

考慮多種因素和指標(biāo),面向民航飛行安全,從衛(wèi)星對(duì)地覆蓋及地面站信號(hào)覆蓋兩方面評(píng)估了北斗GLS的信號(hào)覆蓋情況.對(duì)亞太地區(qū)北斗衛(wèi)星覆蓋能力進(jìn)行評(píng)估表明現(xiàn)階段北斗衛(wèi)星可以提供GLS對(duì)衛(wèi)星可見(jiàn)性的最基本要求;平原地區(qū)VDB信號(hào)基本不受障礙物的遮擋,但地形復(fù)雜地區(qū)VDB信號(hào)由于周圍地形的遮擋,造成該地遮蔽角普遍偏大,需合理選擇VDB的地址.該評(píng)估方法可以合理確定GLS空中和地面信號(hào)的覆蓋情況,從而合理確定VDB位置,確保在進(jìn)近飛行中信號(hào)的穩(wěn)定覆蓋,同時(shí)能夠?yàn)闄C(jī)場(chǎng)選址和飛行程序設(shè)計(jì)提供一定的參考.為獲得更準(zhǔn)確的評(píng)估數(shù)據(jù),還需要從電磁干擾方面進(jìn)行分析.

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焦衛(wèi)東 (1973-),男,陜西人,博士,中國(guó)民航大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域?yàn)轱w行程序設(shè)計(jì)與評(píng)估、導(dǎo)航性能分析與評(píng)估、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖像、視頻處理.

唐志虎 (1990-),男,河南人,碩士,中國(guó)民用航空中南地區(qū)空中交通管理局湖北分局員工,研究領(lǐng)域?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)性能分析.

沈笑云 (1965-),女,江蘇人,研究員,中國(guó)民航大學(xué)碩士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)三維成像與圖像仿真.

Assessment method of signal effective coverage for BDS-based GBAS landing system

JIAO Weidong1TANG Zhihu2SHEN Xiaoyun1WAN Di1ZHANG Siyuan1

(1.TianjinKeyLabforAdvancedSignalProcessing,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China;2.HubeiBranch,AirTrafficManagementBureauofMiddle&SouthernRegionCAAC,Wuhan430000,China)

An assessment method of signal coverage is proposed for GBAS(ground-based augmentation system) landing system(GLS) based on BeiDou Navigation Satellite System(BDS).The covering situation is discussed from two aspects：the satellite coverage on earth and the covering of VHF data broadcast (VDB) radio signal.In the first aspect, firstly the grid-point analysis method and visibility function are used to evaluate the cover multiplicity of BDS and other four performance index which are percent coverage, maximum coverage gap, mean coverage gap and time average gap.Then the satellite visibility is analyzed from the user perspective.In the second aspect, the earth curvature and the terrain occlusion are considered into the propagation of electromagnetic wave.In addition, combining with the minimum cover air-space of the VDB signal which is regulated by Federal Aviation Administration, a VDB locating method is proposed based on the proposed assessment method.Experimental results show that the signal coverage of GLS based on BDS and the location of VDB can be determined reasonably by the proposed methods.

BDS;GBAS;landing system;VDB;signal coverage

焦衛(wèi)東, 唐志虎, 沈笑云, 等.北斗GBAS著陸系統(tǒng)信號(hào)覆蓋評(píng)估方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(5):978-987.

10.13443/j.cjors.2016011801

JIAO W D, TANG Z H, SHEN X Y, et al.Assessment method of signal effective coverage for BDS-based GBAS landing system [J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):978-987.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2016011801

2016-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國(guó)民航局民航聯(lián)合研究基金(U1533115)； 天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(14JCYBJC16000)； 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(3122013C016、3122013Z001)

TP391.9

A

1005-0388(2016)05-0978-10

聯(lián)系人：焦衛(wèi)東 E-mail：nxjiaowd@sina.com