地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS在精密進(jìn)近中的應(yīng)用分析

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摘 要：北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS作為我國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)完成基本系統(tǒng)的研制建設(shè)，具備為用戶提供廣域?qū)嵤┟准?jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)和后處理毫米級(jí)定位精度的能力。本文在分析基本加固系統(tǒng)的完整性及相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合民航未來(lái)發(fā)展應(yīng)用，將理論知識(shí)通過(guò)計(jì)算和相關(guān)過(guò)程直接表達(dá)，對(duì)系統(tǒng)完整性理論進(jìn)行了充分探索，為今后提高民航導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性和可靠性鋪平道路。

關(guān)鍵詞：GBAS;地基增強(qiáng)系統(tǒng);進(jìn)近著陸;衛(wèi)星導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 ----前言

美國(guó)GPS定位系統(tǒng)，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)，中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐盟伽利略定位系統(tǒng)被公認(rèn)為是全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，我國(guó)民航航班在滿足精度、完整性、連續(xù)性、可用性等導(dǎo)航性能要求的定位中使用GPS定位。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的日趨成熟，民航事業(yè)意識(shí)到國(guó)際變化，或?qū)⒓皶r(shí)更新衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。這一改變將有效促進(jìn)我國(guó)民航及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高空域資源使用率，降低飛行成本，提高飛行速度和質(zhì)量[1]。使用由我國(guó)自主研發(fā)的以GBAS為代表的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，不僅可以促進(jìn)民航事業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更在保障國(guó)家戰(zhàn)略安全方面起著至關(guān)重要的作用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)把差分技術(shù)作為提高精度的最重要途徑。北斗國(guó)家級(jí)增強(qiáng)系統(tǒng)一般采用差分技術(shù)和精密點(diǎn)定位技術(shù)，省級(jí)增強(qiáng)系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)[2]。地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS精度預(yù)期能達(dá)到Ⅲ類著陸水平，現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到Ⅰ類水平，完好性和連續(xù)性滿足Ⅰ類的要求[3]。

1 北斗系統(tǒng)應(yīng)用的基本概述

1.1 定位方程

北斗系統(tǒng)為用戶提供了兩種測(cè)量方法：一種是偽距測(cè)量，偽距（PR）指的是由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)大氣層（電離層和對(duì)流層）的延遲，實(shí)際測(cè)量出的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)由星歷確定的幾何距離R存在誤差，因此稱測(cè)量出的距離ρ為偽距（ρ偽距=R+Δρ）。偽距值是傳播時(shí)間和光速的乘積，也就是說(shuō)，所測(cè)量的衛(wèi)星到用戶的距離，是通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的那段時(shí)間，再乘以光速所得（ρ偽距=C·Δt）。

1.2 北斗系統(tǒng)用于精密進(jìn)近的導(dǎo)航性能需求

在飛行過(guò)程中，精密進(jìn)近是整個(gè)過(guò)程中最為關(guān)鍵的階段，表1描述了精密進(jìn)近的三個(gè)階段：CATⅠ、CATⅡ和CATⅢ，精密進(jìn)近是三個(gè)階段所要求的導(dǎo)航性能（RNP），飛行員或飛機(jī)必須在決斷高度作出重要決策，繼續(xù)或停止著陸，取決于跑道可視區(qū)域（RVR）在適當(dāng)?shù)臎Q斷高度，由于北斗系統(tǒng)的定位精度高于垂直方向，垂直方向的完整性更難實(shí)現(xiàn)[5]。因此，本文主要以豎向保護(hù)為研究對(duì)象。

為了提高飛行中飛機(jī)的安全性，當(dāng)其位置故障超過(guò)一定限度時(shí)，飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報(bào)。我們稱這個(gè)邊界為警戒邊界。因此，水平方向稱為水平報(bào)警邊界（HAL），垂直方向稱為垂直報(bào)警邊界（VAL），左右方向稱為橫向報(bào)警限值（LAL）。導(dǎo)航系統(tǒng)的故障必須在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，水平方向?yàn)樗奖Ｗo(hù)水平（HPL），垂直防護(hù)等級(jí)（VPL）和左右方向被指定為橫向防護(hù)等級(jí)（LPL），導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度決定了其防護(hù)等級(jí)。

1.3 完好性概念

完整性是指當(dāng)系統(tǒng)因錯(cuò)誤而不能用于導(dǎo)航定位時(shí)，能夠及時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警的能力，完整性是一個(gè)重要參數(shù)，確保用戶安全和導(dǎo)航系統(tǒng)所提供信息的可信性。北斗基礎(chǔ)增強(qiáng)技術(shù)的完整性監(jiān)測(cè)如下：

平滑濾波技術(shù)：實(shí)時(shí)高精度載波相位消除了電離層和對(duì)流層對(duì)平滑濾波的影響，同時(shí)降低了觀測(cè)噪聲。實(shí)際觀測(cè)值，即計(jì)算保護(hù)度，形成誤差包絡(luò)，實(shí)施完整性保護(hù)[6]。

2 基于民用航空的計(jì)算模型

GBAS完好性計(jì)算：

我們知道，只有當(dāng)保護(hù)級(jí)小于告警極限時(shí)，在防護(hù)等級(jí)低于警戒限值的情況下才能用于導(dǎo)航[7]。對(duì)于地基增強(qiáng)系統(tǒng)而言，它最重要的作用是能夠減少定位誤差，并實(shí)時(shí)提供定位誤差的邊界，稱這些邊界為保護(hù)級(jí)，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(hù)級(jí)（VPL），左右方向的定位誤差的邊界稱為橫向保護(hù)級(jí)（LPL）。

假設(shè)：對(duì)于正常測(cè)量，即所有參考裝置和源都能正常工作，垂直保護(hù)水平和水平保護(hù)水平的定義公式確定如下：

式中：

結(jié)合偽距測(cè)量誤差公式由誤警率和接收機(jī)的數(shù)目確定的已知系數(shù)--。

其中。

m【i】地面參考接收機(jī)的數(shù)量，該接收機(jī)是用來(lái)測(cè)量第i顆衛(wèi)星和第j個(gè)接收機(jī)差分修正的偽距的。

表示由第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;表示由第i顆衛(wèi)星的偽距誤差推導(dǎo)出的y方向定位誤差分量;表示由第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表示最終進(jìn)近航路的下滑角;N表示用于定位的衛(wèi)星的數(shù)量;i表示第i個(gè)用于定位的衛(wèi)星;加權(quán)的最小二乘投影矩陣S定義為：

式中：Gi=[cosElicosAzicosElisinAzisinElil]-G的第i行。

3 完好性仿真

為了評(píng)估GBAS是否存在完整性風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保護(hù)級(jí)別進(jìn)行了定性分析。如果防護(hù)等級(jí)能將位置誤差控制在其范圍內(nèi)，即防護(hù)等級(jí)低于警戒限值，則計(jì)算出的防護(hù)等級(jí)是可信的。然后就可以評(píng)估系統(tǒng)的完整性和可用性。

如果使用12顆衛(wèi)星進(jìn)行完整性模擬試驗(yàn)，則樣本數(shù)據(jù)應(yīng)為50小時(shí)內(nèi)所有可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)量，這些衛(wèi)星的高度角應(yīng)大于5度（包括每顆衛(wèi)星的方位角和高度角）。由圖1試驗(yàn)中可知，北斗衛(wèi)星星座中參與計(jì)算的衛(wèi)星個(gè)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(jī)均無(wú)故障時(shí)的仿真試驗(yàn)

假設(shè)12顆衛(wèi)星均無(wú)故障，參考接收機(jī)也無(wú)故障。

結(jié)合可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)（圖1）分析得出：在衛(wèi)星和參考接收機(jī)正確的前提下，北斗系統(tǒng)滿足CATⅠ精密進(jìn)近著陸要求（即VPL<10 m），但不滿足CATⅡ和CATⅡ的要求（即VPL<5.3 m），如果將樣本數(shù)據(jù)與仿真圖進(jìn)行比較，我們可以看到，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量越多，VPL值越小。相反，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量越少，VPL值越大。例如，如果衛(wèi)星數(shù)全部可見(jiàn)，即12顆可見(jiàn)衛(wèi)星，則VPL最小，說(shuō)明垂直定位精度較高，測(cè)量誤差較小;此外，對(duì)于相同數(shù)量的衛(wèi)星，VPL值不能相同，因此它也與衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)。

3.2 結(jié)果分析

（1）如果衛(wèi)星和參考接收機(jī)沒(méi)有故障，系統(tǒng)可以滿足CATⅠ精密進(jìn)近（VPL<VAL）的要求，但不能滿足CATⅡ和CATⅡ的要求，說(shuō)明基于北斗的地面加固系統(tǒng)完整性好，可以使用;如果地面參考曲線出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)近，完整性較差，系統(tǒng)不可用。

（2）VPL值與可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)量有關(guān)系。可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量越多，定位精度越高，誤差越小，VPL值也就越小;相反，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量越少，定位精度越低，誤差相對(duì)較大，VPL值也就越大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文以北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS完好性監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)為主要研究目的，以完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)為核心進(jìn)行介紹。通過(guò)對(duì)GBAS完好性的詳細(xì)講解，研究了以VPL為指標(biāo)的算法，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在不同情況下進(jìn)行了仿真及結(jié)論分析。為地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS在精密進(jìn)近中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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