一種用于GLS機(jī)載設(shè)備適航驗(yàn)證的模擬器設(shè)計(jì)

鐘倫瓏, 樊振東, 張卓軒

(中國(guó)民航大學(xué) 智能信號(hào)與圖像處理天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300)

在所有飛行階段中,進(jìn)近著陸過(guò)程是最復(fù)雜和最危險(xiǎn)的。目前,民航中引導(dǎo)飛機(jī)著陸的主要方式是儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system,ILS)。ILS是一種陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng),機(jī)載設(shè)備接收陸基電臺(tái)輻射的航向波束和下滑波束,計(jì)算出與固定下滑道的水平和垂直相對(duì)偏離,控制飛機(jī)使這種偏離為0,從而引導(dǎo)飛機(jī)沿固定下滑道進(jìn)近。但I(xiàn)LS存在頻道少,對(duì)場(chǎng)地敏感度高,只能提供單一直線下滑道以及成本較高等缺陷。為克服ILS的缺點(diǎn),航空業(yè)提出計(jì)算飛機(jī)絕對(duì)位置,然后與虛擬下滑道比較引導(dǎo)著陸的方法,即衛(wèi)星著陸系統(tǒng)(GBAS landing system,GLS)方式。GLS是一種基于空間導(dǎo)航衛(wèi)星提供基本定位信息,以及由陸基增強(qiáng)系統(tǒng)(ground-based augmentation system,GBAS)進(jìn)行導(dǎo)航性能增強(qiáng)的精密進(jìn)近著陸系統(tǒng),機(jī)載設(shè)備計(jì)算增強(qiáng)后的定位信息,并由地面提供的運(yùn)行信息模擬出虛擬下滑道,由這些信息引導(dǎo)飛機(jī)著陸,能彌補(bǔ)ILS運(yùn)行成本高和對(duì)地面環(huán)境要求高的缺陷,并且能夠提高機(jī)場(chǎng)終端區(qū)容量[1]。國(guó)際民用航空組織(international civil aviation organization,ICAO)已將GLS定為新一代主用著陸導(dǎo)引系統(tǒng),按照運(yùn)行能力分為CAT I/II/III類系統(tǒng)[2]。2009年,美國(guó)Honeywell公司CAT I類GBAS系統(tǒng)是首個(gè)獲得認(rèn)證的GBAS系統(tǒng)[3]。

適航驗(yàn)證是機(jī)載設(shè)備獲得在飛機(jī)上應(yīng)用許可的必要環(huán)節(jié)[4]。符合性方法是獲得所需的證據(jù)資料以驗(yàn)證設(shè)備是否符合相應(yīng)適航條款的手段,可依據(jù)設(shè)備和條款的不同,選用不同的方法,并遵循可用簡(jiǎn)便方法驗(yàn)證的適航條款絕不用復(fù)雜方法的原則[5]。如適航條款要求機(jī)組對(duì)自動(dòng)駕駛儀的超控必須是安全的,可以通過(guò)分析計(jì)算、安全性評(píng)估和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證自動(dòng)駕駛儀對(duì)條款的符合性[6]。類似地,在裝機(jī)進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)之前,依據(jù)適航條款要求,GLS機(jī)載設(shè)備也需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、工程模擬和地面實(shí)驗(yàn)等測(cè)試,在這些過(guò)程中需要一套滿足適航驗(yàn)證需求的模擬器,按照規(guī)范要求對(duì)GLS機(jī)載設(shè)備的功能以及精度進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證后的指標(biāo)即可為后續(xù)的飛行實(shí)驗(yàn)提供保障。本文針對(duì)用于GLS機(jī)載設(shè)備適航驗(yàn)證的模擬器設(shè)計(jì)需求,設(shè)計(jì)了一種用于GLS機(jī)載設(shè)備適航驗(yàn)證的模擬器。

1 適航驗(yàn)證需求分析

1.1 GLS機(jī)載設(shè)備適航驗(yàn)證技術(shù)

GLS主要由衛(wèi)星星座、GLS機(jī)載設(shè)備和GBAS地面基站3個(gè)部分組成,分別對(duì)應(yīng)空間、機(jī)載和地面組成部分,設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足不同類別(CAT I/II/III類)進(jìn)近著陸標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。GLS導(dǎo)引信號(hào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如圖1所示,與著陸導(dǎo)引信號(hào)生成相關(guān)的功能性能需求,3個(gè)部分分別有不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求:① 衛(wèi)星星座部分發(fā)送用于定位測(cè)速定時(shí)的空間信號(hào),相關(guān)的文件主要是空間信號(hào)接口控制文件(interface control document,ICD),如列入ICAO四大核心星座GPS的ICD文件ICD-GPS-200C、北斗ICD文件BDS-SIS-ICD;② GLS機(jī)載設(shè)備是完成CAT I/II/III類進(jìn)近著陸導(dǎo)引的重要設(shè)備,美國(guó)聯(lián)邦航空局頒布了和設(shè)備兩大功能相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(TSO-C161、TSO-C162),具體的性能和符合性手段可參照美國(guó)航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)適航標(biāo)準(zhǔn)DO-253要求;③ GBAS地面基站可為機(jī)場(chǎng)附近的GLS機(jī)載設(shè)備提供衛(wèi)星完好性、偽距差分修正等信息以及GLS下滑道播送,各國(guó)局方對(duì)GBAS地面基站的信號(hào)接口文件主要參照美國(guó)聯(lián)邦航空局的命令文件[8]。在GLS機(jī)載設(shè)備的適航驗(yàn)證中,需要考慮這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范形成驗(yàn)證環(huán)境以及對(duì)導(dǎo)引性能進(jìn)行審定。

圖1 GLS導(dǎo)引信號(hào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

為確保飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等環(huán)節(jié)達(dá)到一定性能標(biāo)準(zhǔn),民航業(yè)提出了眾多適航規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),要求各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的適航驗(yàn)證。而飛機(jī)上裝載的機(jī)載設(shè)備和零部件審定,可以隨機(jī)審定,也可以取得相對(duì)應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TSOA認(rèn)定,證明機(jī)載設(shè)備和零部件達(dá)到一定的性能標(biāo)準(zhǔn)[9]。對(duì)機(jī)載設(shè)備的申定過(guò)程需要包括前述可適用的適航規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

在對(duì)GLS機(jī)載設(shè)備是否符合特定適航條款的驗(yàn)證中,可選擇的符合性方法見(jiàn)表1所列[10],而適航驗(yàn)證技術(shù)就是符合性方法所運(yùn)用的技術(shù)。按照不同的設(shè)計(jì)階段,對(duì)GLS機(jī)載設(shè)備的適航驗(yàn)證可采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、工程模擬器實(shí)驗(yàn)和飛行實(shí)驗(yàn)等符合性方法。在此類方法中,構(gòu)建一個(gè)可以模擬外部信號(hào)環(huán)境的模擬器這種適航驗(yàn)證技術(shù)是很重要的。

表1 適航驗(yàn)證符合性方法

1.2 GLS機(jī)載設(shè)備最小性能要求

在適航符合性驗(yàn)證中,需要按照適航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求對(duì)GLS機(jī)載設(shè)備的功能以及性能進(jìn)行驗(yàn)證。按照功能劃分,GLS機(jī)載設(shè)備可分為與地面接口的甚高頻數(shù)據(jù)廣播VDB子系統(tǒng)和定位與導(dǎo)航PAN子系統(tǒng)。VDB子系統(tǒng)通過(guò)與航向道共用的甚高頻天線,接收地面站播送的差分修正信息和下滑道信息;PAN子系統(tǒng)綜合接收到的衛(wèi)星定位信息與VDB子系統(tǒng)輸出的修正信息以及下滑道信息,計(jì)算更精確的定位信息及與所選下滑道的偏移信息,導(dǎo)引飛機(jī)進(jìn)行進(jìn)近著陸。機(jī)載設(shè)備接收到的衛(wèi)星定位信息誤差部分可由VDB子系統(tǒng)差分修正信息消除,不能消除的其他誤差也應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

GLS機(jī)載設(shè)備的性能需依照DO-253文件要求,對(duì)GLS機(jī)載設(shè)備的測(cè)試過(guò)程包括如下3個(gè)步驟:① 待測(cè)設(shè)備需在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行包含設(shè)備外殼強(qiáng)度、內(nèi)部電子芯片性能、電源輸入大小等與設(shè)備物理性質(zhì)相關(guān)的測(cè)試;② 設(shè)備需要進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試,即在實(shí)驗(yàn)室或仿真的真實(shí)環(huán)境中,對(duì)設(shè)備定位功能、進(jìn)近下滑道偏離輸出功能及定位能力進(jìn)行測(cè)試,該測(cè)試旨在飛行測(cè)試前,對(duì)設(shè)備是否滿足所需的功能進(jìn)行驗(yàn)證;③ 對(duì)照性能要求規(guī)范(如基于性能導(dǎo)航PBN規(guī)范)驗(yàn)證設(shè)備的性能。依據(jù)ICAO附件十,GLS機(jī)載設(shè)備輸出的精度、完好性和可用性等性能需滿足相應(yīng)類別的要求,具體見(jiàn)表2所列[11]。表2中，L為水平方向數(shù)值;V為垂直方向數(shù)值。

表2 不同類別精密進(jìn)近導(dǎo)航性能需求

除了上述測(cè)試和最后的飛行測(cè)試之外,GLS機(jī)載設(shè)備的VDB子系統(tǒng)及PAN子系統(tǒng)分別需要滿足自身的測(cè)試要求,包括在整體或功能性缺失下的風(fēng)險(xiǎn)值,以及硬件失效后的誤導(dǎo)率。該風(fēng)險(xiǎn)值與定位誤差及衛(wèi)星完好性、地面設(shè)備可用性都有關(guān)。

1.3 GLS適航驗(yàn)證模擬器需求分析

在對(duì)GLS機(jī)載設(shè)備依據(jù)不同符合性方法進(jìn)行適航測(cè)試時(shí),主要考慮GLS機(jī)載部分的適航性驗(yàn)證需求(最小性能要求),即基于性能導(dǎo)航的標(biāo)準(zhǔn)和子系統(tǒng)功能測(cè)試,如圖2所示。

圖2 機(jī)載設(shè)備適航驗(yàn)證需求分析圖

為了驗(yàn)證最小性能,需要構(gòu)建GLS機(jī)載設(shè)備工作的外部環(huán)境,包括:VDB子系統(tǒng)接收到的GBAS地面基準(zhǔn)站差分修正信號(hào)等信息;PAN子系統(tǒng)在定位時(shí)接收到的衛(wèi)星信號(hào),以及衛(wèi)星信號(hào)在傳播過(guò)程中引入的各種誤差。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在上文對(duì)適航驗(yàn)證技術(shù)和符合性方法分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合中國(guó)民航局頒布的規(guī)范性文件《衛(wèi)星著陸系統(tǒng)GLS運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)指南》第7.2節(jié)中對(duì)運(yùn)行GLS的機(jī)載設(shè)備功能要求,進(jìn)行GLS機(jī)載設(shè)備適航驗(yàn)證,采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)等符合性方法,重點(diǎn)是搭建可模擬GLS機(jī)載設(shè)備外部運(yùn)行環(huán)境,能仿真各種誤差源和失效情況的適航驗(yàn)證模擬器。

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

從適航驗(yàn)證需求出發(fā),設(shè)計(jì)出模擬器功能方框圖如圖3所示,整個(gè)模擬器的功能由基礎(chǔ)信息設(shè)置、導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成、參數(shù)處理顯示3個(gè)模塊實(shí)現(xiàn),各個(gè)模塊又由若干子模塊組成。為支持整個(gè)模擬器的運(yùn)行,系統(tǒng)還包含導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)、大氣環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)和地形數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 模擬器功能方框圖

基礎(chǔ)信息設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)信息、進(jìn)近程序信息和外部環(huán)境仿真模型的管理,提供導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成模塊所需的環(huán)境信息和數(shù)據(jù)。

導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成模塊利用進(jìn)近程序信息驅(qū)動(dòng)飛行模擬模塊生成仿真航跡,通過(guò)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)衛(wèi)星星座模塊和GBAS地面站模塊實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星空間信號(hào)和地面站偽距差分修正和下滑道信息VDB信號(hào)的生成,并提供給GLS機(jī)載部分。GLS機(jī)載設(shè)備PAN子系統(tǒng)利用衛(wèi)星空間信號(hào)數(shù)據(jù)和VDB信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)GBAS定位和類ILS進(jìn)近信息生成,并將其數(shù)據(jù)供給GLS引導(dǎo)顯示模塊。模塊中涉及到的外部環(huán)境模型由基礎(chǔ)信息設(shè)置模塊控制下的外部環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)提供。

參數(shù)處理顯示模塊利用模擬器各子模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行運(yùn)算,生成相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。此模塊的搭建為了觀察程序設(shè)計(jì)是否符合適航測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),按照基于PBN測(cè)試和進(jìn)近著陸階段實(shí)際情況,將生成的參數(shù)分成信號(hào)類參數(shù)(如信號(hào)信噪比等)和信息類參數(shù)定位(如定位精度、衛(wèi)星可見(jiàn)星數(shù)量等)。模擬器本身不涉及性能評(píng)估,信號(hào)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性等信息類參數(shù)設(shè)置此處不作討論。此外,由基礎(chǔ)信息設(shè)置模塊設(shè)置的環(huán)境參數(shù)信息也將通過(guò)此模塊顯示在人機(jī)界面上。

2.2 外部環(huán)境仿真模型設(shè)計(jì)

關(guān)于導(dǎo)航信號(hào)生成和參數(shù)處理算法,與普通衛(wèi)星模擬器一樣,具體可參考文獻(xiàn)[12],此處模擬器更關(guān)鍵的是生成滿足驗(yàn)證需求的外部環(huán)境。由于GLS機(jī)載設(shè)備是基于衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位的,GLS機(jī)載設(shè)備外部誤差環(huán)境主要和PAN子系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星信號(hào)在傳播時(shí)引入的誤差有關(guān),如大氣延遲以及多徑造成的延遲等因素。同時(shí),GBAS地面基準(zhǔn)站收到的衛(wèi)星信號(hào)也受類似因素影響。

參照相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,外部環(huán)境仿真模型設(shè)計(jì)如圖4所示,主要考慮衛(wèi)星信號(hào)的電離層、對(duì)流層、多徑誤差以及偽距修正量的殘差。其中:電離層延遲誤差采用國(guó)際參考電離層模型；對(duì)流層誤差采用Hopfield模型；多徑誤差采用DO-247模型。由于GBAS發(fā)出的偽距修正量會(huì)補(bǔ)償部分GLS機(jī)載設(shè)備接收到的衛(wèi)星信號(hào)誤差量,在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有些環(huán)節(jié)予以簡(jiǎn)化。例如：電離層殘差在機(jī)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)載系統(tǒng)定位影響不大,采用簡(jiǎn)化后的電離層模型;對(duì)流層殘差采用DO-253模型;多徑殘差采用值擬合的方式,將多徑殘差總結(jié)為均值為0的高斯分布；其他誤差的殘差模型簡(jiǎn)化為高斯白噪聲。

圖4 外部環(huán)境仿真誤差模型設(shè)計(jì)

在進(jìn)近著陸階段,除了考慮以上與衛(wèi)星信號(hào)的外部環(huán)境模擬外,還要是考慮傳播環(huán)境對(duì)VDB信號(hào)造成的影響,這將影響最終GLS機(jī)載設(shè)備輸出參數(shù)的性能。影響VDB子模塊的因素主要是復(fù)雜地形造成的遮蔽角,即從天線中心點(diǎn)和該點(diǎn)所在水平面向上算起的電波信號(hào)被地形遮擋的垂直張角。確定基站經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度信息,根據(jù)地形數(shù)據(jù)信息計(jì)算360°方位上的遮蔽角θs為:

(1)

其中:h為地面某點(diǎn)的高度;d為該點(diǎn)到VDB基站的距離;hd為基站天線的高度;Re為地球等效半徑;λ為天線的工作波長(zhǎng),將某一方位上的遮蔽角最大值作為基準(zhǔn)遮蔽角。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要實(shí)現(xiàn)圖3所示的功能,按照分層程序設(shè)計(jì)思想[13],模擬器軟件由數(shù)據(jù)層、接口層、應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)組成,如圖5所示。

數(shù)據(jù)層依據(jù)接口層轉(zhuǎn)發(fā)的應(yīng)用層指令生成導(dǎo)航數(shù)據(jù),為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持,包括GLS仿真數(shù)據(jù)和飛行仿真數(shù)據(jù)模塊。接口層位于數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層之間,轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用層指令至數(shù)據(jù)層,轉(zhuǎn)換處理數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)并發(fā)送到應(yīng)用層,包括GLS動(dòng)態(tài)傳輸數(shù)據(jù)鏈和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)鏈。其中：GLS動(dòng)態(tài)傳輸數(shù)據(jù)鏈負(fù)責(zé)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間的通信,以及將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)鏈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)給應(yīng)用層；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)鏈對(duì)坐標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)提供直角坐標(biāo)和地理坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換功能。應(yīng)用層對(duì)應(yīng)圖3中所示的模擬器3大功能,分為基礎(chǔ)信息設(shè)置、導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成和參數(shù)處理顯示3個(gè)功能模塊。在數(shù)據(jù)層和接口層提供的服務(wù)下,應(yīng)用層以Windows窗體的形式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖5 模擬器軟件設(shè)計(jì)

具體程序設(shè)計(jì)時(shí),數(shù)據(jù)層的實(shí)現(xiàn)利用了ADO.NET技術(shù)。作為一種面向?qū)ο箢悗?kù),ADO.NET允許和不同類型的數(shù)據(jù)源以及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。模擬器將包括外部環(huán)境模型數(shù)據(jù)在內(nèi)的不同更新率和不同協(xié)議的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,并通過(guò)接口層傳輸給應(yīng)用層。

接口層的實(shí)現(xiàn)利用了Python腳本。接口層作為應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層的連接口,將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按照不同協(xié)議分別處理。

以下重點(diǎn)說(shuō)明應(yīng)用層的模塊設(shè)計(jì)。

(1) 基礎(chǔ)信息設(shè)置模塊?；A(chǔ)信息設(shè)置模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的輸入界面主要通過(guò)Windows窗體界面對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理等操作,實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)信息、進(jìn)近程序信息和外部環(huán)境仿真模型的管理。

在程序?qū)崿F(xiàn)上,基礎(chǔ)信息設(shè)置模塊利用ADO.NET技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)合SQL語(yǔ)句,通過(guò)以C#編譯的Windows窗體界面,實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)與外部環(huán)境信息仿真模型相關(guān)數(shù)據(jù)的添加、修改、刪除等操作,設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)信息設(shè)置界面

(2) 導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成模塊。導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成模塊利用航跡數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛行模擬模塊生成仿真航跡,通過(guò)GNSS衛(wèi)星星座模塊實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星空間信號(hào)生成,由GBAS地面站模塊生成包含地面站偽距差分修正和下滑道信息的VDB信號(hào),并提供給GLS機(jī)載部分。GLS機(jī)載設(shè)備PAN子系統(tǒng)利用衛(wèi)星空間信號(hào)數(shù)據(jù)和VDB信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)GBAS定位和類ILS進(jìn)近信息生成,并將其數(shù)據(jù)供給GLS引導(dǎo)顯示模塊。此模塊所有的外部環(huán)境模型由外部環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)提供。

GNSS衛(wèi)星星座模塊按照ICD-GPS-200C文件以廣播星歷數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存在于GBAS數(shù)據(jù)庫(kù)[14]中。

GBAS地面站模塊按照ORDER 6884.1進(jìn)行位置設(shè)計(jì)。此外,為了仿真故障等實(shí)際情形, GBAS地面站模塊需要輸出一致完好性參數(shù)B。完好性參數(shù)B值體現(xiàn)了地面站模塊是否出現(xiàn)故障或其信息是否可用,定義[15]如下:

(2)

其中：下標(biāo)i為衛(wèi)星的編號(hào);j為基準(zhǔn)站的編號(hào);n表示第n顆衛(wèi)星;Pi,j為第j個(gè)地面基準(zhǔn)站發(fā)布的第i顆衛(wèi)星的偽距修正值;M為地面基準(zhǔn)站的數(shù)目;Pi,n為第n號(hào)基準(zhǔn)站接收第i顆衛(wèi)星的信號(hào)而計(jì)算出的第i顆衛(wèi)星的偽距修正值;Bi,j為第j號(hào)基準(zhǔn)站接收第i顆衛(wèi)星的信號(hào)而獲得的B值,是利用多個(gè)地面基準(zhǔn)站的偽距修正量構(gòu)造的參考值。

為了滿足軟件測(cè)試的需求,參照DO-253和《衛(wèi)星著陸系統(tǒng)GLS運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)指南》有關(guān)GLS機(jī)載端的功能描述,在導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成模塊中內(nèi)建立GLS機(jī)載設(shè)備的仿真模塊,實(shí)現(xiàn)了GBAS定位和GLS適航測(cè)試及導(dǎo)航參數(shù)的生成。此模塊可以在測(cè)試實(shí)際系統(tǒng)時(shí)關(guān)閉。

在程序?qū)崿F(xiàn)上,導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)生成模塊利用Matlab/Simlink中六自由度飛機(jī)氣動(dòng)模型生成仿真飛行航跡，利用Python腳本實(shí)現(xiàn)GBAS系統(tǒng)的仿真和定位數(shù)據(jù)輸出。

(3) 參數(shù)處理顯示模塊。參數(shù)處理顯示模塊利用模擬器各子模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行運(yùn)算,生成相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。生成的參數(shù)分成信號(hào)類參數(shù)(例如信號(hào)信噪比等)和信息類參數(shù)(例如定位精度和衛(wèi)星可見(jiàn)星數(shù)量等)。因?yàn)槟M器不涉及性能評(píng)估,所以不輸出系統(tǒng)完好性、連續(xù)性和可用性等信息類參數(shù)。

在程序?qū)崿F(xiàn)上,利用C#中ListView控件實(shí)現(xiàn)信號(hào)參數(shù)的列表顯示,有利于GLS機(jī)載設(shè)備適航測(cè)試的數(shù)據(jù)觀察和記錄。

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試所用航跡數(shù)據(jù)是2018年2月26日?qǐng)?zhí)飛機(jī)型為A320neo的武漢-北京航班航線的進(jìn)近著陸階段航跡數(shù)據(jù)及外部環(huán)境數(shù)據(jù)。將進(jìn)近程序和內(nèi)建GLS機(jī)載設(shè)備仿真程序調(diào)為CAT I,此時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)順利生成。

為了驗(yàn)證模擬器是否能夠按照程序設(shè)定生成適航驗(yàn)證環(huán)境,將GLS機(jī)載設(shè)備導(dǎo)航定位精度要求和機(jī)載設(shè)備仿真模塊的實(shí)際定位精度進(jìn)行對(duì)比。

設(shè)定已知基準(zhǔn)點(diǎn)和連續(xù)定位時(shí)間為24 h,并將相關(guān)GLS定位誤差數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab。取絕對(duì)值后的水平位置誤差和垂直位置誤差如圖7、圖8所示。

圖7 水平定位誤差

圖8 垂直定位誤差

對(duì)比表2所示的CAT I精度標(biāo)準(zhǔn)(水平誤差極限16.0 m,垂直誤差極限7.7 m),可見(jiàn)GLS定位精度符合模擬器程序設(shè)定要求。這也表明了模擬器能夠按照程序設(shè)定生產(chǎn)相應(yīng)外部適航驗(yàn)證環(huán)境。

4 結(jié) 論

為滿足衛(wèi)星著陸系統(tǒng)機(jī)載系統(tǒng)適航驗(yàn)證需求的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了一種用于GLS機(jī)載設(shè)備適航驗(yàn)證的模擬器。通過(guò)內(nèi)建GLS機(jī)載設(shè)備仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該模擬器成功生成適合GLS機(jī)載設(shè)備的適航驗(yàn)證環(huán)境,并成功輸出用于適航驗(yàn)證和性能評(píng)估的相關(guān)信息參數(shù)。

模擬器可在減少成本的前提下,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航激勵(lì)信號(hào)的仿真生成及外部環(huán)境的仿真,這將大大有利于GLS機(jī)載設(shè)備適航評(píng)估地面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于條件限制,此次設(shè)計(jì)的測(cè)試全部在軟件仿真環(huán)境下進(jìn)行,并沒(méi)有結(jié)合硬件系統(tǒng),這也是本文下一步的工作。