王俊

摘 要：地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS作為民用航空飛機(jī)精密進(jìn)近及著陸引導(dǎo)的新型導(dǎo)航系統(tǒng)，必須盡可能減少誤差，濾除不正常衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息，確保導(dǎo)航信號(hào)中不含有錯(cuò)誤指示，因此GBAS完好性技術(shù)及完好性監(jiān)測(cè)是十分重要的環(huán)節(jié)。文章將對(duì)地基增強(qiáng)系統(tǒng)的部分完好性技術(shù)進(jìn)行介紹，并針對(duì)完好性監(jiān)測(cè)的方法與構(gòu)架展開(kāi)研究。通過(guò)各類算法的解析，分析多系統(tǒng)中各誤差的監(jiān)測(cè)原理、工作邏輯及處理過(guò)程，從而得出系統(tǒng)完好性結(jié)論，并針對(duì)不同誤差和干擾，提出完善建議。

關(guān)鍵詞：GBAS；地基增強(qiáng)系統(tǒng)；完好性；完好性監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)執(zhí)行

引言

隨著我國(guó)民用航空業(yè)的迅速發(fā)展，持續(xù)增長(zhǎng)的航空業(yè)務(wù)量對(duì)機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)施設(shè)備提出了更高的要求。GBAS 地基增強(qiáng)系統(tǒng)，作為民用航空導(dǎo)航新技術(shù)，能有效解決傳統(tǒng)導(dǎo)航方式的各類缺陷，實(shí)現(xiàn)以GPS 為核心的全天候、高精度、高可靠性的進(jìn)近、著陸引導(dǎo)。

GBAS 主要用于機(jī)場(chǎng)終端區(qū)，是提供飛機(jī)進(jìn)近及著陸的衛(wèi)星差分定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 GBAS系統(tǒng)組成圖

GBAS 工作原理：地面站收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)至數(shù)據(jù)處理中心。處理中心對(duì)收到的衛(wèi)星信息進(jìn)行完好性監(jiān)測(cè)，過(guò)濾有可能存在的故障及部分誤差信息。過(guò)濾后的衛(wèi)星信息，將用于計(jì)算對(duì)應(yīng)的差分修正量，并再次開(kāi)始完好性監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)完畢后，利用VHF網(wǎng)絡(luò)將差分修正量及完好性信息發(fā)送至飛機(jī)，為系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)的飛機(jī)提供導(dǎo)航服務(wù)。

GBAS 作為精密進(jìn)近、著陸引導(dǎo)的導(dǎo)航設(shè)備，應(yīng)盡可能減少衛(wèi)星差分信息的誤差，過(guò)濾故障及不正常衛(wèi)星數(shù)據(jù)，確保廣播至飛機(jī)用戶的數(shù)據(jù)中不含有錯(cuò)誤信息。因此，系統(tǒng)完好性技術(shù)及完好性監(jiān)測(cè)是GBAS 系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，下文將進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 建立多系統(tǒng)GBAS 風(fēng)險(xiǎn)模型

GBAS 的誤差及干擾包括機(jī)載、地面和衛(wèi)星部分。主要有時(shí)鐘誤差、星歷誤差、信號(hào)畸變誤差、多徑效應(yīng)誤差、差分?jǐn)?shù)據(jù)誤差等。完好性監(jiān)測(cè)算法應(yīng)針對(duì)各誤差的完好性影響及概率分布，來(lái)分別處理。

因此，正確分析衛(wèi)星導(dǎo)航局域增強(qiáng)系統(tǒng)的完好性風(fēng)險(xiǎn)模型，是提高完好性監(jiān)測(cè)算法有效性的基礎(chǔ)，包括如下兩個(gè)方面的內(nèi)容：

1.1 建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理誤差模型

系統(tǒng)誤差模型的建立是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，必須考慮每個(gè)觀測(cè)量的誤差分布的等級(jí)，同時(shí)還必須考慮每個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊的誤差分布和等級(jí)。對(duì)每個(gè)處理過(guò)程產(chǎn)生的檢測(cè)概率進(jìn)行評(píng)估，衡量誤檢概率和漏檢概率。并依據(jù)誤差分布和檢驗(yàn)算法的特點(diǎn)，分配系統(tǒng)指標(biāo)。通過(guò)仿真手段驗(yàn)證系統(tǒng)誤差模型建立的正確性。

1.2 建立系統(tǒng)設(shè)備故障模型

為了保證空間信號(hào)的可用性，由地面站發(fā)布的差分校正信息必須具有高的可用性，因此需要建立系統(tǒng)設(shè)備故障模型。地面站的設(shè)備較多，包括監(jiān)測(cè)接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、通信設(shè)備等，這些設(shè)備數(shù)量多少需要通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備故障模型進(jìn)行可用性指標(biāo)分配，才能確定。

通過(guò)建立多系統(tǒng)故障模型，根據(jù)不同模型情況，進(jìn)行監(jiān)測(cè)算法設(shè)定。

2 多系統(tǒng)GBAS 完好性監(jiān)測(cè)

完好性監(jiān)測(cè)是對(duì)衛(wèi)星完好性進(jìn)行監(jiān)視的一種處理方法，對(duì)可能的故障源分別進(jìn)行檢測(cè)排查。完好性監(jiān)測(cè)包括信號(hào)質(zhì)量監(jiān)視、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視、觀測(cè)量質(zhì)量監(jiān)視，并通過(guò)綜合處理及多接收機(jī)一致性檢驗(yàn)排除不可用衛(wèi)星，并計(jì)算出滿足完好性要求的可用衛(wèi)星組，用于導(dǎo)航信號(hào)計(jì)算。信號(hào)質(zhì)量監(jiān)視方法（SQM）：應(yīng)用滿足局域增強(qiáng)要求的基準(zhǔn)站接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信噪比、碼-載波偏差和空間信號(hào)的畸變進(jìn)行監(jiān)視，完成信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)視；數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)視（DQM）：主要對(duì)星歷的異常進(jìn)行監(jiān)視，通過(guò)使用新舊星歷對(duì)比等方法生成星歷的判斷結(jié)果；觀測(cè)量數(shù)據(jù)監(jiān)視（MQM）：通過(guò)對(duì)偽距中的階躍、加速和跳變等變化監(jiān)視，保證偽距沒(méi)有發(fā)生大的突變；接收機(jī)多基準(zhǔn)一致性檢驗(yàn)（MRCC）：對(duì)比多臺(tái)接收機(jī)的B值，判定監(jiān)視接收機(jī)是否發(fā)生故障；綜合判斷（EXM）：對(duì)各種檢驗(yàn)方法生成的判斷結(jié)果進(jìn)行綜合分析，形成滿足完好性指標(biāo)要求的可用衛(wèi)星組，保證機(jī)載的完好性得到保護(hù)；多系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)，為獨(dú)立監(jiān)視加綜合判定模式，首先對(duì)某一個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)值使用以上方法進(jìn)行判定，然后綜合判斷多個(gè)系統(tǒng)的判斷結(jié)果。將觀測(cè)值轉(zhuǎn)換至相同時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)下，進(jìn)行綜合判斷處理，計(jì)算出完好性達(dá)標(biāo)的可用衛(wèi)星組。不同的故障及誤差，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，分別以不同的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以下就各完好性監(jiān)測(cè)方法分別進(jìn)行分析。

2.1 信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)

SQM 是對(duì)GPS 偽隨機(jī)碼的畸變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GBAS 信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)碼，并同本地生產(chǎn)的偽隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)處理，以處理結(jié)果是否畸變，來(lái)判斷偽隨機(jī)碼的畸變。

SQM 對(duì)GPS 信號(hào)功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)信號(hào)功率低于標(biāo)稱值時(shí)，即可能存在誤差，系統(tǒng)完好性降低。SQM 的功率監(jiān)測(cè)計(jì)算在t和t-1時(shí)刻，接收機(jī)的通道m(xù)與所鎖定的衛(wèi)星n的平均載噪比C/N0，如式（1）。

C/N0與設(shè)置的門(mén)限對(duì)比，若未超過(guò)門(mén)限數(shù)值，則說(shuō)明接收信號(hào)功率過(guò)小，存在完好性風(fēng)險(xiǎn)；相反，則通過(guò)監(jiān)測(cè)。

（1）

不同的接收機(jī)系統(tǒng)配置及外界環(huán)境不同，設(shè)置的門(mén)限也有所不同。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)

DQM 主要對(duì)收到的GPS 電文進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GBAS 數(shù)據(jù)處理中心用數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法檢查更新的衛(wèi)星星歷和時(shí)鐘信號(hào)可用性。

衛(wèi)星星歷兩小時(shí)一更新，前一時(shí)間在接收機(jī)的范圍內(nèi)的衛(wèi)星，DQM 利用新星歷及舊星歷，分別計(jì)算衛(wèi)星方位，通過(guò)比較方位信息，對(duì)新星歷的可靠性進(jìn)行檢查。最出現(xiàn)在范圍內(nèi)的衛(wèi)星，DQM 利用新星歷，計(jì)算出十個(gè)小時(shí)內(nèi)的方位，與最新的衛(wèi)星歷書(shū)計(jì)算的方位進(jìn)行對(duì)比，判定新星歷的完好性。

2.3 測(cè)量質(zhì)量監(jiān)測(cè)

MQM 對(duì)因時(shí)鐘信息不正常及設(shè)備故障所造成的數(shù)據(jù)步長(zhǎng)突變誤差及其它劇烈變化誤差進(jìn)行檢查。MQM 由三個(gè)監(jiān)測(cè)模塊組成：（1）通過(guò)對(duì)參考接收機(jī)報(bào)告的鎖定時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，來(lái)保證相位一致性；（2）對(duì)載波相位測(cè)量值的步長(zhǎng)、加速度及斜率等參數(shù)變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)其某個(gè)參數(shù)或某幾個(gè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定門(mén)限時(shí)，測(cè)量值所對(duì)應(yīng)通道的質(zhì)量監(jiān)測(cè)不通過(guò)；（3）載波平滑的碼相位測(cè)量更新值檢測(cè)，主要是用于檢查原始偽距值的步長(zhǎng)誤差及脈沖誤差。當(dāng)超過(guò)門(mén)限的更新值大于等于2時(shí)，更新值對(duì)應(yīng)的通道質(zhì)量監(jiān)測(cè)不通過(guò)。

2.4 接收機(jī)一致性監(jiān)測(cè)

SQM 監(jiān)測(cè)、DQM 監(jiān)測(cè)以及MQM 監(jiān)測(cè)處理后的信息，進(jìn)行EXM-I 監(jiān)測(cè)執(zhí)行。最終數(shù)據(jù)將用來(lái)計(jì)算GPS的差分修正值。一致性監(jiān)測(cè)通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星及對(duì)應(yīng)接收機(jī)修正值的一致性參數(shù)（即B值），過(guò)濾修正誤差超過(guò)門(mén)限的某一接收機(jī)或某一通道。

B值計(jì)算：

式中：？漬ca，i，n（0）為通道（m，n）初始相位，Sn為所有接收機(jī)集合，Mn（k）為k時(shí)刻，衛(wèi)星n對(duì)應(yīng)的接收機(jī)數(shù)量。

圖2為MRCC 檢測(cè)流程圖。首先，檢測(cè)是否擁有可用衛(wèi)星集合，當(dāng)不存在可用集合時(shí)終止檢測(cè)；當(dāng)存在可用集合時(shí)候計(jì)算B的和值。通過(guò)判定和值與高斯包絡(luò)法所計(jì)算的門(mén)限值的大小，并根據(jù)通道情況，判定出四種結(jié)果并返回。

圖2 MRCC故障監(jiān)測(cè)流程圖

圖3 EXM-II預(yù)篩選

圖3為監(jiān)測(cè)執(zhí)行流程圖。接收機(jī)一致性檢測(cè)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)EXM-II進(jìn)行監(jiān)測(cè)執(zhí)行處理。如結(jié)果不為0和2，濾除可用衛(wèi)星集合SC中，B值最大的通道數(shù)據(jù)，用SC中剩余數(shù)據(jù)再次計(jì)算B值，并重復(fù)MRCC監(jiān)測(cè)。

2.5 均值與標(biāo)準(zhǔn)差監(jiān)測(cè)

簡(jiǎn)稱？滓？滋監(jiān)測(cè)。一致性監(jiān)測(cè)中計(jì)算的B值，作為均值與標(biāo)準(zhǔn)差監(jiān)測(cè)的輸入，使偽距修正誤差分布在標(biāo)準(zhǔn)差為？滓pr_gnd，均值為0的高斯區(qū)間，用以檢測(cè)真實(shí)的偽距修正誤差分布是否存在偏移。

2.6 測(cè)信息域范圍測(cè)試

簡(jiǎn)稱MFRT，是把偽距修正值及修正率，和設(shè)定門(mén)限對(duì)比，用來(lái)判斷數(shù)據(jù)可信度。MFRT是數(shù)據(jù)處理中心廣播至飛機(jī)前的EXM-II 中的最終檢查方式。偽距修正率定義為：

（4）

式中，TS為采樣時(shí)間間隔。

3 多系統(tǒng)GBAS 完好性監(jiān)測(cè)執(zhí)行

SQM、DQM與MQM算法所產(chǎn)生報(bào)警標(biāo)識(shí)的故障，由監(jiān)測(cè)執(zhí)行EXM-I進(jìn)行分析處理。當(dāng)三個(gè)監(jiān)測(cè)模塊中檢查到誤差和故障，監(jiān)測(cè)執(zhí)行處理輸出flag=1，反之輸出flag=0。并形成以下兩個(gè)矩陣：

和 （5）

矩陣中參數(shù)Tmn為數(shù)據(jù)通道，Dmn為處理結(jié)果，0為正常，1為故障，NULL 為未跟蹤到衛(wèi)星。結(jié)果如表1所示，“√”為可用，“×”為故障，“-”為未跟蹤到。

表1

由表1 可知，處理結(jié)果為三種狀態(tài)：（1）單衛(wèi)星與單接收機(jī)結(jié)果為故障；（2）單衛(wèi)星與若干接收機(jī)結(jié)果為故障；（3）若干衛(wèi)星與若干接收機(jī)結(jié)果為故障。

（1）狀態(tài)為測(cè)量值為濾除狀態(tài)； （2）狀態(tài)為該單衛(wèi)星測(cè)量值濾除狀態(tài)；（3）狀態(tài)為該單接收機(jī)測(cè)量值濾除狀態(tài)； （2）、（3）同時(shí)出現(xiàn)為全部衛(wèi)星和全部接收機(jī)測(cè)量值濾除狀態(tài)。

利用EXM-I處理所得的可用衛(wèi)星集合SC，使接收機(jī)時(shí)鐘調(diào)節(jié)計(jì)算過(guò)程中使用相同SC集合。SC至少由兩個(gè)可用接收機(jī)跟蹤的至少四顆衛(wèi)星組成。如三個(gè)接收機(jī)所跟蹤的衛(wèi)星數(shù)目少于四顆，則選擇任意兩個(gè)接收機(jī)組成的最大可用集合。如至少四顆衛(wèi)星的可用集合不滿足，則刪除所有測(cè)量值，重置IMT。

EXM-II主要處理MRCC、？滓？滋和MRFT等監(jiān)測(cè)算法產(chǎn)生的故障及報(bào)警信息，濾除存在較大誤差的差分修信息，保障飛機(jī)接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)完好性。

圖4 EXM-II預(yù)篩流程圖

圖4為EXM-II 監(jiān)測(cè)執(zhí)行圖，當(dāng)B值存在故障狀態(tài)，從可用集合SC中濾除對(duì)應(yīng)通道，剩余SC數(shù)據(jù)再次計(jì)算B值，并進(jìn)行MRCC 監(jiān)測(cè)。當(dāng)EXM-II返回為非0，將轉(zhuǎn)至EXM-II故障排除。EXM-II循環(huán)重復(fù)處理最大為4次。當(dāng)EXM-II返回為0，則執(zhí)行？滓？滋及MFRT 檢測(cè)，如通過(guò)，則結(jié)束EXM-II，如沒(méi)有通過(guò)，則重復(fù)以上監(jiān)測(cè)流程。如MRCC 返回狀態(tài)為0，則結(jié)束EXM-II ；反之濾除可用集合，并再次計(jì)算B，重復(fù)MRCC和EXM-II故障排除流程。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)地基增強(qiáng)系統(tǒng)完好性技術(shù)及完好性監(jiān)測(cè)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究分析，解析各系統(tǒng)組成及算法流程。GBAS 在實(shí)際運(yùn)行中存在的大部分誤差及干擾，能有效的進(jìn)行監(jiān)測(cè)與過(guò)濾，時(shí)鐘誤差、星歷誤差、信號(hào)畸變誤差、多徑效應(yīng)誤差、差分?jǐn)?shù)據(jù)誤差等均得到有效控制，可以達(dá)到機(jī)場(chǎng)精密進(jìn)近及著陸引導(dǎo)的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

GBAS 地基增強(qiáng)系統(tǒng)，目前仍為試運(yùn)行階段，針對(duì)系統(tǒng)完好性的各項(xiàng)技術(shù)功能，也在不斷完善之中。現(xiàn)有系統(tǒng)中各完好性監(jiān)測(cè)算法部分較為復(fù)雜，且不能完全排除干擾信息，有進(jìn)一步改善空間，后續(xù)可繼續(xù)進(jìn)行分析研究。除去地面系統(tǒng)本身完好性技術(shù)外，亦可使用配套設(shè)施設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，提高系統(tǒng)完好性，如抗多徑寬頻帶天線的使用、地基增強(qiáng)系統(tǒng)環(huán)境評(píng)估技術(shù)、多頻點(diǎn)處理技術(shù)應(yīng)用，均能較好提高GBAS 系統(tǒng)完好性。相信在未來(lái)幾年內(nèi)，GBAS 將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。