+ 劉天雄

3.2 地基增強(qiáng)系統(tǒng)

3.2.1 工作原理

地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）通過多個位置確定的地面參考站監(jiān)測導(dǎo)航信號，同時監(jiān)測電離層和對流層等空間天氣對導(dǎo)航信號傳播時延的影響，生成導(dǎo)航信號的差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性信息，再由一部或多部地面發(fā)射機(jī)將增強(qiáng)信息播發(fā)給用戶。GBAS通常都是對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的局部區(qū)域增強(qiáng)，利用差分技術(shù)，計算衛(wèi)星導(dǎo)航信號的局域改正值以提高系統(tǒng)定位精度，同時通過完好性監(jiān)視算法，給出系統(tǒng)的完好性信息。GBAS主要用于對實時定位精度和信號完好性指標(biāo)較為苛刻的民航導(dǎo)航，為機(jī)場范圍內(nèi)提供精密進(jìn)場、離場程序、和終端區(qū)作業(yè)服務(wù)，滿足民用航空精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)對定位精度、完好性和可用性的要求。

在民航飛機(jī)著陸和精密進(jìn)近過程中，針對GNSS信號缺乏實時、快速的閉環(huán)健康監(jiān)控手段，國際民航組織ICAO定義的GBAS是解決引導(dǎo)飛機(jī)精密進(jìn)近過程中衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，特別是完好性指標(biāo)不滿足系統(tǒng)要求的問題，鑒于GBAS服務(wù)區(qū)域十分有限，美國聯(lián)邦航空管理局將GBAS稱為局域增強(qiáng)系統(tǒng)（Local Area Augmentation System，LAAS）。

GBAS一般利用甚高頻（very high frequency，VHF）無線電地面通信鏈路向用戶播發(fā)差分改正數(shù)和完好性信息，服務(wù)范圍一般為30～50km。甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VHF data broadcast，VDB）信息類型有信息類型1（MT1）、信息類型2（MT2）和信息類型4（MT4）三種，MT1主要包含可見衛(wèi)星的差分信息，用于消除導(dǎo)航信號受到衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)影響、電離層延遲影響、大氣層影響和多路徑效應(yīng)引起的飛機(jī)位置誤差，從而使飛機(jī)位置偏差減小到1～2m甚至更低，RTCA/D0-246D給出MT1數(shù)據(jù)格式如表6所示。

MT2主要包含地面參考點(diǎn)數(shù)據(jù)，用于計算由于飛機(jī)位置與地面參考基準(zhǔn)站位置不同而引起的電離層延遲和對流層延遲殘余誤差，此類誤差不能由MT1的差分信息來消除，RTCA/D0-246D給出的MT1數(shù)據(jù)格式如表7所示。

MT4用于引導(dǎo)飛機(jī)的進(jìn)近著陸階段，包含飛機(jī)最終的最后進(jìn)近段FAS數(shù)據(jù)和下滑角度信息，下滑角度一般為3°，同時定義了機(jī)場跑道的經(jīng)緯度信息，用于計算飛機(jī)到機(jī)場跑道的距離，飛機(jī)根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)以及MT1信息和MT2信息可以獲得精確的位置信息，通過與MT4信息中的FAS數(shù)據(jù)對比，可以得到相對于理想的最后進(jìn)近段FAS的水平和垂直方向的偏差，此偏差可以實時顯示在飛機(jī)駕駛座艙的主顯示器中，同時飛機(jī)著陸系統(tǒng)將次偏差信號送給自動駕駛系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)，從而控制飛機(jī)使其沿著理想的最后進(jìn)近段FAS安全著陸，RTCA/D0-246D給出的MT1數(shù)據(jù)格式如表8所示。

表6 地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS信息類型1數(shù)據(jù)格式（部分）

表7 地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS信息類型2數(shù)據(jù)格式（部分）

表8 地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS信息類型4數(shù)據(jù)格式（部分）

目前，美國GPS的LAAS系統(tǒng)已實現(xiàn)民航的I類精密進(jìn)近（CAT-I）要求，即水平16m、垂直4～6m的定位精度，告警時間2s，允許的完好性風(fēng)險2*10-7/進(jìn)近，并已形成相應(yīng)的地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。LAAS系統(tǒng)在美國部分機(jī)場實現(xiàn)CAT-IIIB精密進(jìn)近，目前尚未實現(xiàn)CATIIIC服務(wù)。經(jīng)過改造的LAAS可實現(xiàn)艦載機(jī)著艦要求，由此產(chǎn)生JPALS系統(tǒng)。LAAS系統(tǒng)大幅度地提高了用戶的定位精度，同時有效地改善了GPS的完好性，為用戶提供WAAS所不能達(dá)到的導(dǎo)航服務(wù)。不足之處是，與其他所有基于射頻信號的著陸系統(tǒng)一樣，LAAS系統(tǒng)VHF頻率數(shù)據(jù)鏈路容易受到無意信號干擾，同時多徑效應(yīng)也將惡化定位精度。

3.2.2 實現(xiàn)方案

LAAS系統(tǒng)由地基增強(qiáng)基站（基準(zhǔn)接收機(jī)及其接收天線）、偽衛(wèi)星、甚高頻數(shù)傳電臺、地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備和機(jī)載設(shè)備組成，系統(tǒng)組成如圖19所示，增強(qiáng)基站包括位于跑道四周的四個基準(zhǔn)站和一個位于跑道中部的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，分別接收處理來自GPS導(dǎo)航信號，通過差分處理、完好性監(jiān)測和執(zhí)行監(jiān)控，計算誤差并識別系統(tǒng)完好性，生成差分?jǐn)?shù)據(jù)和完好性監(jiān)視數(shù)據(jù)，以31.5kbps的信息速率，采用時分多址技術(shù)TDMA，通過VHF甚高頻率（108～118MHz）的數(shù)傳電臺向機(jī)場周圍約45km半球范圍內(nèi)的飛機(jī)提供GPS增強(qiáng)信息，為飛機(jī)最后進(jìn)近段（Final Approach Segment，F(xiàn)AS）精密進(jìn)近提供導(dǎo)航服務(wù)。該頻率與儀表著陸系統(tǒng)ILS以及甚高頻全向(無線電)信標(biāo)導(dǎo)航輔助系統(tǒng)VOR一致，機(jī)載LAAS接收機(jī)同時接收GPS基本系統(tǒng)信號、LAAS增強(qiáng)數(shù)據(jù)和安裝在機(jī)場的偽衛(wèi)星信號，實現(xiàn)0．5m(95%)定位精度，并使完好性滿足以上三個階段的要求，保障全天候飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)。

位于機(jī)跑道場附近的基準(zhǔn)站（局域參考站）具有確定的位置坐標(biāo)，基準(zhǔn)站接收通過差分技術(shù)解算出測量的位置坐標(biāo)與真值比較后得到偽距修正值，然后將偽距修正值實時送給系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，中心同時生成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和地面站自身的完好性信息，將偽距修正值和完好性信息按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式封裝成機(jī)場局域增強(qiáng)信息，利用VHF頻率數(shù)據(jù)鏈路將增強(qiáng)信息播發(fā)給用戶。飛機(jī)上的機(jī)載航電設(shè)備同時接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號和GBAS增強(qiáng)信號，目前一般為多模接收機(jī)（Multi-Mode Receivers，MMR），得到飛機(jī)當(dāng)前的精確位置數(shù)據(jù)和系統(tǒng)完好性信息，可以在能見度較低的情況下，仍然可以引導(dǎo)飛機(jī)精密進(jìn)和著陸。

圖19 LAAS系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)鏈路

地面數(shù)據(jù)處理包括差分處理、完好性監(jiān)測和執(zhí)行監(jiān)控三個環(huán)節(jié)，差分處理是對導(dǎo)航信號進(jìn)行解碼，載波平滑偽距，產(chǎn)生偽距差分修正數(shù)，廣播差分改正數(shù)等，同時為后續(xù)完好性監(jiān)測算法提供數(shù)據(jù)。完好性監(jiān)測是對導(dǎo)航信號以及地面設(shè)備本身可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行監(jiān)視，保證導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性，包括信號質(zhì)量監(jiān)測(SQM)，數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(DQM)、測量值質(zhì)量監(jiān)測(MQM)、多接收機(jī)一致性校驗(MRCC)、均值和方差監(jiān)測、導(dǎo)航電文字段測試(MessageField Range Test，MFRT)。這些監(jiān)測算法針對不同的故障模式而設(shè)計，SQM監(jiān)視導(dǎo)航信號相關(guān)峰、導(dǎo)航信號功率和測距碼載波相位一致性，監(jiān)測和識別導(dǎo)航信號的異常狀態(tài)，包括導(dǎo)航信號自身的異常和監(jiān)測接收機(jī)本地的干擾信號，保證導(dǎo)航信號沒有發(fā)生畸變以及信號功率處于正常水平。衛(wèi)星在軌姿態(tài)和軌道調(diào)整、廣播星歷參數(shù)計算誤差和地面運(yùn)控系統(tǒng)注入校正參數(shù)時數(shù)據(jù)鏈路故障等原因都有可能出現(xiàn)星歷誤差，DQM在有新的衛(wèi)星出現(xiàn)在視界中和接收到新的導(dǎo)航電文時檢查衛(wèi)星星歷和時間數(shù)據(jù)，保證接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)足夠可靠。MQM監(jiān)測由于衛(wèi)星星載時鐘異?；騾⒖冀邮諜C(jī)故障引起的瞬時跳變和其它快變誤差，包括監(jiān)測接收機(jī)鎖定時間，監(jiān)測載波信號上的脈沖、階躍或者加速度等快變信號，監(jiān)測載波平滑碼更新，確定偽距和載波相位觀測量在最近幾個歷元內(nèi)的一致性。MRCC檢查每顆衛(wèi)星校正值在多接收機(jī)間的一致性，排除可能引起較大差分校正值誤差的單接收機(jī)異常。均值和方差監(jiān)測保證校正值的標(biāo)準(zhǔn)差包絡(luò)實際誤差。MFRT驗證平均偽距校正值和校正值率符合電文有效格式。執(zhí)行監(jiān)控（Executive Monitoring，EXM）是一系列的復(fù)雜故障處理邏輯。每個完好性監(jiān)視算法可能對一個通道或一顆衛(wèi)星生成一個故障告警，EXM對所有的告警進(jìn)行綜合，然后隔離故障測量值。EXM第一階段（EXM-I）將有告警的測量值排除，未被排除的測量值用于計算差分校正。EXM第二階段（EXM-II）基于MRCC、均值和方差監(jiān)測和MFRT進(jìn)行一系列故障排除。地基增強(qiáng)系統(tǒng)完好性監(jiān)測平臺組成如圖20所示。

圖20 地基增強(qiáng)系統(tǒng)完好性監(jiān)測平臺組成

確保信息完好性是地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS的重要目標(biāo)，也是系統(tǒng)的核心功能之一，所謂完好性就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信息在多大程度上可以用于用戶導(dǎo)航或者提供的警示或者警告信號是否真實可信，有無虛警信號；當(dāng)系統(tǒng)不能用于用戶導(dǎo)航服務(wù)時，系統(tǒng)及時發(fā)出告警或者警示信號的能力。在地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS增強(qiáng)信號覆蓋范圍，飛機(jī)接收地基增強(qiáng)系統(tǒng)廣播的VDB數(shù)據(jù)信息，可以精確計算出飛機(jī)的空間位置（經(jīng)度、緯度和高程）。為了保證通過VDB數(shù)據(jù)信息計算得到的飛機(jī)位置的置信度，或者說得到的計算數(shù)據(jù)是完好的，首先計算出水平保護(hù)級和垂直保護(hù)級，然后分別與規(guī)定的水平保護(hù)門限和垂直保護(hù)門限比較，如果保護(hù)級處于告警級內(nèi)部，則得到的信息是完好的，該信息可以用于飛機(jī)的著陸系統(tǒng)，否則，該信息不能用于飛機(jī)的著陸系統(tǒng)。