海基精密進近完好性監(jiān)測體系與算法

李曉宇，鄭 坤，楊 洋，王 軍

1. 裝備學(xué)院，北京，101416；2. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京，100094

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海基精密進近完好性監(jiān)測體系與算法

李曉宇1，鄭 坤1，楊 洋2，王 軍1

1. 裝備學(xué)院，北京，101416；2. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京，100094

基于GNSS的飛機精密進近著陸系統(tǒng)，除了要提供高精度的導(dǎo)航信息，還必須具有很高的完好性。?；苓M近對完好性有更嚴(yán)格的要求。本文研究了?；苓M近完好性監(jiān)測的體系結(jié)構(gòu)和處理流程，基于各異常監(jiān)測模塊和執(zhí)行邏輯功能模型，對比分析了各模塊對完好性監(jiān)測的影響，給出了機載端保護限值計算方法。通過分析進一步完善了海基完好性監(jiān)測的體系架構(gòu)，展望了其應(yīng)用前景。

?；苓M近著陸系統(tǒng); 完好性監(jiān)測；異常監(jiān)測模塊；機載保護限值

1 引 言

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的建設(shè)發(fā)展，F(xiàn)AA、ICAO等一些民航組織認(rèn)為GNSS是用于民用航空導(dǎo)航的核心方法和手段。為了滿足民用航空末端導(dǎo)航和著陸階段導(dǎo)航的性能需求，建立了星基增強系統(tǒng)和地基增強系統(tǒng)[1]。為了將DGPS 用于Ⅱ類、Ⅲ類精密進近，F(xiàn)AA 建立了GPS 的局域增強系統(tǒng)(Local Area Augmentation System, LAAS)和廣域增強系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System, WAAS)，以改善GPS 的精度、完好性、服務(wù)的連續(xù)性和可用性，提高系統(tǒng)的導(dǎo)航容量和可靠性。

在GNSS著陸系統(tǒng)的應(yīng)用中，美軍目前正在實施類似LAAS的聯(lián)合精密進近著陸系統(tǒng)(Joint Precision Approach and Landing System, JPALS)。JPALS是由美國國防部牽頭，聯(lián)合海軍、空軍、陸軍等共同推進的軍用高精度精密進近著陸系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過增強GPS信號以滿足美軍軍用飛機著陸/著艦引導(dǎo)質(zhì)量要求[2]。JPALS 系統(tǒng)的目標(biāo)是建設(shè)一個精確的、可快速部署的、抗天氣和地形影響、易存活、易維護、具有互操作性的差分GPS 著陸系統(tǒng)，支持陸基著陸階段和艦基全飛行階段運行，支持CAT I/II/III 精密進近[3]。

根據(jù)美國空軍和海軍的不同需求，JPALS 發(fā)展了陸基(Land-based)和?；?Sea-based)兩個不同的系統(tǒng)。?；筒捎秒p向UHF數(shù)據(jù)鏈通信模式，著艦垂直精度優(yōu)于0.3 m，滿足航空母艦著艦引導(dǎo)精度要求；陸基型地面站又包括軍用機場(配備JPALS系統(tǒng))和民用機場(配備陸基增強系統(tǒng)(GBAS)系統(tǒng))。軍用陸基型地面站可以兼用單向UHF加密數(shù)據(jù)鏈和單向VHF不加密數(shù)據(jù)鏈，給進近的飛機發(fā)送差分GPS誤差修正數(shù)據(jù)；民用機場只采用單向VHF不加密數(shù)據(jù)鏈通信，向進近的飛機發(fā)送差分GPS誤差修正報文[4]。

在JPALS的研究中，文獻[5]分別介紹了?；鵍PALS和陸基JPALS的性能需求、系統(tǒng)架構(gòu)，并分析了二者的差異性。Dogra S[6]給出了海基JPALS的數(shù)據(jù)處理流程，詳細分析了基于RTK的精密相對定位算法以及整周模糊度求解算法，采用仿真方法進行驗證；Brown A[7]在分析?；鵍PALS以及陸基JPALS框架的基礎(chǔ)上，給出了性能仿真模型。還有學(xué)者分別就JPALS中的信道選擇[8]、天線相對運動[9]以及整周模糊度求解[10]中的完好性監(jiān)測相關(guān)問題進行了分析。

本文主要針對在導(dǎo)航性能需求中，對安全性有嚴(yán)格要求的?；苓M近的完好性監(jiān)測問題展開研究，分析了海基精密進近完好性監(jiān)測的體系結(jié)構(gòu)、各異常監(jiān)測模塊的功能模型以及機載端保護限值的計算方法。

2 ?；鵍SIM體系結(jié)構(gòu)

與陸基精密進近相比，?；苓M近為了滿足高精度、完好性的需求，它采用實時動態(tài)載波相位觀測量，因此，整周模糊度的快速求取以及周跳的探測修復(fù)是高精度和高完好性的基本保證。在?；苓M近著陸中，采用寬巷實數(shù)域平滑算法求取寬巷模糊度以及L1/L2模糊度的整數(shù)解，求得的整數(shù)解還要通過H0無故障進行確認(rèn)[11]。

?；苓M近著陸系統(tǒng)的完好性監(jiān)測包括兩部分[12]：一是艦基端完好性監(jiān)測系統(tǒng)JSIM(JPALS Sea-based Integrity Monitor)；二是機載完好性監(jiān)測系統(tǒng)，兩者相結(jié)合完成整個系統(tǒng)的完好性監(jiān)測。JSIM原理與陸基JLIM基本相同，但區(qū)別在于由于艦船的移動使得?；鵍SIM更為復(fù)雜，因此需要考慮艦體移動誤差、變性誤差、虛擬參考點誤差，此外還要考慮實時保持天線陣列相對位置的固定與相對一致性等。JSIM的改進辦法是在每個天線單元安裝慣導(dǎo)單元，采用GNSS/INS超緊組合方案估計天線相位中心的相對位移，這種能力是陸基JLIM不具備的。在艦基端通過GNSS接收機與慣導(dǎo)設(shè)備的組合觀測量，采用改進RAIM算法檢測與識別故障。

?；苓M近著陸在數(shù)據(jù)處理中采用寬巷RTK算法，艦載機在進近著陸過程中接收艦基端發(fā)播的原始觀測量、寬巷組合觀測值以及相應(yīng)估計的誤差范圍。機載完好性監(jiān)測系統(tǒng)主要在機載端完成。其中，空間信號完好性監(jiān)測在射頻前端完成，負(fù)責(zé)監(jiān)測射頻干擾、多徑等誤差信息；測距域完好性監(jiān)測主要通過對GNSS/INS組合觀測量進行故障檢驗和排除；模糊度域完好性監(jiān)測通過對整周模糊度解算的成功率進行監(jiān)測，保證解算的正確性。

JSIM完好性監(jiān)測由一系列完好性監(jiān)測模塊和算法組成[13]，它對不同形式的故障和異常情形進行監(jiān)測，這些模塊共同作用，確保故障消除后的觀測量繼續(xù)用于差分以及平滑數(shù)據(jù)的計算中。?；鵍SIM進行完好性監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[14]。

圖1描述了JSIM完好性監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，JSIM完好性監(jiān)測由不同的模塊組成：包括空間信號接收和解碼模塊、慣導(dǎo)增強模塊、信號質(zhì)量監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測模塊、觀測質(zhì)量監(jiān)測模塊、空間環(huán)境完好性監(jiān)測評估模塊、多參考站一致性檢驗?zāi)K、電文參數(shù)合理性檢驗?zāi)K以及執(zhí)行邏輯模塊等。以下主要對JSIM完好性監(jiān)測各個模塊的流程和算法進行分析。

圖1 JSIM完好性監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)

3 JSIM完好性異常監(jiān)測模塊分析

3.1 信號質(zhì)量監(jiān)測

信號質(zhì)量監(jiān)測(Signal Quality Monitoring, SQM)模塊主要側(cè)重信號層面、負(fù)責(zé)探測GPS測距信號異常，包括GPS衛(wèi)星本身信號異常和本地環(huán)境干擾異常，如來自GPS衛(wèi)星本身或從本地干擾源，包括信號本身的反射而產(chǎn)生的異常信號。SQM監(jiān)測主要包括三個方面：(1)相關(guān)峰對稱性檢驗；(2)信號功率檢驗；(3)偽碼-載波偏差檢驗。

SQM還可以通過信號功率檢驗接收機載噪比分析來判斷信號強度是否削弱。當(dāng)接收到信號的載噪比低于閾值，則在一定程度會增加完好性風(fēng)險概率。對于每一個信道的C/NO計算如下：

(1)

式中，C/N0表示載嗓比，K表示歷元。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測

數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(Data Quality Monitoring, DQM)模塊主要負(fù)責(zé)確保衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過跟蹤站來檢驗每顆GPS衛(wèi)星的星歷和時鐘數(shù)據(jù)。

當(dāng)一個衛(wèi)星首次對跟蹤站可見時，由于不存在先前的衛(wèi)星星歷，DQM開始驗證新接收的星歷。當(dāng)至少有兩個接收機解碼相同的導(dǎo)航數(shù)據(jù)時，DQM模塊才開始進行檢驗處理。DQM驗證包括幾種不同的方法：一種方法是，對于新的星歷數(shù)據(jù)，DQM以5分鐘的時間間隔比較未來6個小時的星歷數(shù)據(jù)和歷書數(shù)據(jù)；另外一種方法是Ye-Te檢驗。這種方法通過計算兩個周期衛(wèi)星之差來檢驗新入觀測弧段衛(wèi)星星歷的正確性。

3.3 觀測量質(zhì)量監(jiān)測

觀測量質(zhì)量監(jiān)測(Measurement Quality Monitoring, MQM)模塊主要針對觀測量異常情況進行監(jiān)測，包括觀測量異常中的接收機異常和星鐘異常。該監(jiān)測模塊主要通過檢驗相近歷元偽距與載波是否具有一致性來實行。MQM主要包括三部分：接收機鎖定時間檢驗、載波加速步長檢驗、載波相位平滑偽距(Carrier-Smoothed Code, CSC)新息檢驗。其中，接收機鎖定時間檢驗不會生成異常標(biāo)識，但會對存儲載波加速步長檢驗所使用的載波相位值緩沖區(qū)重新初始化；載波加速步長檢驗與載波相位平滑偽距新息檢驗均可以在檢驗超限時生成異常標(biāo)識。

3.4 執(zhí)行邏輯Ⅰ

以上對信號質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測以及觀測質(zhì)量監(jiān)測模塊進行了分析，每個監(jiān)測模塊檢測不同的故障或異常因素，并用相應(yīng)的異常標(biāo)識來標(biāo)明對應(yīng)信道觀測量的相應(yīng)狀態(tài)。對異常標(biāo)識為“不可用”的信道，JSIM進行多步的邏輯判定，對故障信道進行定位。第一個階段針對SQM、DQM、MQM產(chǎn)生的異常標(biāo)識進行分析，稱為執(zhí)行邏輯Ⅰ(Executive Monitoring Logic,EXM-Ⅰ)。通過EXM-Ⅰ階段分析后，觀測值進入第二階段的處理。

EXM-I在多個質(zhì)量監(jiān)測模塊下運行，采用相對保守的方式保障用戶。它分兩步進行：“排除”和“包含”。在“排除”環(huán)節(jié)主要是排除故障信道；EXM-Ⅰ的“包含”部分主要選擇哪些信道在MQM模塊中計算接收機鐘差修正，這些被選擇的信道統(tǒng)稱為“共用集合”。

3.5 多參考站一致性檢測

多參考站一致性檢測(Multiple Reference Consistency Check, MRCC)主要采用基于B值的統(tǒng)計檢驗方法檢測接收機故障。對每一個信道，通過相同的方法計算載波相位和偽距改正數(shù)的B值。利用衛(wèi)星高度角和接收機數(shù)量的函數(shù)計算各自閾值，將載波相位和偽距計算的B值與閾值進行比較，判斷是否存在故障。與LAAS 不同，艦載GPS相對定位中B值的方差由四個部分組成：觀測誤差、杠桿臂誤差、姿態(tài)誤差和原始最小二乘定位誤差。

MRCC檢測的最后流程是進行故障信道的識別和隔離。在差分改正數(shù)計算之前排除故障，此過程稱為“EXM-Ⅱ預(yù)處理”過程。算法根據(jù)值Status的大小來進行故障的判定：若Status=0，則說明所有信道均無故障；若Status=2，則說明最大Bρ和Bφ對應(yīng)不同的信道，對于該情況需要在“EXM-Ⅱ”模塊中進一步分析；若Status=lor3，則說明該信道存在故障，生成故障標(biāo)識后排除最大B值對應(yīng)的信道，返回Status。

3.6Sigma-Mean監(jiān)測

σ-μ監(jiān)測算法的目的是檢測改正誤差是否符合高斯白噪聲分布，一般用MRCC中產(chǎn)生的B值進行約束，主要采用基于B值的σ異常監(jiān)測算法。艦載設(shè)備向用戶發(fā)播改正數(shù)誤差范圍的改正數(shù)，誤差范圍限定正常情況下的系統(tǒng)隨機誤差，若系統(tǒng)隨機誤差異常時，用戶實際的σ可能會大于艦載端發(fā)播的σPR_ship，為了保證系統(tǒng)的完好性，需要對該情況及時排除。σ-μ監(jiān)測算法主要包括：基于B值σ開方監(jiān)測算法及給予B值σ累積和的監(jiān)測算法。

3.7 電文參數(shù)合理性檢驗(MFRT)

電文參數(shù)合理性檢驗(Message Field Range Test, MFRT)是最后階段的監(jiān)測，它確保平均的偽距校正幅度小于75m，平均偽距校正率小于0.8m/s，它同時檢驗了校正數(shù)和校正率。對校正率的檢測和約束是在應(yīng)用時對實際改正數(shù)提供完好性的有效保證。

3.8 執(zhí)行邏輯II(EXM-II)

EXM-I主要負(fù)責(zé)排除故障觀測量信道，它并沒有為后續(xù)的監(jiān)測提供共用衛(wèi)星集合。EXM-Ⅱ負(fù)責(zé)后續(xù)監(jiān)測的分析、排除故障信道產(chǎn)生新的共用集合。后續(xù)監(jiān)測模塊包括MRCC監(jiān)測模塊、監(jiān)測模塊以及MFRT監(jiān)測模塊。MRCC通過循環(huán)檢驗進行“EXM-Ⅱ預(yù)處理”。與EXM-Ⅰ類似，EXM-Ⅱ確定一組共用集合，去除每個觀測量的接收機鐘差。經(jīng)過迭代處理后EXM-Ⅱ檢驗結(jié)束，將偽距校正和偽距校正率廣播給用戶。

質(zhì)量監(jiān)測模塊與EXM必須共同工作來識別、隔離和排除故障信道，以保證最小化危險誤導(dǎo)信息(HMI)產(chǎn)生的概率。最后，VHF數(shù)據(jù)廣播(VDB)鏈路通過硬件和算法將改正數(shù)發(fā)播給航空用戶。表1給出各個異常監(jiān)測模塊監(jiān)測模式、重要程度、對艦船天線移動和環(huán)境影響的敏感度。

表1 JSIM各監(jiān)測模塊影響分析

監(jiān)測故障模式重要程度艦船移動敏感度天線移動敏感度艦載環(huán)境影響信號質(zhì)量監(jiān)測信號畸變中等很小中等高信號功率射頻干擾、多徑、低信號功率高很小小高數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測導(dǎo)航數(shù)據(jù)中等很小很小無載波觀測質(zhì)量監(jiān)測星鐘誤差/射頻干擾/接收機跟蹤高高高很小觀測質(zhì)量新息監(jiān)測星鐘誤差/接收機碼跟蹤故障中等中等中等很小MRCCB值監(jiān)測單接收機故障高很小高中等σ-μ監(jiān)測差分改正數(shù)誤差分布異常中等很小高中等電文參數(shù)監(jiān)測星歷誤差中等中等小很小

與陸基精密進近相比，海基精密進近受艦船移動、接收機運動以及艦載環(huán)境更為復(fù)雜等因素的影響，使得JSIM監(jiān)測要求更高，但不同監(jiān)測模塊功能不同，對這些影響因素的敏感度也不盡相同。從表1可以看出，各個監(jiān)測模塊中，信號功率監(jiān)測模塊、載波觀測量質(zhì)量監(jiān)測及MRCC監(jiān)測相對于JPALS重要程度更高；載波觀測量質(zhì)量監(jiān)測影響對艦船移動的敏感程度最大；天線的移動對載波觀測量質(zhì)量監(jiān)測、MRCC監(jiān)測以及σ-μ檢測敏感程度更高；而信號質(zhì)量監(jiān)測和信號功率監(jiān)測對艦載環(huán)境影響更為敏感。

4 機載保護限值計算

在機載處理時，GNSS觀測量要結(jié)合艦基端差分改正數(shù)和對流層改正數(shù)，采用加權(quán)最小二乘的方法進行計算。

(2)

得到接收機坐標(biāo)后可用來計算殘差向量。對于主天線m以及可視衛(wèi)星n：

(3)

通過所有可視衛(wèi)星N的平均可得到扣除接收機鐘差的改正數(shù)：

(4)

通過所有艦載接收機的平均可以得到最終改正數(shù)：

(5)

最終改正數(shù)包括對流層、電離層延遲、艦載接收機位置誤差等，與其他噪聲誤差一起計算得到σship。

機載位置估計的改正向量計算如下：

(6)

其中，H為衛(wèi)星視線方向的幾何矩陣，W是基于廣播σship和σair的加權(quán)矩陣，y是觀測殘差向量。

通過迭代使改正向量最小化，通過幾何矩陣和加權(quán)矩陣計算協(xié)方差矩陣P：

P=SW-1ST

(7)

采用協(xié)方差矩陣在三個方向的不確定性來計算保護限值?；敬怪北Ｗo限值如下：

VPL=Kffmd(σvert+σverttanθ)

(8)

其中，θ是下滑角，Kffmd是無故障漏檢概率對應(yīng)的比例因子。通過艦船穩(wěn)定的參考位置可以計算相對位移。海基完好性保護限值的計算還要考慮垂直方向不確定傳播數(shù)據(jù)鏈路中斷問題。

5 結(jié) 論

海基精密進近完好性監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)是由不同功能的完好性監(jiān)測算法和執(zhí)行邏輯組合而成，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的各種故障和異常威脅進行有效監(jiān)測；它們共同作用，對系統(tǒng)異常進行探測、定位和隔離，并確保消除故障后的觀測量繼續(xù)用于差分?jǐn)?shù)據(jù)的計算。本文研究了?；苓M近完好性監(jiān)測的體系結(jié)構(gòu)和處理流程，基于各異常監(jiān)測模塊和執(zhí)行邏輯功能模型，對比分析了各模塊對完好性監(jiān)測的影響，給出了機載端保護限值的計算方法。 通過分析進一步完善了?；旰眯员O(jiān)測的體系架構(gòu)，展望了其應(yīng)用前景。

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Integrity Monitoring and Algorithm for Sea-based Precision Approach and Landing System

Li Xiaoyu1，Zheng Kun1，Yang Yang2，Wang Jun1

1.Equipment Academy, Beijing, 101416 2.Beijing Satellite Navigation Centre, Beijing, 100094

In addition to the high accuracy of navigation, high integrity is also a key performance for the precision approach and landing system based on GNSS. The sea-based precision approach has more strict requirements for the integrity monitoring in military operation. Firstly, this paper studies the architecture and processing flow of sea-based precision approach integrity monitoring. Then, according to the variety of anomaly monitoring and executing logics, the paper compares and analyzes the impact of each model on the integrity monitoring, and it presents an algorithm for airborne protection limit. Finally, the paper improves the architecture of sea-based precision approach integrity monitoring and gives a perspective to the application prospect.

sea-based precision approach and landing system; integrity monitoring; anomaly monitoring; airborne protection limit

2015-03-06。

李曉宇(1987—)，男，博士研究生，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航與完好性監(jiān)測方面的研究。

P

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