衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)（七）

+ 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(guò)多個(gè)位置確定的地面參考站監(jiān)測(cè)導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)電離層和對(duì)流層等空間天氣對(duì)導(dǎo)航信號(hào)傳播時(shí)延的影響，生成導(dǎo)航信號(hào)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(hù)。GBAS通常都是對(duì)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(jì)算衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的局域改正值以提高系統(tǒng)定位精度，同時(shí)通過(guò)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(duì)實(shí)時(shí)定位精度和信號(hào)完好性指標(biāo)較為苛刻的民航導(dǎo)航，為機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)提供精密進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)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(duì)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(guò)程中，針對(duì)GNSS信號(hào)缺乏實(shí)時(shí)、快速的閉環(huán)健康監(jiān)控手段，國(guó)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(guò)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(wèn)題，鑒于GBAS服務(wù)區(qū)域十分有限，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局將GBAS稱(chēng)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(wú)線電地面通信鏈路向用戶(hù)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(lèi)型有信息類(lèi)型1（MT1）、信息類(lèi)型2（MT2）和信息類(lèi)型4（MT4）三種，MT1主要包含可見(jiàn)衛(wèi)星的差分信息，用于消除導(dǎo)航信號(hào)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(jì)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(duì)流層延遲殘余誤差，此類(lèi)誤差不能由MT1的差分信息來(lái)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(shí)定義了機(jī)場(chǎng)跑道的經(jīng)緯度信息，用于計(jì)算飛機(jī)到機(jī)場(chǎng)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(guò)與MT4信息中的FAS數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得到相對(duì)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(shí)時(shí)顯示在飛機(jī)駕駛座艙的主顯示器中，同時(shí)飛機(jī)著陸系統(tǒng)將次偏差信號(hào)送給自動(dòng)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(lèi)型1數(shù)據(jù)格式（部分）

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

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

目前，美國(guó)GPS的LAAS系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)民航的I類(lèi)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(shí)間2s，允許的完好性風(fēng)險(xiǎn)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(guó)部分機(jī)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)CAT-IIIB精密進(jìn)近，目前尚未實(shí)現(xiàn)CATIIIC服務(wù)。經(jīng)過(guò)改造的LAAS可實(shí)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(hù)的定位精度，同時(shí)有效地改善了GPS的完好性，為用戶(hù)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(hào)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(wú)意信號(hào)干擾，同時(shí)多徑效應(yīng)也將惡化定位精度。

3.2.2 實(shí)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(tái)、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(gè)基準(zhǔn)站和一個(gè)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(lái)自GPS導(dǎo)航信號(hào)，通過(guò)差分處理、完好性監(jiān)測(cè)和執(zhí)行監(jiān)控，計(jì)算誤差并識(shí)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(shí)分多址技術(shù)TDMA，通過(guò)VHF甚高頻率（108～118MHz）的數(shù)傳電臺(tái)向機(jī)場(chǎng)周?chē)s45km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(wú)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(shí)接收GPS基本系統(tǒng)信號(hào)、LAAS增強(qiáng)數(shù)據(jù)和安裝在機(jī)場(chǎng)的偽衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)0．5m(95%)定位精度，并使完好性滿足以上三個(gè)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(chǎng)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(guò)差分技術(shù)解算出測(cè)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(shí)時(shí)送給系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，中心同時(shí)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(chǎng)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(hù)。飛機(jī)上的機(jī)載航電設(shè)備同時(shí)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和GBAS增強(qiáng)信號(hào)，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(jiàn)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(cè)和執(zhí)行監(jiān)控三個(gè)環(huán)節(jié)，差分處理是對(duì)導(dǎo)航信號(hào)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(shí)為后續(xù)完好性監(jiān)測(cè)算法提供數(shù)據(jù)。完好性監(jiān)測(cè)是對(duì)導(dǎo)航信號(hào)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(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)(SQM)，數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)(DQM)、測(cè)量值質(zhì)量監(jiān)測(cè)(MQM)、多接收機(jī)一致性校驗(yàn)(MRCC)、均值和方差監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航電文字段測(cè)試(MessageField Range Test，MFRT)。這些監(jiān)測(cè)算法針對(duì)不同的故障模式而設(shè)計(jì)，SQM監(jiān)視導(dǎo)航信號(hào)相關(guān)峰、導(dǎo)航信號(hào)功率和測(cè)距碼載波相位一致性，監(jiān)測(cè)和識(shí)別導(dǎo)航信號(hào)的異常狀態(tài)，包括導(dǎo)航信號(hào)自身的異常和監(jiān)測(cè)接收機(jī)本地的干擾信號(hào)，保證導(dǎo)航信號(hào)沒(méi)有發(fā)生畸變以及信號(hào)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(jì)算誤差和地面運(yùn)控系統(tǒng)注入校正參數(shù)時(shí)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(shí)檢查衛(wèi)星星歷和時(shí)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(cè)由于衛(wèi)星星載時(shí)鐘異?；騾⒖冀邮諜C(jī)故障引起的瞬時(shí)跳變和其它快變誤差，包括監(jiān)測(cè)接收機(jī)鎖定時(shí)間，監(jiān)測(cè)載波信號(hào)上的脈沖、階躍或者加速度等快變信號(hào)，監(jiān)測(cè)載波平滑碼更新，確定偽距和載波相位觀測(cè)量在最近幾個(gè)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(cè)保證校正值的標(biāo)準(zhǔn)差包絡(luò)實(shí)際誤差。MFRT驗(yàn)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(gè)完好性監(jiān)視算法可能對(duì)一個(gè)通道或一顆衛(wèi)星生成一個(gè)故障告警，EXM對(duì)所有的告警進(jìn)行綜合，然后隔離故障測(cè)量值。EXM第一階段（EXM-I）將有告警的測(cè)量值排除，未被排除的測(cè)量值用于計(jì)算差分校正。EXM第二階段（EXM-II）基于MRCC、均值和方差監(jiān)測(cè)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(cè)平臺(tái)組成如圖20所示。

圖20 地基增強(qiáng)系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(hù)導(dǎo)航或者提供的警示或者警告信號(hào)是否真實(shí)可信，有無(wú)虛警信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)不能用于用戶(hù)導(dǎo)航服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出告警或者警示信號(hào)的能力。在地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS增強(qiáng)信號(hào)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(jì)算出飛機(jī)的空間位置（經(jīng)度、緯度和高程）。為了保證通過(guò)VDB數(shù)據(jù)信息計(jì)算得到的飛機(jī)位置的置信度，或者說(shuō)得到的計(jì)算數(shù)據(jù)是完好的，首先計(jì)算出水平保護(hù)級(jí)和垂直保護(hù)級(jí)，然后分別與規(guī)定的水平保護(hù)門(mén)限和垂直保護(hù)門(mén)限比較，如果保護(hù)級(jí)處于告警級(jí)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)。