淺析地基增強系統(tǒng)完好性技術(shù)

王俊

摘 要：地基增強系統(tǒng)GBAS作為民用航空飛機精密進近及著陸引導(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)航信號中不含有錯誤指示，因此GBAS完好性技術(shù)及完好性監(jiān)測是十分重要的環(huán)節(jié)。文章將對地基增強系統(tǒng)的部分完好性技術(shù)進行介紹，并針對完好性監(jiān)測的方法與構(gòu)架展開研究。通過各類算法的解析，分析多系統(tǒng)中各誤差的監(jiān)測原理、工作邏輯及處理過程，從而得出系統(tǒng)完好性結(jié)論，并針對不同誤差和干擾，提出完善建議。

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

引言

隨著我國民用航空業(yè)的迅速發(fā)展，持續(xù)增長的航空業(yè)務(wù)量對機場導(dǎo)航設(shè)施設(shè)備提出了更高的要求。GBAS 地基增強系統(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，實現(xiàn)以GPS 為核心的全天候、高精度、高可靠性的進近、著陸引導(dǎo)。

GBAS 主要用于機場終端區(qū)，是提供飛機進近及著陸的衛(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。處理中心對收到的衛(wèi)星信息進行完好性監(jiān)測，過濾有可能存在的故障及部分誤差信息。過濾后的衛(wèi)星信息，將用于計算對應(yīng)的差分修正量，并再次開始完好性監(jiān)測。監(jiān)測完畢后，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，為系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)的飛機提供導(dǎo)航服務(wù)。

GBAS 作為精密進近、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，過濾故障及不正常衛(wèi)星數(shù)據(jù)，確保廣播至飛機用戶的數(shù)據(jù)中不含有錯誤信息。因此，系統(tǒng)完好性技術(shù)及完好性監(jiān)測是GBAS 系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，下文將進行詳細分析。

1 建立多系統(tǒng)GBAS 風(fēng)險模型

GBAS 的誤差及干擾包括機載、地面和衛(wèi)星部分。主要有時鐘誤差、星歷誤差、信號畸變誤差、多徑效應(yīng)誤差、差分數(shù)據(jù)誤差等。完好性監(jiān)測算法應(yīng)針對各誤差的完好性影響及概率分布，來分別處理。

因此，正確分析衛(wèi)星導(dǎo)航局域增強系統(tǒng)的完好性風(fēng)險模型，是提高完好性監(jiān)測算法有效性的基礎(chǔ)，包括如下兩個方面的內(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復(fù)雜的過程，必須考慮每個觀測量的誤差分布的等級，同時還必須考慮每個數(shù)據(jù)處理模塊的誤差分布和等級。對每個處理過程產(chǎn)生的檢測概率進行評估，衡量誤檢概率和漏檢概率。并依據(jù)誤差分布和檢驗算法的特點，分配系統(tǒng)指標。通過仿真手段驗證系統(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)測接收機、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、通信設(shè)備等，這些設(shè)備數(shù)量多少需要通過系統(tǒng)設(shè)備故障模型進行可用性指標分配，才能確定。

通過建立多系統(tǒng)故障模型，根據(jù)不同模型情況，進行監(jiān)測算法設(shè)定。

2 多系統(tǒng)GBAS 完好性監(jiān)測

完好性監(jiān)測是對衛(wèi)星完好性進行監(jiān)視的一種處理方法，對可能的故障源分別進行檢測排查。完好性監(jiān)測包括信號質(zhì)量監(jiān)視、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視、觀測量質(zhì)量監(jiān)視，并通過綜合處理及多接收機一致性檢驗排除不可用衛(wèi)星，并計算出滿足完好性要求的可用衛(wèi)星組，用于導(dǎo)航信號計算。信號質(zhì)量監(jiān)視方法（SQM）：應(yīng)用滿足局域增強要求的基準站接收機對衛(wèi)星信噪比、碼-載波偏差和空間信號的畸變進行監(jiān)視，完成信號質(zhì)量的監(jiān)視；數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)視（DQM）：主要對星歷的異常進行監(jiān)視，通過使用新舊星歷對比等方法生成星歷的判斷結(jié)果；觀測量數(shù)據(jù)監(jiān)視（MQM）：通過對偽距中的階躍、加速和跳變等變化監(jiān)視，保證偽距沒有發(fā)生大的突變；接收機多基準一致性檢驗（MRCC）：對比多臺接收機的B值，判定監(jiān)視接收機是否發(fā)生故障；綜合判斷（EXM）：對各種檢驗方法生成的判斷結(jié)果進行綜合分析，形成滿足完好性指標要求的可用衛(wèi)星組，保證機載的完好性得到保護；多系統(tǒng)完好性監(jiān)測，為獨立監(jiān)視加綜合判定模式，首先對某一個系統(tǒng)的觀測值使用以上方法進行判定，然后綜合判斷多個系統(tǒng)的判斷結(jié)果。將觀測值轉(zhuǎn)換至相同時空標準下，進行綜合判斷處理，計算出完好性達標的可用衛(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)測方法進行監(jiān)測，以下就各完好性監(jiān)測方法分別進行分析。

2.1 信號質(zhì)量監(jiān)測

SQM 是對GPS 偽隨機碼的畸變進行監(jiān)測。GBAS 信號質(zhì)量監(jiān)測模塊接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)的偽隨機碼，并同本地生產(chǎn)的偽隨機碼進行相關(guān)處理，以處理結(jié)果是否畸變，來判斷偽隨機碼的畸變。

SQM 對GPS 信號功率進行監(jiān)測，當信號功率低于標稱值時，即可能存在誤差，系統(tǒng)完好性降低。SQM 的功率監(jiān)測計算在t和t-1時刻，接收機的通道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)置的門限對比，若未超過門限數(shù)值，則說明接收信號功率過小，存在完好性風(fēng)險；相反，則通過監(jiān)測。

（1）

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

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測

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

衛(wèi)星星歷兩小時一更新，前一時間在接收機的范圍內(nèi)的衛(wèi)星，DQM 利用新星歷及舊星歷，分別計算衛(wèi)星方位，通過比較方位信息，對新星歷的可靠性進行檢查。最出現(xiàn)在范圍內(nèi)的衛(wèi)星，DQM 利用新星歷，計算出十個小時內(nèi)的方位，與最新的衛(wèi)星歷書計算的方位進行對比，判定新星歷的完好性。

2.3 測量質(zhì)量監(jiān)測

MQM 對因時鐘信息不正常及設(shè)備故障所造成的數(shù)據(jù)步長突變誤差及其它劇烈變化誤差進行檢查。MQM 由三個監(jiān)測模塊組成：（1）通過對參考接收機報告的鎖定時間差進行計算，來保證相位一致性；（2）對載波相位測量值的步長、加速度及斜率等參數(shù)變化情況進行監(jiān)測，當其某個參數(shù)或某幾個參數(shù)超過設(shè)定門限時，測量值所對應(yīng)通道的質(zhì)量監(jiān)測不通過；（3）載波平滑的碼相位測量更新值檢測，主要是用于檢查原始偽距值的步長誤差及脈沖誤差。當超過門限的更新值大于等于2時，更新值對應(yīng)的通道質(zhì)量監(jiān)測不通過。

2.4 接收機一致性監(jiān)測

SQM 監(jiān)測、DQM 監(jiān)測以及MQM 監(jiān)測處理后的信息，進行EXM-I 監(jiān)測執(zhí)行。最終數(shù)據(jù)將用來計算GPS的差分修正值。一致性監(jiān)測通過計算衛(wèi)星及對應(yīng)接收機修正值的一致性參數(shù)（即B值），過濾修正誤差超過門限的某一接收機或某一通道。

B值計算：

式中：？漬ca，i，n（0）為通道（m，n）初始相位，Sn為所有接收機集合，Mn（k）為k時刻，衛(wèi)星n對應(yīng)的接收機數(shù)量。

圖2為MRCC 檢測流程圖。首先，檢測是否擁有可用衛(wèi)星集合，當不存在可用集合時終止檢測；當存在可用集合時候計算B的和值。通過判定和值與高斯包絡(luò)法所計算的門限值的大小，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)測流程圖

圖3 EXM-II預(yù)篩選

圖3為監(jiān)測執(zhí)行流程圖。接收機一致性檢測的結(jié)果，經(jīng)過EXM-II進行監(jiān)測執(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)再次計算B值，并重復(fù)MRCC監(jiān)測。

2.5 均值與標準差監(jiān)測

簡稱？滓？滋監(jiān)測。一致性監(jiān)測中計算的B值，作為均值與標準差監(jiān)測的輸入，使偽距修正誤差分布在標準差為？滓pr_gnd，均值為0的高斯區(qū)間，用以檢測真實的偽距修正誤差分布是否存在偏移。

2.6 測信息域范圍測試

簡稱MFRT，是把偽距修正值及修正率，和設(shè)定門限對比，用來判斷數(shù)據(jù)可信度。MFRT是數(shù)據(jù)處理中心廣播至飛機前的EXM-II 中的最終檢查方式。偽距修正率定義為：

（4）

式中，TS為采樣時間間隔。

3 多系統(tǒng)GBAS 完好性監(jiān)測執(zhí)行

SQM、DQM與MQM算法所產(chǎn)生報警標識的故障，由監(jiān)測執(zhí)行EXM-I進行分析處理。當三個監(jiān)測模塊中檢查到誤差和故障，監(jiān)測執(zhí)行處理輸出flag=1，反之輸出flag=0。并形成以下兩個矩陣：

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)星與單接收機結(jié)果為故障；（2）單衛(wèi)星與若干接收機結(jié)果為故障；（3）若干衛(wèi)星與若干接收機結(jié)果為故障。

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

利用EXM-I處理所得的可用衛(wèi)星集合SC，使接收機時鐘調(diào)節(jié)計算過程中使用相同SC集合。SC至少由兩個可用接收機跟蹤的至少四顆衛(wèi)星組成。如三個接收機所跟蹤的衛(wèi)星數(shù)目少于四顆，則選擇任意兩個接收機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，則刪除所有測量值，重置IMT。

EXM-II主要處理MRCC、？滓？滋和MRFT等監(jiān)測算法產(chǎn)生的故障及報警信息，濾除存在較大誤差的差分修信息，保障飛機接收導(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)測執(zhí)行圖，當B值存在故障狀態(tài)，從可用集合SC中濾除對應(yīng)通道，剩余SC數(shù)據(jù)再次計算B值，并進行MRCC 監(jiān)測。當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EXM-II返回為0，則執(zhí)行？滓？滋及MFRT 檢測，如通過，則結(jié)束EXM-II，如沒有通過，則重復(fù)以上監(jiān)測流程。如MRCC 返回狀態(tài)為0，則結(jié)束EXM-II ；反之濾除可用集合，并再次計算B，重復(fù)MRCC和EXM-II故障排除流程。

4 結(jié)束語

文章對地基增強系統(tǒng)完好性技術(shù)及完好性監(jiān)測的相關(guān)內(nèi)容進行研究分析，解析各系統(tǒng)組成及算法流程。GBAS 在實際運行中存在的大部分誤差及干擾，能有效的進行監(jiān)測與過濾，時鐘誤差、星歷誤差、信號畸變誤差、多徑效應(yīng)誤差、差分數(shù)據(jù)誤差等均得到有效控制，可以達到機場精密進近及著陸引導(dǎo)的各項指標要求。

GBAS 地基增強系統(tǒng)，目前仍為試運行階段，針對系統(tǒng)完好性的各項技術(shù)功能，也在不斷完善之中?，F(xiàn)有系統(tǒng)中各完好性監(jiān)測算法部分較為復(fù)雜，且不能完全排除干擾信息，有進一步改善空間，后續(xù)可繼續(xù)進行分析研究。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、地基增強系統(tǒng)環(huán)境評估技術(shù)、多頻點處理技術(shù)應(yīng)用，均能較好提高GBAS 系統(tǒng)完好性。相信在未來幾年內(nèi)，GBAS 將會得到更為廣泛的應(yīng)用。