基于WAAS模擬飛行實驗的LPV可用性分析

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摘要：美國的廣域增強系統(tǒng)（Wide?Area?Augmentation?System，WAAS）目前已能在WAAS服務(wù)區(qū)的絕大部分空域支持從航路到具有垂直引導(dǎo)滿足航向信標性能（Localizer?performance?with?vertical?guidance，LPV）進近的所需導(dǎo)航性能（Required?navigation?performance，RNP）。為評估基于WAAS的LPV-200進近期間的可用性，首先使用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)解析了BILL站點的LPV可用性，其次，使用R&S信號源、NovAtel接收機以及相應(yīng)軟件構(gòu)成LPV-200進近模擬系統(tǒng)，實驗了正常情況、1顆衛(wèi)星故障和2顆衛(wèi)星故障下的美國比靈斯洛根國際機場LPV-200進近的整個運行過程，獲得并分析了進近動態(tài)過程中的精度、完好性及可用性。實驗結(jié)果表明，正常情況和1顆衛(wèi)星故障下的WAAS對比靈斯洛根國際機場LPV-200運行支持良好，且與監(jiān)測數(shù)據(jù)解析結(jié)果吻合。對LPV進近及其可用性的研究，可為今后評估某一機場基于我國建設(shè)的北斗星基增強系統(tǒng)（BeiDou?Satellite?Based?Augmentation?System，BDSBAS）的LPV進近運行的可用性提供理論和實驗支持。

關(guān)鍵詞：SBAS;WAAS;LPV;RNP;可用性;模擬飛行實驗

中圖分類號：TN967.1/V19?文獻標識碼：A

引言

本文結(jié)合實測GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和WAAS廣播報文，首先闡述WAAS的精度和完好性增強機理，其次基于監(jiān)測數(shù)據(jù)解算了BILL站點的LPV-200可用性，并搭建模擬實驗系統(tǒng)解算了正常情況、1顆衛(wèi)星故障和2顆衛(wèi)星故障下的LPV進近可用性。對基于WAAS的LPV可用性的研究，可為我國基于北斗星基增強系統(tǒng)（BeiDou?Satellite?Based?Augmentation?System，BDSBAS）的LPV建設(shè)提供一定的參考和借鑒。

1?精度和完好性增強機理

用戶通過解碼WAAS報文對GPS定位的精度進行增強，DO-229中詳細闡述了解碼WAAS報文對衛(wèi)星鐘差、電離層誤差和觀測偽距進行改正的算法和流程。

完好性是飛行安全中的關(guān)鍵指標，而保護級則是衡量完好性的重要參數(shù)。保護級分為水平保護級（Horizontal?protection?level，HPL）和垂直保護級（Vertical?protection?level，VPL），它們分別為

式中，KH，NPA=6.18，KH，PA=6.0，KV，PA=5.33，dmajor為誤差橢圓半長軸的標準差，dU為天向誤差的均方差。

dmajor和dU均為協(xié)方差矩陣d中的元素

式中，G為幾何矩陣，只與用戶和衛(wèi)星的幾何位置有關(guān)，權(quán)重矩陣W是保護級計算中的關(guān)鍵參數(shù)，可按DO-229中的算法結(jié)合WAAS報文解算得到。

2?基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的LPV可用性解算

取國際地球動力學(xué)GPS服務(wù)（International?GPS?service?for?geodynamics，IGS）位于比靈斯的BILL觀測站點2018年3月9日1?Hz實測觀測數(shù)據(jù)（包含偽距和載波相位測量值等信息），按本文第1節(jié)所述算法解析相應(yīng)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和WAAS報文，設(shè)置衛(wèi)星截止仰角為5°，截止信噪比為33dBHz，進行精度和完好性解算，得其用于LPV-200進近時的水平和垂直斯坦福圖，水平和垂直方向上滿足精度和完好性的可用性（斯坦福圖中所示正常運行的百分比）分別為100.00%和98.34%。

3?模擬LPV-200進近實驗

3.1?實驗設(shè)備及設(shè)置

模擬LPV-200進近實驗使用R&S?SMBV?100A信號源和NovAtel?FlexPak6接收機。信號源產(chǎn)生并發(fā)射射頻（Radio?frequency，RF）信號，通過RF傳輸線與接收機相連，接收機通過數(shù)據(jù)線和NovAtel?Connect軟件與PC連接，在Connect軟件端用戶可以對接收機進行設(shè)置并選擇存儲數(shù)據(jù)。信號源支持用戶自定義數(shù)據(jù)，下載并解析NSTB網(wǎng)站上2018年3月9日的數(shù)據(jù)作為信號源輸入。接收機帶有SBAS功能，但需要在Connect軟件端輸入“SBAS?CONTROL?ENABLE?WAAS”命令開啟WAAS功能。

模擬進近選擇比靈斯洛根國際機場的10L跑道，此跑道發(fā)布LPV-200進近程序。10L跑道入口的經(jīng)度、緯度和高度已知，高度上加51ft即為最后進近航段上一點，設(shè)此點為（10Llon，10Llat，10Lalt）。為貼近實際運行，進近階段的速度設(shè)置為自240節(jié)到125節(jié)的勻減速，設(shè)最后進近航段上任一點x的速度為v，則x的位置可由（10Llon，10Llat，10Lalt）和v確定。具體的航路點解算及實驗設(shè)置在圖1中闡釋，在Connect軟件端選擇圖1所示的log語句作為輸出，即可轉(zhuǎn)換為所需的RINEX文件。

使用圖1中方法解算得到的航路點文件理論上是無限長的，在高度上截取6000～200ft的數(shù)據(jù)作為信號源的航路輸入，如圖2所示，其中第一行為時間分辨率（ms），以逗號分隔的三列數(shù)據(jù)分別為經(jīng)度（°）、緯度（°）和高度（m）。

搭建好實驗系統(tǒng)后，在Connect軟件端記錄數(shù)據(jù)。飛機于2018年3月9日18點08分左右開始進近，在相同設(shè)置的情況下，共接收了15組數(shù)據(jù)。由于每次實驗中信號源和接收機的反應(yīng)時間各不相同，而在不同時刻衛(wèi)星位置不同，故選取18：10：00至18：13：45的數(shù)據(jù)（1991周497400秒至1991周497625秒），統(tǒng)一各組實驗時間。數(shù)據(jù)接收完畢后，轉(zhuǎn)換得到RINEX格式觀測文件，正常情況下可觀測到11顆GPS衛(wèi)星和PRN?135、PRN?138兩顆GEO衛(wèi)星信息。在飛機進近過程中，隨著用戶位置和衛(wèi)星位置的變化，PRN?14衛(wèi)星的仰角變化至低于5°時，參與定位的GPS衛(wèi)星數(shù)量由11顆變?yōu)?0顆。

假設(shè)PRN?23衛(wèi)星故障，其余設(shè)置不變，進行15組重復(fù)實驗。假設(shè)PRN?23和PRN?26衛(wèi)星故障，其余設(shè)置不變，進行15組重復(fù)試驗。

3.2?實驗結(jié)果及分析

1、正常情況下的飛機進近性能

由于參與定位解算的GPS衛(wèi)星數(shù)量對定位性能有直接影響，故結(jié)合參與定位的衛(wèi)星數(shù)量繪制模擬進近過程中東、北和天向誤差（圖3～圖5）。進近過程中的保護級變化則如圖6所示。

由于15組實驗是在相同條件下進行的，其余實驗結(jié)果與圖3～圖6所得數(shù)據(jù)波動趨勢基本一致，故只選取一組數(shù)據(jù)進行圖像展示。

對3種情況下的模擬進近實驗所得精度和完好性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1和表2所示。

由實驗所得圖形和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可得，正常情況下飛機進近過程中LPV可用性為100.00%，LPV-200可用性為97.35%。本文第2節(jié)中基于監(jiān)測數(shù)據(jù)解算的BILL站點2018年3月9日一天內(nèi)的LPV-200可用性為98.342%。

1顆衛(wèi)星故障時，飛機進近過程中LPV可用性為99.12%，LPV-200可用性為96.46%。2顆衛(wèi)星故障時，飛機進近過程中LPV可用性為96.46%，LPV-200可用性為68.58%。

4?總結(jié)與結(jié)論

本文在結(jié)合GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)分析WAAS系統(tǒng)精度和完好性的基礎(chǔ)上，解算了LPV可用性。首先以BILL站點的水平和垂直斯坦福圖分析LPV-200可用性，其次，使用信號源和接收機模擬飛機進近，證明了正常情況下和1顆衛(wèi)星故障時WAAS對比靈斯洛根國際機場LPV-200運行支持良好。當有2顆衛(wèi)星發(fā)生故障時，WAAS不足以支持飛機完成LPV-200進近，但仍可支持LPV進近。對LPV進近及其可用性的研究，可為今后評估某一機場基于我國建設(shè)的BDSBAS的LPV進近運行的可用性提供理論和實驗支持。

參考文獻

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[3]Skyvector.Billings?Logan?International?Airport[EB/OL].https：//skyvector.com/airport/?BIL/Billings-Logan-International-Airport.