GLS 完好性故障監(jiān)測性能研究

張建軍，韓明，呂自鵬，鄧琪

( 天津七一二通信廣播股份有限公司，天津 300462 )

0 引 言

空中交通管理系統(tǒng)從現(xiàn)有陸基導(dǎo)航系統(tǒng)向星基導(dǎo)航系統(tǒng)過渡已成為未來發(fā)展的必然趨勢. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供全球、全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航，具備成為支持民用航空的主用導(dǎo)航系統(tǒng)的能力. 衛(wèi)星著陸系統(tǒng)(GLS)是終端區(qū)航班進(jìn)近著陸引導(dǎo)的重要技術(shù)進(jìn)步，是滿足民航業(yè)務(wù)需求的重要系統(tǒng)之一[1].

GLS 完好性是終端區(qū)進(jìn)近著陸引導(dǎo)應(yīng)用的重要參數(shù)，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，直接影響到系統(tǒng)能否滿足進(jìn)近著陸引導(dǎo)要求，也為工程應(yīng)用提供參考. 完好性直接與飛行安全有關(guān)，它是最難滿足的，因此在系統(tǒng)性能評(píng)估時(shí)必須優(yōu)先考慮完好性風(fēng)險(xiǎn). 完好性是指系統(tǒng)提供導(dǎo)航信息的置信水平，當(dāng)由于故障而不能提供導(dǎo)航信息時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)給出告警的能力. 完好性風(fēng)險(xiǎn)是指系統(tǒng)不能檢測到危險(xiǎn)誤導(dǎo)信息的概率，反映了誤差超限的漏檢概率[2]. 完好性故障監(jiān)測是GLS 的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，文章研究的完好性故障監(jiān)測性能評(píng)估方法將為GLS 的測試評(píng)估工作提供重要參考.

1 GLS 工作原理及性能

GLS 工作原理如圖1 所示，基準(zhǔn)接收機(jī)采集衛(wèi)星導(dǎo)航測量信息，并保持信息的完好性和精度；數(shù)據(jù)處理單元通過完好性處理算法排除故障衛(wèi)星與失效基準(zhǔn)接收機(jī)后，計(jì)算出差分修正量、完好性信息和路徑信息等GLS 信息，以支持指導(dǎo)精密進(jìn)近；甚高頻數(shù)據(jù)廣播通過一條安全數(shù)據(jù)鏈傳輸GLS 信息到機(jī)載用戶，機(jī)載用戶接收來自衛(wèi)星的偽距觀測量和來自地面的偽距差分修正量及完好性信息，然后對(duì)偽距觀測量進(jìn)行修正及完好性處理，從而增強(qiáng)定位的完好性，減小定位誤差. 為保障飛行安全，CAT I 類民航精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)在精度、完好性、連續(xù)性及可用性方面都對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航提出了很高的要求，如表1 所示，其中地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)完好性性能是其中的重要方面[3].

表1 CAT I 類GLS 性能要求

圖1 GLS 工作原理

2 完好性故障監(jiān)測技術(shù)

完好性是衡量衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能可靠性的重要指標(biāo)，完好性監(jiān)測技術(shù)的研究對(duì)GBAS 建設(shè)以及評(píng)估具有重要的意義. 隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的完善，完好性風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的次數(shù)越來越少，如果發(fā)生，會(huì)對(duì)機(jī)載用戶進(jìn)近著陸產(chǎn)生巨大的誤導(dǎo)，造成巨大財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡，因此對(duì)完好性故障監(jiān)測變得越來越重要. GLS 地面設(shè)備在把偽距修正量誤差播發(fā)給機(jī)載用戶之前，必須對(duì)其正確性進(jìn)行監(jiān)測，以確保所播發(fā)數(shù)據(jù)的正確性及可靠性.

GLS 地面設(shè)備存在多種可能的誤差源和故障因素，導(dǎo)致機(jī)載用戶的精度和完好性受到影響. 地面設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)包括與測距源相關(guān)的故障風(fēng)險(xiǎn)、大氣變化導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)，地面設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)等. 與測距源相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)主要由信號(hào)異常、低信號(hào)功率、碼/載波分歧、過大的加速度、錯(cuò)誤的星歷、無效的C/A 碼等引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，這些故障通過完好性，故障監(jiān)測算法來進(jìn)行監(jiān)測排除，是文章研究的重點(diǎn). 與大氣變化相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)主要有電離層和對(duì)流層異常導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，這些是由于傳輸路徑上環(huán)境等因素引起的；與地面設(shè)備故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)主要有地面設(shè)備失效、處理器失效、基準(zhǔn)接收機(jī)失效、甚高頻數(shù)據(jù)廣播電臺(tái)失效等，這些設(shè)備可通過冗余的方式，保障地面設(shè)備的可靠性. 由于以上故障因素的存在，必須建立地面設(shè)備完好性監(jiān)測體系，監(jiān)測各個(gè)完好性參數(shù)，并在完好性參數(shù)發(fā)生異常時(shí)及時(shí)處理并告警[4].

完好性監(jiān)測是GLS 中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，能夠確保發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)中不含危險(xiǎn)的導(dǎo)航誤導(dǎo)信息. 針對(duì)多種故障因素，地面完好性監(jiān)測算法也是多樣的，數(shù)據(jù)處理單元的完好性監(jiān)測處理算法包括信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測、測量質(zhì)量監(jiān)測、多接收機(jī)一致性監(jiān)測、信息域范圍測試、方差-均值監(jiān)測等手段，不同的監(jiān)測算法分別對(duì)不同類型的故障或者較大的誤差進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)其中存在有故障或者較大的誤差時(shí)，排除異常信息并向機(jī)載用戶給出告警，保證地面生成的差分增強(qiáng)信息報(bào)文的可用性及準(zhǔn)確性.

地面設(shè)備完好性監(jiān)測功能流程如圖2 所示.

圖2 完好性故障監(jiān)測流程

3 完好性風(fēng)險(xiǎn)定義

按照完好性風(fēng)險(xiǎn)的定義，由于定位誤差無法實(shí)時(shí)確定，機(jī)載用戶使用保護(hù)級(jí)來衡量定位誤差(保護(hù)級(jí)大，反映真實(shí)定位誤差大). 當(dāng)只有定位誤差超過告警閾值而保護(hù)級(jí)未超過告警閾值，同時(shí)機(jī)載設(shè)備并沒有在告警時(shí)間內(nèi)給出告警時(shí)，則發(fā)生完好性風(fēng)險(xiǎn). 如圖3所示，紅圈區(qū)域，定位誤差已經(jīng)超過告警門限，但是由于保護(hù)級(jí)小于告警閾值，機(jī)載并沒有發(fā)出告警信息，產(chǎn)生了危險(xiǎn)誤導(dǎo)信息，導(dǎo)致了完好性風(fēng)險(xiǎn). 發(fā)生完好性風(fēng)險(xiǎn)可能是由于地面設(shè)備存在某些故障，但并沒有及時(shí)監(jiān)測及排除引起的. 在這種情況下，如果隔離故障后，定位誤差不易超閾值，從這個(gè)意義上提高了完好性.

圖3 完好性風(fēng)險(xiǎn)定義

4 故障監(jiān)測性能分析

當(dāng)GLS 地面設(shè)備存在故障情況，但并沒有被監(jiān)測到時(shí)，將發(fā)生故障的數(shù)據(jù)當(dāng)成正確數(shù)據(jù)處理，那么會(huì)對(duì)GLS 整個(gè)系統(tǒng)和差分修正量的準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重的影響，當(dāng)這種影響到達(dá)一定程度時(shí)，使得這個(gè)系統(tǒng)的完好性風(fēng)險(xiǎn)加大，可用性降低. 本文通過衛(wèi)星信號(hào)模擬器模擬測距源故障為例，驗(yàn)證GLS 完好性故障監(jiān)測排除能有效提高系統(tǒng)的精度、完好性、可用性等系統(tǒng)性能.

4.1 加速度監(jiān)測量

本文針對(duì)完好性中的加速度監(jiān)測量進(jìn)行故障模擬，驗(yàn)證完好性故障監(jiān)測性能. 如果載波相位在測量上存在加速度、脈沖、階躍等快速變化，這些快變將會(huì)引入偽距修正誤差. 加速度監(jiān)測量的計(jì)算方法如下：

a)首先，依據(jù)數(shù)據(jù)的頻率和算法的收斂速度，計(jì)算距k時(shí)刻(當(dāng)前時(shí)刻)最近的10 個(gè)連續(xù)歷元(k?10 到k?1 時(shí)刻)的載波相位修正值

由式(1)可知，消除接收機(jī)鐘差會(huì)影響到所有衛(wèi)星的載波相位測量，為此，本文提出一種更為嚴(yán)格的接收機(jī)鐘差調(diào)整算法.

對(duì)所有衛(wèi)星的載波相位修正值 φc,m,j(k) 進(jìn)行排序處理，取出中值M，將 φc,m,j(k) 與中值M進(jìn)行比較，若超過一定的門限值，則消除接收機(jī)鐘差時(shí)不使用該顆衛(wèi)星的測量信息.

b)Sm(k) 的選擇方法

Sm(k)為接收機(jī)跟蹤的衛(wèi)星集合，每個(gè)接收機(jī)維護(hù)一個(gè)衛(wèi)星集合，集合至少包含有兩顆衛(wèi)星，接收機(jī)之間可以不同.

采用前10 個(gè)時(shí)刻及當(dāng)前時(shí)刻各完好性監(jiān)測算法(信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測、測量質(zhì)量監(jiān)測)監(jiān)測正常的有效衛(wèi)星集合，參與修正接收機(jī)鐘差. 當(dāng)相位失鎖、或完好性監(jiān)測產(chǎn)生標(biāo)記、或其他邏輯需要初始化該通道，通道需重新初始化.

c)利用當(dāng)前歷元之前的10 個(gè)時(shí)刻的載波相位修正值，通過最小二乘法來擬合方程

4.2 接收機(jī)鐘差仿真分析

通過衛(wèi)星信號(hào)模擬器在1 號(hào)衛(wèi)星測距源載波相位上引入較大的誤差之后，由于1 號(hào)衛(wèi)星存在異常，會(huì)影響到接收機(jī)鐘差估計(jì)值的計(jì)算，接收機(jī)鐘差是通過該接收機(jī)觀測的所有衛(wèi)星測量量計(jì)算得到，由式(1)可知，1 號(hào)故障星的誤差會(huì)帶偏所有衛(wèi)星的監(jiān)測結(jié)果，無法判斷真正的錯(cuò)誤觀測量. 因此當(dāng)計(jì)算載波相位修正值、加速度等完好性監(jiān)測量時(shí)，若某顆衛(wèi)星發(fā)生故障，引入錯(cuò)誤觀測量，將嚴(yán)重影響完好性監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性. 基于本文提出的接收機(jī)鐘差調(diào)整策略，仿真結(jié)果如圖4 所示，為鐘差調(diào)整修正前后的載波相位修正值的對(duì)比圖. 鐘差調(diào)整前，故障衛(wèi)星使得接收機(jī)鐘差計(jì)算過大，鐘差調(diào)整后，接收機(jī)鐘差恢復(fù)正常，有效地避免了故障衛(wèi)星對(duì)載波相位修正值計(jì)算的錯(cuò)誤影響.

圖4 鐘差調(diào)整前后載波相位修正值對(duì)比

4.3 地面故障仿真分析

通過模擬測距源載波相位過大加速度(Acc)為例，進(jìn)行完好性故障監(jiān)測性能分析，由于測距源載波相位的快速變化會(huì)引起較大的偽距修正誤差，會(huì)導(dǎo)致機(jī)載用戶定位超差，此故障可以通過完好性測量質(zhì)量監(jiān)測進(jìn)行監(jiān)測. 四臺(tái)基準(zhǔn)接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生Acc 監(jiān)測量，若監(jiān)測到三臺(tái)及以上接收機(jī)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的Acc 超過閾值，則排除故障星.

使用模擬器仿真衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，GLS 地面設(shè)備的所有基準(zhǔn)接收機(jī)各個(gè)通道在24 h 內(nèi)以2 Hz 頻率產(chǎn)生所有衛(wèi)星參數(shù)，正常運(yùn)行1 h 后，使用模擬器對(duì)1 號(hào)衛(wèi)星引入一定的載波相位誤差，10 min 后恢復(fù)正常，此時(shí)設(shè)置GLS 地面設(shè)備不進(jìn)行完好性故障排除.圖5 為1 號(hào)衛(wèi)星的Acc 的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)值. 而圖6 為同一故障場景下進(jìn)行完好性故障排除的Acc 監(jiān)測統(tǒng)計(jì)值，通過完好性閾值的限制[6]，地面設(shè)備完好性算法能夠檢測出Acc 值異常加速的情況，藍(lán)點(diǎn)表示在不同仰角下Acc 監(jiān)測統(tǒng)計(jì)量，紅色曲線為閾值. 圖6 中Acc 監(jiān)測統(tǒng)計(jì)量超過閾值(圖中用紅圈標(biāo)記)時(shí)，地面設(shè)備進(jìn)行了載波相位Acc 故障處理，排除了故障的衛(wèi)星[7].

圖5 未進(jìn)行故障排除的Acc 監(jiān)測量

圖6 故障排除后的Acc 監(jiān)測量

4.4 定位結(jié)果仿真分析

在同一Acc 故障模式下，將以上兩種情況下產(chǎn)生的差分修正報(bào)文信息發(fā)送給機(jī)載設(shè)備，機(jī)載設(shè)備接收到地面設(shè)備數(shù)據(jù)后，完成差分定位并記錄數(shù)據(jù)[8]，本文研究了地面設(shè)備未排除和排除完好性故障下機(jī)載的定位結(jié)果，分析了對(duì)定位誤差、完好性、可用性的影響.

機(jī)載用戶設(shè)備通過計(jì)算垂直保護(hù)級(jí)(VPL)和水平保護(hù)級(jí)(LPL)來衡量定位結(jié)果的可靠性[9]，并用于確定地面設(shè)備數(shù)據(jù)的可用性，機(jī)載設(shè)備將VPL、LPL與CAT I 類告警閾值進(jìn)行比較，若超過告警閾值機(jī)載設(shè)備發(fā)出告警，地面數(shù)據(jù)不可用，這樣保證了飛機(jī)精密進(jìn)近中導(dǎo)航信號(hào)的完好性.

國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)大氣(ICAO)規(guī)定[10]，CAT I類精密進(jìn)近完好性的垂直告警限(VAL)和水平告警限(LAL)分別為10 m 和40 m，本文針對(duì)CAT I 類精密進(jìn)近完好性算法展開研究，機(jī)載用戶保護(hù)級(jí)與相關(guān)定位誤差、完好性參數(shù)密切相關(guān). 由圖7 可知，在完好性故障存在的情況下，地面設(shè)備未對(duì)故障進(jìn)行完好性監(jiān)測排除，導(dǎo)致了機(jī)載定位誤差的突變，定位誤差超過告警閾值，但此時(shí)保護(hù)級(jí)未超過告警閾值，機(jī)載設(shè)備未進(jìn)行告警，產(chǎn)生了完好性風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)前系統(tǒng)不可用；然而，如圖8 所示，地面設(shè)備在排除完好性故障后，定位誤差未發(fā)生突變，VPL 和LPL 都能滿 CAT I精密進(jìn)近的完好性要求，當(dāng)前系統(tǒng)可用. 因此，完好性故障監(jiān)測技術(shù)提高了定位精度、完好性和可用性性能.

圖7 故障下的機(jī)載定位結(jié)果

圖8 排除故障后的機(jī)載定位結(jié)果

5 結(jié)束語

在模擬地面故障的基礎(chǔ)上，結(jié)合本文提出的一種接收機(jī)鐘差調(diào)整策略，仿真驗(yàn)證了該策略的有效性，可準(zhǔn)確的排除故障衛(wèi)星并正確計(jì)算載波相位修正值等. 針對(duì)地面設(shè)備完好性故障未排除和排除兩種不同的處理方式，給出了機(jī)載兩種定位結(jié)果的對(duì)比情況.經(jīng)過以上章節(jié)的仿真分析與討論，可以看出對(duì)于存在的完好性故障，如果地面設(shè)備未能準(zhǔn)確進(jìn)行完好性監(jiān)測及故障排除，會(huì)引起機(jī)載用戶較大的定位誤差并引入完好性風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)可用性降低，這對(duì)于航空導(dǎo)航用戶來說，嚴(yán)重影響了安全性，是致命的. 基于本文提出接收機(jī)鐘差調(diào)整策略，GBAS 能夠有效排除故障衛(wèi)星，避免了對(duì)機(jī)載用戶定位結(jié)果的錯(cuò)誤影響， 對(duì)于完好性要求非常高的GLS 來說，能夠快速監(jiān)測到故障的存在是非常重要的.

通過對(duì)大量實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，證明了地面設(shè)備的完好性，故障監(jiān)測技術(shù)可以有效避免測距源故障對(duì)定位誤差的影響，降低發(fā)生完好性的風(fēng)險(xiǎn)概率，提高GLS 的精度、完好性、可用性等. 完好性監(jiān)測技術(shù)是GLS 系統(tǒng)的核心，地面設(shè)備必須保證發(fā)給機(jī)載用戶的偽距修正量的正確性、可靠性，進(jìn)而為機(jī)載用戶起降引導(dǎo)提供更安全、連續(xù)、完好、可用的引導(dǎo)信息，使其精確進(jìn)場著陸.