GBAS基準站多徑效應(yīng)評估技術(shù)

劉瑞華，楊煥發(fā)

GBAS基準站多徑效應(yīng)評估技術(shù)

劉瑞華，楊煥發(fā)

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

陸基增強系統(tǒng)（GBAS）播發(fā)的差分信息無法校正GBAS地面子系統(tǒng)與機載子系統(tǒng)之間的非相關(guān)誤差，如多徑誤差，致使其成為GBAS在標稱環(huán)境下的最大誤差源。在GBAS基準站正式部署之前，必須對初始臺址進行多徑效應(yīng)的量化評估，以驗證當(dāng)前站址是否滿足安裝要求?；诖a減載波（CMC）方法，進行了實際安裝的GBAS基準站的多徑效應(yīng)評估。結(jié)果表明，當(dāng)前GBAS基準站布設(shè)環(huán)境可以滿足多徑誤差要求。同時，載波平滑算法可有效抑制站點的多徑效應(yīng)，且算法隨平滑時間常數(shù)的增大而更加有效。在當(dāng)前安裝條件下，GBAS基準站多徑誤差指標項結(jié)果滿足GAD-B3類精度等級要求。

陸基增強系統(tǒng)；基準站；碼減載波；多徑效應(yīng)

0 引言

隨著民航業(yè)務(wù)吞吐量的日益增長，龐大的空中交通運輸體量對傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)支持的進近著陸引導(dǎo)服務(wù)提出了巨大挑戰(zhàn)。為了增強傳統(tǒng)空中交通管理（Air Traffic Management，ATM）技術(shù)能力，使飛機在進近著陸過程中獲得更高級別的所需導(dǎo)航性能（Required Navigation Performance，RNP），陸基增強系統(tǒng)（Ground-Based Augmentation Systems，GBAS）應(yīng)運而生[1]。從本質(zhì)上講，GBAS是一個利用本地差分信息對GPS、GLONASS等空間星座提供的導(dǎo)航服務(wù)進行增強，進而引導(dǎo)航空器實現(xiàn)精密進近的差分導(dǎo)航系統(tǒng)。GBAS由空間衛(wèi)星星座子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)和機載子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。其中，地面子系統(tǒng)對衛(wèi)星子系統(tǒng)播發(fā)的導(dǎo)航信號進行實時的捕獲跟蹤以及解碼，并基于解碼數(shù)據(jù)計算生成機載端所需差分校正信息及完好性參數(shù)。地面子系統(tǒng)通過甚高頻（Very High Frequency，VHF）數(shù)據(jù)鏈向航空器播發(fā)增強信息，機載子系統(tǒng)則將增強信息應(yīng)用于航空器的位置解算和完好性分析。

差分處理后，地面子系統(tǒng)和機載子系統(tǒng)之間的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時、對流層延時等相關(guān)誤差基本消除。但廣播差分校正值無法消除地面子系統(tǒng)與機載子系統(tǒng)之間的非相關(guān)誤差，比如GBAS基準站多徑誤差、機載天線多徑誤差、信號射頻干擾誤差等。衛(wèi)星信號通過直射、繞射、反射等方式抵達接收機天線，其中直射信號由衛(wèi)星直接抵達接收機天線，由于未發(fā)生阻擋，直射信號強度衰減較慢。反射和繞射等信號在接觸接收機天線周圍環(huán)境后路徑發(fā)生改變，部分反射和繞射信號也能抵達接收機天線，但信號強度產(chǎn)生較大衰減。當(dāng)衛(wèi)星仰角較小時，部分反射信號的強度甚至高于直射信號，導(dǎo)致觀測值數(shù)據(jù)可靠性降低，從而引入多徑誤差[2]。多徑誤差對地面基準站和機載接收機都有影響，且多徑誤差在每部接收機上都是不同的，因此在差分校正過程中不會被消除。一般認為多徑誤差是GBAS在標稱環(huán)境下的最大誤差源。在GBAS基準站布設(shè)時，應(yīng)對初始選址站點進行多徑誤差的量化評估，以最小化多徑誤差對系統(tǒng)性能的影響。

2010年，美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）發(fā)布GBAS地面系統(tǒng)選址標準6884.1。標準中指出，利用碼減載波（Code Minus Cartier，CMC）技術(shù)可以實現(xiàn)對基準站多徑誤差的量化評估，但未給出具體評估流程[3]。美國Alfred R. Lopez等人基于ARL-1900 LAAS/GBAS地面參考天線在測試過程中出現(xiàn)的多徑效應(yīng)，提出了一種緩解多徑效應(yīng)的方法，并描述了地面反射率對地面多徑效應(yīng)的影響，由此提出了減小GBAS基準站天線多徑誤差的選址建議[4]。德國柏林大學(xué)André Schüttpelz等人，采用CMC技術(shù)，完成了法蘭克福機場霍尼韋爾SLS-3000型GBAS基準站的多徑誤差量化評估，但未驗證不同平滑時間常數(shù)的載波相位平滑算法在各個站點上的有效性[5]。北京航空航天大學(xué)王志鵬等人，對GBAS地面系統(tǒng)布設(shè)方案進行研究，給出了GBAS基準站的多徑誤差評估流程，但缺乏數(shù)據(jù)支持和驗證，僅給出了評估步驟[6]。本文基于實驗室搭建的測試型GBAS基準站子系統(tǒng)，利用碼減載波技術(shù)，首次完成了不同載波相位平滑時間常數(shù)下基準站多徑誤差的量化評估，所取得的研究成果可以彌補國內(nèi)在該方面研究的不足，為今后各個機場GBAS基準站的多徑效應(yīng)評估提供技術(shù)參考。

1 碼減載波方法原理

對于GBAS基準站，在某一觀測歷元，GPS偽距和載波相位觀測方程如式（1）和式（2）所示：

式中，各參數(shù)意義與式（2）相同。

式（9）給出原始偽距多徑誤差和接收機噪聲。將原始偽距多徑誤差和接收機噪聲數(shù)據(jù)進一步處理并與航空無線電技術(shù)委員會（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）頒布的DO-253C號文件給出的多徑和接收機噪聲誤差標準差包絡(luò)值比較，對站址多徑環(huán)境進行評估。多徑和接收機噪聲誤差標準差包絡(luò)值如式（11）所示[9]：

表1 CMC樣本數(shù)據(jù)分塊間隔（單位：°）

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗條件

為滿足教學(xué)和科研需求，中國民航大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航實驗室搭建了測試型GBAS地面系統(tǒng)。其中，基準站子系統(tǒng)位于中國民航大學(xué)北校區(qū)六號教學(xué)樓樓頂，如圖1所示。

每個基準站由高精度基準站型接收機和扼流圈天線組成，三個基準站之間距離約為15 m，可接收GPS/BDS/Galileo三個系統(tǒng)的導(dǎo)航信號。GBAS數(shù)據(jù)處理單元位于北六教學(xué)樓二樓實驗室內(nèi)，實時計算本地差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息。

GBAS基準站截止仰角設(shè)置為10°，收集2021年6月1日至4日基準站子系統(tǒng)的GPS L1和L2雙頻觀測值數(shù)據(jù)。在計算CMC數(shù)據(jù)前，首先應(yīng)進行雙頻觀測值數(shù)據(jù)的預(yù)處理。包括周跳探測以及剔除數(shù)據(jù)集中信噪比較低的觀測值數(shù)據(jù)（信噪比閾值設(shè)置為30 dB/Hz）。

每天的觀測值數(shù)據(jù)應(yīng)單獨分析，這是由于GPS星座衛(wèi)星的回歸周期為一天，更長周期的觀測會在多徑誤差中引入額外的相關(guān)性。由于基準站的靜態(tài)位置以及GPS衛(wèi)星軌道的周期重復(fù)性，四天內(nèi)采集到的實驗數(shù)據(jù)具有相似的分析結(jié)果。本文以6月4日的實驗結(jié)果為例，對評估流程與評估結(jié)果進行說明。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

以基準站RR1為例，基準站RR1的原始值數(shù)據(jù)集包括了6月4日當(dāng)天所有可用衛(wèi)星的值。圖2顯示了基準站RR1對應(yīng)于所有可用衛(wèi)星的原始值數(shù)據(jù)隨仰角變化情況。

圖2 原始CMC值隨仰角變化圖

從圖2可看出，值在各仰角區(qū)間范圍內(nèi)均值均趨向于0。隨著衛(wèi)星仰角的增大，值逐漸減小，當(dāng)衛(wèi)星仰角超過60°時，值基本恒定。這可以歸因于，當(dāng)衛(wèi)星處于低仰角狀態(tài)時，由電離層延遲和多徑效應(yīng)等引起的偽距測量誤差較大。

以1°為分塊間隔，對值數(shù)據(jù)進行分塊，統(tǒng)計各個仰角分塊內(nèi)的值標準差，并與DO-253C中給出的標準差包絡(luò)值進行比較，結(jié)果如圖3所示。

不難發(fā)現(xiàn)，計算結(jié)果整體小于DO-253C中給出的包絡(luò)值，即在當(dāng)前安裝地點，基準站的多徑誤差較小，滿足安裝要求?；鶞收綬R2、RR3的計算結(jié)果同樣滿足該安裝要求。

基于原始數(shù)據(jù)，驗證載波相位平滑算法在站點上的有效性。將原始值輸入式（12）中的低通濾波器，載波相位平滑時間常數(shù)分別設(shè)置為30 s和100 s。圖4展示了在不同平滑時間常數(shù)下，所有可用衛(wèi)星的值隨仰角變化情況。

圖4 不同平滑時間常數(shù)下可用衛(wèi)星CMC值隨仰角變化圖

由圖4可知，值在各仰角區(qū)內(nèi)，均值趨向于0，相較于原始值，平滑算法處理后的值有明顯的減小，這是因為平滑濾波器具有低通濾波特性，多徑和接收機噪聲中的高頻分量被有效濾除。

同時，由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著載波相位平滑時間常數(shù)的增大，平滑變得更加有效。表2給出了不同平滑時間常數(shù)下所有可用衛(wèi)星值的均方根（Root Mean Square，RMS），由于值服從零均值分布，RMS可近乎表示值的標準差。隨著平滑時間常數(shù)的增大，RMS值逐漸減小。

表2 不同平滑時間常數(shù)對應(yīng)的CMC值均方根

具體到某一顆衛(wèi)星，以G02衛(wèi)星為例，圖5給出了6月4日G02衛(wèi)星的仰角與L1頻點上信噪比隨時間變化曲線。

圖5 G02仰角與信噪比變化曲線

不難發(fā)現(xiàn)，隨著衛(wèi)星仰角的增大，衛(wèi)星信號信噪比也隨之增大，整個觀測時段范圍內(nèi)，信號信噪比未降到門限值以下。

圖6顯示了G02衛(wèi)星在觀測時段內(nèi)的值隨時間變化曲線?？梢钥吹?，隨著平滑時間常數(shù)的增大，G02衛(wèi)星對應(yīng)的值平滑效果更加明顯。

圖6 G02 CMC值隨時間變化曲線

將值取絕對值并沿衛(wèi)星運動軌跡聯(lián)線得到站點周視圖，可以直觀看出站點環(huán)境對多徑效應(yīng)的影響?；谏鲜鲋禂?shù)據(jù)，將每顆衛(wèi)星的值進行繪圖，得到6月4日基準站RR1的多徑周視圖如圖7所示。

圖7中的計算結(jié)果表明，經(jīng)平滑算法處理后，該站點多徑效應(yīng)主要來源于西南和西北方向。分析站址周邊環(huán)境，結(jié)合圖1（a）可以看到，由于基準站RR1位于樓體邊緣，樓體邊緣的護墻和植被對基準站天線產(chǎn)生了一定的遮擋效應(yīng)?；谙嗤幚矸绞綄鶞收綬R2、RR3的雙頻觀測值進行處理，處理結(jié)果表明，RR2、RR3的多徑效應(yīng)均主要來源于東南方向。結(jié)合圖1（b）發(fā)現(xiàn)，這可以歸因于東南方向的護墻和植被對基準站天線產(chǎn)生了遮擋，從而造成較大多徑誤差。

將經(jīng)過平滑處理得到的數(shù)據(jù)，以2倍的平滑時間常數(shù)為間隔進行采樣，形成新的樣本數(shù)據(jù)，并對采樣得到的樣本數(shù)據(jù)進行分塊統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

圖8 RR1平滑CMC值標準差隨仰角變化

觀察圖8可知，兩種平滑時間常數(shù)下的值標準差曲線，均包絡(luò)于GAD-B3類精度等級曲線。同時，在高仰角范圍內(nèi)，值標準差可以達到GAD-C3精度等級要求，但在低仰角范圍內(nèi)，值標準差無法包絡(luò)于GAD-C3曲線，即無法達到GAD-C3類精度等級要求。這是由于衛(wèi)星仰角較低時，電離層延遲誤差和多徑誤差等引起的偽距測量誤差較大。在GBAS實際運行過程中，GBAS基準站子系統(tǒng)裝配代表目前最高精度水平的接收機及多徑抑制天線（Multipath Limiting Antenna，MLA）來最大程度上減小多徑測量誤差，從而達到C類精度等級，實驗室裝配的基準接收機及扼流圈天線對多徑效應(yīng)的抑制仍然有限。

圖9和圖10為6月4日基準站RR2、RR3兩種平滑時間常數(shù)下的值標準差曲線。可以看到，兩種平滑時間常數(shù)下的標準差曲線均包絡(luò)于GAD-B3類精度等級曲線。對比圖8、圖9和圖10可以看到，三個基準站的平滑值標準差曲線雖均包絡(luò)于GAD-B3類精度等級曲線，但也存在明顯不同，這可以歸因于每一部參考天線安裝環(huán)境的差異性。同時，相較于其他兩個基準站，RR2的值標準差整體偏大，可以歸因于RR2參考天線較差的安裝環(huán)境。如圖1所示，相較于其它兩個基準站，RR2更加靠近墻體，樓頂護墻可造成較大的多徑誤差，使得觀測值數(shù)據(jù)可靠性降低，最終導(dǎo)致RR2相較于其他兩個基準站具有相對較差的精度性能。

圖9 RR2平滑CMC值標準差隨仰角變化

圖10 RR3平滑CMC值標準差隨仰角變化

上述結(jié)果表明，當(dāng)前GBAS基準站子系統(tǒng)安裝環(huán)境滿足安裝要求。同時，GBAS基準站子系統(tǒng)多徑誤差指標項結(jié)果滿足GAD-B3類精度等級要求。

3 結(jié)論

GBAS基準站實際布設(shè)時，站點的選取可直接影響GBAS整體運行性能，對初始選址站點進行多徑效應(yīng)的量化評估尤為重要。本文基于實驗室搭建的GBAS地面系統(tǒng)測試平臺，完成了基準站站點多徑效應(yīng)的量化評估。

試驗結(jié)果表明，在當(dāng)前安裝環(huán)境下，各個基準站的多徑誤差較小，滿足安裝要求。同時，載波相位平滑算法可以有效減小基準站多徑誤差和接收機噪聲，在相關(guān)布設(shè)條件下，GBAS地面子系統(tǒng)多徑誤差指標結(jié)果滿足GAD-B3類精度等級要求。

由于實驗室搭建的GBAS基準站子系統(tǒng)位于空曠樓頂，基準站天線接收信號受建筑物、地形、地面植被等因素影響較小，因此評估結(jié)果較為理想。在GBAS基準站實際布設(shè)過程中，機場建筑物、植被以及車輛等都會對衛(wèi)星信號造成影響，產(chǎn)生多徑效應(yīng)。依照本文給出的測試評估方法和流程，可以有效地站址多徑環(huán)境進行評估，為GBAS基準站的選址和布設(shè)提供決策依據(jù)。

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Multipath Effect Assessment Method for GBAS Reference Stations

LIU Ruihua, YANG Huanfa

Differential information broadcast by the Ground-Based Augmentation System (GBAS) cannot correct for uncorrelated errors between the GBAS ground subsystems and airborne subsystems, e.g, multipath errors, making it the largest error source of GBAS in the nominal environment. Before the GBAS reference station is formally deployed, the initial station site must be evaluated quantitatively for the multipath effect to verify that the current site location meets the installation requirements. The multipath effect assessment of an actual installed GBAS reference station is performed based on the code minus carrier (CMC) methodology. The results show that the GBAS reference station deployment environment can meet the multipath error requirements. Simultaneously, the carrier smoothing algorithm can effectively suppress the multipath effect of the site, the algorithm becomes much more effective with the smoothing time constant increasing. Under the current installation conditions, the results of the multipath error-index term of the GBAS reference station were found satisfying the requirements of the GAD-B3 class accuracy level.

GBAS; Reference Station; Code Minus Carrier; Multipath Effect

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-03-176-07

2022-04-08。

劉瑞華（1965.10—），陜西藍田人，博士，教授，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航及其在民航中的應(yīng)用。

國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0502402）