北斗地基增強系統(tǒng)國產(chǎn)民機試飛性能評估*

張 展，郭九源

北斗地基增強系統(tǒng)國產(chǎn)民機試飛性能評估*

張 展，郭九源

（中國商用飛機有限責(zé)任公司北京民用飛機技術(shù)研究中心 北京 102200）

由于GPS在國際上的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢，目前在民用航空領(lǐng)域使用的星基導(dǎo)航大多為GPS。隨著我國民航領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)宣告全球組網(wǎng)成功，亟需開展北斗地基增強系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用性能評估，以驗證其是否可滿足民航飛機對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。針對民航飛機的I類精密進近過程，梳理了該航段中國際民航組織對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能需求，推導(dǎo)了北斗地基增強系統(tǒng)垂直保護級計算數(shù)學(xué)模型，制定了搭載試飛試驗的加改裝方案和飛行科目，在國產(chǎn)某型號民機上開展了北斗地基增強系統(tǒng)搭載試飛試驗，并對定位精度和垂直保護級進行了分析評估。結(jié)果表明：在搭載試飛試驗中，北斗地基增強系統(tǒng)可滿足I類精密進近對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)垂直精度的需求，同時系統(tǒng)不存在告警和誤警。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；航空無線電導(dǎo)航；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

引 言

隨著民用航空運輸業(yè)的高速發(fā)展，我國空中交通流量與日俱增，部分核心樞紐機場的終端區(qū)空域和跑道容量已接近飽和[1,2]。國際民航組織提出的基于性能的導(dǎo)航技術(shù)能夠大大提高民航飛機的導(dǎo)航精度，減小民航航路的最小保護間隔，進而提高終端區(qū)空域和跑道的使用效率，有效地緩解機場的擁堵程度[3,4]。目前，我國民航基于性能的導(dǎo)航技術(shù)主要依賴于美國的GPS（Global Position System），其中基于GPS的地基增強系統(tǒng)能夠為民航飛機提供CAT-I（Category I）精密進近和著陸引導(dǎo)服務(wù)[5-7]。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完成并步入推廣應(yīng)用階段，亟需開展北斗地基增強系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用性能評估，為今后的設(shè)備研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)，提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國際影響力和我國民用航空領(lǐng)域?qū)Ш较到y(tǒng)的安全性。

北斗地基增強系統(tǒng)包含導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、機載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)這三部分，通過采用差分偽距技術(shù)來提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，是一套具備為用戶提供廣域?qū)崟r米級定位精度能力的系統(tǒng)。地面子系統(tǒng)利用已知準(zhǔn)確位置坐標(biāo)的地面基準(zhǔn)站計算各可視導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距修正值，并將其通過甚高頻通信鏈路發(fā)送給機載子系統(tǒng)。機載子系統(tǒng)在定位解算中加入得到的偽距修正值，從而得到更精確的定位結(jié)果[8]。目前，國內(nèi)已有許多學(xué)者正在積極研究基于北斗的地基增強系統(tǒng)，以驗證評估其用于民航導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。文獻[9]搭建了地基增強系統(tǒng)GBAS（Ground Based Augmentation Systems）驗證系統(tǒng)，并在真實工作環(huán)境中，多次開展了靜態(tài)測試、動態(tài)跑車測試。通過對真實環(huán)境中測試得到的數(shù)據(jù)進行分析，來驗證使用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星作為民航地基增強系統(tǒng)的導(dǎo)航星座是否可以滿足CAT-I精密進近的精度要求。文獻[10]參照美國航空無線電委員會相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)過程，分別仿真分析了北斗地基增強接收機在靜態(tài)和動態(tài)場景下的偏差輸出，驗證其是否滿足民航飛機精密進近引導(dǎo)的需求。文獻[11]基于性能的導(dǎo)航相關(guān)要求，提出了能夠兼容北斗的GBAS進近著陸定位算法，并搭建北斗地基增強仿真系統(tǒng)，為未來的進近飛行試驗奠定了基礎(chǔ)，對北斗地基增強系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用起到了一定推動作用。文獻[12]基于GPS的地基增強系統(tǒng)在國內(nèi)機場搭建了北斗地基增強系統(tǒng)，并在通航飛機上開展了試飛試驗，以驗證北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是否可替代GPS作為GBAS導(dǎo)航源，及北斗地基增強系統(tǒng)是否可用于CAT-I精密進近。

本文梳理了國際民航組織對各航段導(dǎo)航系統(tǒng)的性能需求，推導(dǎo)了北斗地基增強系統(tǒng)垂直保護級計算數(shù)學(xué)模型，針對能夠使用北斗地基增強系統(tǒng)的CAT-I精密進近航段，開展了國產(chǎn)某型號民機搭載試飛試驗，通過對定位精度和垂直保護級的分析，評估驗證北斗地基增強系統(tǒng)的性能。

1 北斗地基增強系統(tǒng)性能要求

在民用航空領(lǐng)域，導(dǎo)航系統(tǒng)的性能與機載人員的生命安全息息相關(guān)，因此國際民航組織ICAO（International Civil Aviation Organization）對機載導(dǎo)航系統(tǒng)的性能有著極為嚴格的要求。基于性能的導(dǎo)航規(guī)范中ICAO規(guī)定了不同航段下導(dǎo)航系統(tǒng)的性能要求。民用航空的飛行航線主要包括遠洋航線、大陸航線、終端區(qū)和進近區(qū)。而飛行航線的進近區(qū)又包括進場航段、起始進近航段、中間進近航段和最終進近航段四個航段。其中最終進近航段可以依據(jù)機載導(dǎo)航系統(tǒng)是否具備可靠的垂直引導(dǎo)能力分為非精密進近和精密進近[13,14]。機載導(dǎo)航系統(tǒng)必須具有垂直導(dǎo)航引導(dǎo)能力才能夠?qū)崿F(xiàn)精密進近，而非精密進近對機載導(dǎo)航系統(tǒng)無此類要求。精密進近又可以依據(jù)決斷高度分為CAT-I、CAT-II和CAT-III。相較于傳統(tǒng)進近方式，基于性能的導(dǎo)航PBN（Performance Based Navigation）增加了具有垂直引導(dǎo)的方法APV（Approach With Vertical Guidance）進近階段，該階段也能夠同時提供水平引導(dǎo)和垂直引導(dǎo)，但其垂直引導(dǎo)精度無法達到精密進近水平[15]。

不同的飛行航段對導(dǎo)航性能的需求不同，例如，ICAO規(guī)定了不同航段下導(dǎo)航系統(tǒng)的性能需求[16]，詳見表1。表中括號內(nèi)的精度指標(biāo)為告警門限，ICAO僅對I類精密進近做出了規(guī)定，F(xiàn)AA補充了II類、III類精密進近的要求。對于地基增強系統(tǒng)而言，目前獲得批準(zhǔn)的系統(tǒng)僅有提供CAT-I精密進近的系統(tǒng)。因此，本文將針對CAI-I精密進近的性能需求評估北斗地基增強系統(tǒng)的性能。

表1 各飛行航段對導(dǎo)航系統(tǒng)的性能需求

2 北斗地基增強系統(tǒng)保護級計算

在飛機進近過程中，地基增強系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)前的定位精度和導(dǎo)航衛(wèi)星的幾何分布來判斷系統(tǒng)是否符合完好性要求，即計算并比較保護級與規(guī)定的告警限之間的關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)的告警限小于保護級時，則不符合完好性要求。ICAO將造成GBAS發(fā)生完好性風(fēng)險的因素分為3類假設(shè)：被GBAS所有的測距源和參考接收機都工作正常的情況被稱為H0假設(shè)；僅存在1臺參考接收機發(fā)生故障的情況稱為H1假設(shè)；除以上2種假設(shè)之外的所有情況被稱為H2假設(shè)。保護級是GBAS的定位誤差置信上限，在上述三種假設(shè)中只有在H0和H1假設(shè)情況下的誤差服從高斯分布，從而可分別計算2種假設(shè)情況下的垂直保護級VPL（Vertical Protection Level）和水平保護級LPL（Lateral Protection Level）[17-19]。VPL和LPL的計算方法類似，但衛(wèi)星的幾何分布造成GBAS的水平定位精度優(yōu)于垂直定位精度，而ICAO的導(dǎo)航系統(tǒng)性能需求對垂直定位精度更為嚴格，因此VPL的計算評估變得更為重要[20]。

對于H0假設(shè)，偽距域誤差服從均值為零的高斯分布，保護級的計算可以通過將誤差的標(biāo)準(zhǔn)差線性變換投影到定位域獲得：

對于H1假設(shè)，存在一臺發(fā)生故障的參考接收機，偽距誤差服從均值不為零的高斯分布。同H0假設(shè)相同，保護級的計算可將偽距域誤差高斯分布線性變換投影到定位域得到：

其中，S,i=S,i+S,i×tangs，S,i為矩陣中第顆可用衛(wèi)星對應(yīng)水平沿航線方向的值，gs是飛行下滑道的仰角，S為矩陣中第顆可用衛(wèi)星對應(yīng)垂直方向的值。

是偽距域誤差向定位域投影的投影矩陣，有：

式中，是偽距觀測矩陣，是權(quán)重矩陣，有：

ffmd和md為無故障漏檢概率和漏檢概率對應(yīng)的乘子，可根據(jù)GBAS的服務(wù)等級和參考接收機的數(shù)量計算得到，詳見表2。

表2 無故障漏檢概率乘子與漏檢概率乘子

B,vert為H1假設(shè)情況中第臺參考接收機發(fā)生故障時定位域垂向誤差均值的估計，可由下式得到：

在系統(tǒng)的運行中，接收機無法確定實際情況屬于H0假設(shè)或者H1假設(shè)，VPL應(yīng)取二者之中較大的值，即：

3 搭載試飛試驗

依托國產(chǎn)某型號飛機平臺，按照衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星著陸國際民航標(biāo)準(zhǔn)及中國民航資訊通告要求，通過試飛試驗，對北斗地基增強系統(tǒng)功能、性能驗證，與現(xiàn)有GPS地基增強功能、性能對比，驗證北斗地基增強系統(tǒng)實現(xiàn)I類精密進近的功能性能。如圖1和圖2所示分別為北斗地基增強系統(tǒng)測試框圖和搭載改裝示意圖。

圖1 北斗地基增強系統(tǒng)測試框圖

圖2 搭載改裝示意圖

試飛科目的設(shè)置參照美國聯(lián)邦航空管理局FAA（Federal Aviation Administration）的《Standard Flight Inspection Manual 8200.1c》第17章中對GLS（GBAS Landing System）的監(jiān)測要求，詳見表3。進近飛行的水平軌跡和垂直軌跡分別如圖3、圖4所示。在試飛過程中實時記錄北斗地基增強系統(tǒng)的定位結(jié)果、原始觀測量等試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)推導(dǎo)的北斗地基增強系統(tǒng)垂直保護級計算數(shù)學(xué)模型處理試飛數(shù)據(jù)，評估其是否滿足I類精密進近的功能性能。

表3 北斗地基增強系統(tǒng)原型樣機試飛科目

圖3 飛機進近飛行的水平軌跡

圖4 飛機進近飛行的垂直軌跡

在對試飛數(shù)據(jù)精度的處理中，將RTK（Real time kinematic）接收機的定位結(jié)果作為定位基準(zhǔn)，對12小時的試飛數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計得到北斗地基增強系統(tǒng)差分垂直精度（95%）為1.534 2 m～3.422 5 m，優(yōu)于CAT-I對導(dǎo)航系統(tǒng)4 m的垂直精度要求。圖5所示為試飛數(shù)據(jù)中截取的500 s定位精度結(jié)果。

在完好性方面，計算試飛試驗中北斗地基增強系統(tǒng)的VPL，并與接收機的垂直定位精度和告警限進行比較。統(tǒng)計12小時的試飛數(shù)據(jù)，VPL未超過CAT-I精密進近性能需求的最大告警限15 m，未出現(xiàn)誤差超過保護級和告警限、保護級超過告警限的情況，即不存在告警和誤警。圖6所示為試飛數(shù)據(jù)中截取的1 800 s數(shù)據(jù)對比結(jié)果。

圖5 北斗地基增強系統(tǒng)定位精度

圖6 北斗地基增強系統(tǒng)垂直保護級

Fig. 6 VPL of BDS GBAS

4 結(jié)束語

本文通過在國產(chǎn)某型號飛機上的搭載試飛試驗，針對CAI-I精密進近的性能需求，評估北斗地基增強系統(tǒng)的性能。通過對試飛數(shù)據(jù)處理，可以得到本次搭載試飛試驗中北斗地基增強系統(tǒng)的性能評估結(jié)果如下：精度方面，北斗地基增強系統(tǒng)差分垂直定位精度優(yōu)于4 m，可滿足I類精密進近對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)垂直精度的需求；完好性方面，VPL未超過CAT-I精密進近性能需求的最大告警限15 m，未出現(xiàn)誤差超過保護級和告警限、保護級超過告警限的情況，即系統(tǒng)不存在告警和誤警。

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Performance assessment of BDS GBAS based on domestic civil aircraft flight test

ZHANG Zhan, GUO Jiuyuan

（Commercial Aircraft Corporation of China Beijing Aircraft Technology Research Institute, Beijing 102200, China）

Due to the technical and standard advantages of GPS in the world, most of the satellite based navigation systems used in the field of civil aviation are GPS. With the rapid development of civil aviation in China and completion of BDS-3 constellation deployment, it is necessary to evaluate the application performance of the BDS ground based augmentation system in the civil aviation field,to verify whether it can meet the requirements of civil aviation aircraft for satellite navigation system. According to CAT-I operations of civil aircrafts, this paper has investigated the performance requirements of ICAO for the satellite navigation system during precision approach, derived the mathematical model of the vertical protection level of the BDS GBAS,formulated the modification scheme and flight subjects for carrying test flight, performed BDS GBAS flight test, and analyzed the positioning accuracy and vertical protection level of BDS GBAS. The results show that the BDS GBAS in this flight test can meet the vertical precision requirements of CAT-I operations to the satellite navigation system, and there is no alarm and false alarm in the system.

Satellite navigation system; Aviation radio navigation; BeiDou navigation satellite system

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

V249.3

A

CN11-1780(2022)06-0064-06

10.12347/j.ycyk.20220310001

張展, 郭九源.北斗地基增強系統(tǒng)國產(chǎn)民機試飛性能評估[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 64–69.

10.12347/j.ycyk.20220310001

: ZHANG Zhan, GUO Jiuyuan. Performance assessment of BDS GBAS based on domestic civil aircraft flight test[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 64–69.

國家自然科學(xué)基金（民航機載系統(tǒng)安保風(fēng)險識別與防護理論研究，U2133203）

2022-03-10

2022-05-12

張 展 1981年生，博士，高級工程師，主要研究方向為航空電子系統(tǒng)。

郭九源 1992年生，博士，工程師，主要研究方向為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

(本文編輯：傅 杰)