GBAS數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

褚映紅，胡耀坤，張敏敏

GBAS數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

褚映紅，胡耀坤，張敏敏

（中電科星河北斗技術(shù)（西安）有限公司，西安 710068）

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）在機(jī)場(chǎng)的長(zhǎng)期使用，能夠?qū)崿F(xiàn)回溯歷史數(shù)據(jù)、模擬衛(wèi)星系統(tǒng)故障、進(jìn)行GBAS運(yùn)行性能的驗(yàn)證分析和問(wèn)題定位，就顯得很有必要，而如何使用GBAS系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)以上功能的先決條件。通過(guò)研究實(shí)現(xiàn)了一套針對(duì)于GBAS原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)，方便了GBAS系統(tǒng)后期歷史場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)、問(wèn)題定位和系統(tǒng)的性能驗(yàn)證和分析。

地基增強(qiáng)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)回放；時(shí)序；秒脈沖

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)被民航界認(rèn)為是提高繁忙機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率、保障復(fù)雜機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全、解決機(jī)場(chǎng)全天候起降和終端區(qū)高密度運(yùn)行難題的關(guān)鍵。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）地基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground Based Augmentation System，GBAS），在通過(guò)差分定位提高衛(wèi)星導(dǎo)航精度的基礎(chǔ)上，增加了一系列完好性監(jiān)視算法，提高系統(tǒng)完好性、可用性、連續(xù)性的指標(biāo)，使機(jī)場(chǎng)覆蓋空域范圍內(nèi)的配置相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)獲得到達(dá)精密進(jìn)近服務(wù)?，F(xiàn)階段國(guó)外基于GPS L1 C/A 信號(hào)的精密進(jìn)近著陸技術(shù)已基本成熟，支持I類（CAT I）精密進(jìn)近著陸運(yùn)行的系統(tǒng)已經(jīng)在歐美多機(jī)場(chǎng)使用。

隨著GBAS在機(jī)場(chǎng)的穩(wěn)定應(yīng)用，為更好地回溯歷史數(shù)據(jù)、模擬衛(wèi)星系統(tǒng)故障、進(jìn)行GBAS運(yùn)行性能的驗(yàn)證分析和問(wèn)題定位，對(duì)GBAS系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)的使用就顯得格外地重要。

本文結(jié)合GBAS系統(tǒng)接口和數(shù)據(jù)的特性設(shè)計(jì)一套GBAS數(shù)據(jù)回放工具，實(shí)現(xiàn)GBAS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的回放，配合GBAS仿真系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)歷史場(chǎng)景的重現(xiàn)，以支撐GBAS系統(tǒng)問(wèn)題定位和運(yùn)行性能的驗(yàn)證分析。

1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

GBAS數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的1 pps秒脈沖，為系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)回放軟件讀取GBAS系統(tǒng)記錄的原始數(shù)據(jù)，并依據(jù)1 pps秒脈沖，模擬GBAS系統(tǒng)時(shí)序?qū)BAS原始數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送出去，以便于GBAS系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)歷史場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)。

圖1 GBAS數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件組成

GBAS數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成。

2.1 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器

時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器使用GNSS時(shí)間信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)匹配選擇，并轉(zhuǎn)換成4路RS 422授時(shí)（1 pps）信號(hào)提供給系統(tǒng)內(nèi)其它設(shè)備使用。

2.2 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器為工業(yè)級(jí)處理機(jī)，配備：

1）串口：至少16路三合一（RS232/485/422）串口（帶隔離）；

2）網(wǎng)口：至少4路獨(dú)立網(wǎng)口RJ45，100/1000 M自適應(yīng)。

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)回放軟件，對(duì)外輸出符合GBAS地面設(shè)備時(shí)序的歷史信號(hào)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件組成

GBAS數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)軟件為數(shù)據(jù)回放軟件。該軟件為Windows桌面程序，采用多線程方式，實(shí)現(xiàn)文件的讀取以及發(fā)送。根據(jù)軟件架構(gòu)該軟件劃分為以下幾個(gè)模塊，如圖2所示。

圖2 功能分解圖

1）界面控制模塊：實(shí)現(xiàn)界面的繪制，提供用戶設(shè)置GBAS歷史數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)路徑、歷史數(shù)據(jù)出口以及外部時(shí)鐘源等功能。

2）原始數(shù)據(jù)文件讀取模塊：實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶配置，讀取文件目錄下GBAS歷史數(shù)據(jù)文件功能。

3）校時(shí)模塊：實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶配置，讀取外部秒脈沖信號(hào)，根據(jù)秒脈沖信號(hào)校正系統(tǒng)整秒。

4）原始數(shù)據(jù)發(fā)送模塊：根據(jù)用戶選擇的發(fā)送數(shù)據(jù)，依據(jù)用戶配置將GBAS歷史數(shù)據(jù)發(fā)送至指定串口的功能。

3.1 界面控制模塊功能

該功能模塊實(shí)現(xiàn)界面的繪制以及用戶配置數(shù)據(jù)的讀取功能。其中界面分為時(shí)鐘源配置和數(shù)據(jù)源配置兩個(gè)模塊。

時(shí)鐘信號(hào)源設(shè)置界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 界面設(shè)計(jì)圖

1）“秒脈沖串口號(hào)”為下拉菜單選擇項(xiàng)。軟件通過(guò)讀取所處系統(tǒng)串口配置信息，將系統(tǒng)使用的串口號(hào)作為下拉菜單的可選信息，以供用戶選擇秒脈沖讀入的串口號(hào)。

2）“波特率”為串口傳輸速率，提供用戶選擇串口傳輸速率的選擇菜單。

3）“發(fā)送間隔”提供用戶選擇數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔的功能。

數(shù)據(jù)源配置界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

1）“串口號(hào)”為下拉菜單選擇項(xiàng)。軟件通過(guò)讀取所處系統(tǒng)串口配置信息，將系統(tǒng)使用的串口號(hào)作為下拉菜單的可選信息，供用戶選擇，作為該路數(shù)據(jù)的發(fā)送串口號(hào)。

2）“數(shù)據(jù)源”為文件目錄對(duì)話框，提供用戶選擇需要在相應(yīng)串口發(fā)送的GNSS接收機(jī)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑。

點(diǎn)擊“確定”按鈕后，對(duì)配置信息的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。確保用戶在“秒脈沖串口號(hào)”選擇了有效的串口號(hào)；驗(yàn)證用戶在“數(shù)據(jù)源”界面，至少正確選擇了一路數(shù)據(jù)源路徑和需要發(fā)送的串口號(hào)；在用戶設(shè)置了多路數(shù)據(jù)源時(shí)，需要驗(yàn)證各路數(shù)據(jù)的發(fā)送串口號(hào)不重復(fù)。當(dāng)配置信息驗(yàn)證通過(guò)后進(jìn)行后續(xù)操作。

3.2 原始數(shù)據(jù)文件讀取模塊

在用戶配置了有效的配置信息后，開(kāi)始該模塊的執(zhí)行。

模塊根據(jù)用戶在“數(shù)據(jù)源配置”界面設(shè)置的多個(gè)數(shù)據(jù)源信息，啟動(dòng)多個(gè)線程，在線程內(nèi)對(duì)目錄下文件進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)預(yù)處理結(jié)果依次讀取該文件目錄下的GNSS接收機(jī)原始數(shù)據(jù)。讀取過(guò)程如下：

1）用戶點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)配置信息”界面“確定”按鈕，且參數(shù)驗(yàn)證通過(guò)后，啟動(dòng)多個(gè)線程。線程1負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)源1數(shù)據(jù)，依次類推。

2）數(shù)據(jù)源有效性判斷。若以下兩條有一項(xiàng)不符合，則表示數(shù)據(jù)源不需發(fā)送數(shù)據(jù)，線程結(jié)束。

3）用戶選擇的文件目錄路徑不為空，且該路徑下的文件不為空；數(shù)據(jù)發(fā)送的串口號(hào)不為空。

4）數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證通過(guò)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。若文件路徑下只有一個(gè)數(shù)據(jù)文件，則直接讀取數(shù)據(jù)文件；若有多個(gè)文件，則解析文件內(nèi)容并依據(jù)文件的第一包有效的數(shù)據(jù)包，并以該數(shù)據(jù)包中的GPS時(shí)間作為該文件的時(shí)間標(biāo)記，依據(jù)各個(gè)文件的時(shí)間標(biāo)記，按時(shí)間先后進(jìn)行文件的排序，并依據(jù)此順序依次讀取數(shù)據(jù)文件。等待數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 原始數(shù)據(jù)文件讀取流程

3.3 校時(shí)模塊

校時(shí)模塊處理流程如下：

1）讀取用戶選擇：若秒脈沖配置有效，則啟動(dòng)校時(shí)功能，若沒(méi)有配置有效的秒脈沖配置則不啟動(dòng)校時(shí)功能。

2）校時(shí)功能：根據(jù)用戶配置的串口號(hào)和串口速率，打開(kāi)秒脈沖串口，并依據(jù)收到秒脈沖信號(hào)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)。

3.4 原始數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

原始數(shù)據(jù)發(fā)送模塊在原始數(shù)據(jù)文件讀取模塊處理完成后，初始化串口。等待用戶設(shè)置的發(fā)送間隔，讀取這一個(gè)時(shí)間片（注1）至下一時(shí)間片之間的所有原始報(bào)文（注2），按照?qǐng)?bào)文先后順序發(fā)送；等待用戶設(shè)置的發(fā)送間隔，發(fā)送下周期數(shù)據(jù)。依次執(zhí)行直至數(shù)據(jù)發(fā)送完成。

注1：時(shí)間片是指數(shù)據(jù)包的GPS周、秒為標(biāo)記的一個(gè)時(shí)間周期。該時(shí)間從接收機(jī)時(shí)間數(shù)據(jù)包或者偽距數(shù)據(jù)包獲取。

注2：報(bào)文包含時(shí)間、偽距、星歷、歷書和甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VHF Data Broadcast，VDB）所有數(shù)據(jù)包。

處理流程如圖5所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)包發(fā)送流程

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

使用本系統(tǒng)將GBAS現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行記錄的24小時(shí)原始數(shù)據(jù)，通過(guò)8路串口同時(shí)向GBAS系統(tǒng)持續(xù)發(fā)送。系統(tǒng)運(yùn)行完成后對(duì)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)丟包率和數(shù)據(jù)發(fā)送延遲進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

經(jīng)分析本系統(tǒng)能夠依據(jù)GBAS的系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序向GBAS系統(tǒng)準(zhǔn)確完整地發(fā)送所有的報(bào)文數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

GBAS數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)能夠很好地模擬GBAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)序，并完整、按時(shí)地將GBAS歷史原始數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送出去，為GBAS仿真系統(tǒng)提供了真實(shí)和可靠的數(shù)據(jù)源，為GBAS系統(tǒng)的歷史場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)、衛(wèi)星系統(tǒng)故障模擬、進(jìn)行GBAS運(yùn)行性能的驗(yàn)證分析和問(wèn)題定位提供了有用的幫助。

[1] 國(guó)際民航組織標(biāo)準(zhǔn)與建議措施（ICAO SARPs）附件10. 航空電信，第I卷無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備[S]. 7版，國(guó)際民航組織，2018.

[2] RTCA DO-253D. 機(jī)載全球定位本地增強(qiáng)系統(tǒng)裝置最低性能標(biāo)準(zhǔn)[S]. 航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)，2017-07-13.

[3] RTCA DO-246E. 基于GNSS精密進(jìn)近局域增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS）信號(hào)在空間接口控制文件（ICD）[S]. 航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)，2017-07-13.

[4] FAA-E-3017. CAT I地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）地面設(shè)施[S]. 美國(guó)運(yùn)輸部聯(lián)邦航空管理局，2009-09.

[5] MH/T 4045-2017. 民用航空地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）地面設(shè)備技術(shù)要求——I類精密進(jìn)近[S]. 中國(guó)民航局，2017-04-01.

[6] MHT4051-2018. 民用航空地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）地面設(shè)備測(cè)試方法——I類精密進(jìn)近[S]. 中國(guó)民航局，2019-04-01.

[7] ED-114B. 支持I類操作的全球?qū)Ш叫l(wèi)星地基增強(qiáng)系統(tǒng)地面設(shè)備最低運(yùn)行性能規(guī)范[S]. 歐洲民用航空設(shè)備組織，2019.

[8] IS-GPS-200K. GPS空間信號(hào)接口控制文件：L1和L2[S]. 2019.

[9] IS-GPS-705F. GPS空間信號(hào)接口控制文件：L5[S]. 2019.

[10] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間型號(hào)接口控制文件——公開(kāi)服務(wù)信號(hào)B1I（3.0版）[S]. 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2019.

[11] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間型號(hào)接口控制文件——公開(kāi)服務(wù)信號(hào)B1C（1.0版）[S]. 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2017.

[12] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間型號(hào)接口控制文件——公開(kāi)服務(wù)信號(hào)B2a（1.0版）[S]. 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2017.

Research and Implementation of GBAS Data Playback System

CHU Yinghong, HU Yaokun, ZHANG Minmin

With the long-term use of the Global Navigation Satellite System（GNSS）Ground Based Augmentation System (GBAS) at the airport, it is necessary to be able to track historical data, simulate satellite system failures, verify and analyze GBAS operational performance and locate problems. How to use the historical data recorded by the GBAS system is a prerequisite for achieving the above functions. A set of data playback system for GBAS original data is implemented, which is convenient for the historical scene recurrence, problem location and performance verification and analysis of GBAS system in the later period.

Ground Based Augmentation System; Data Playback; Time Series; Pulse Per Second

TN967.1

A

1674-7976-(2023)-06-391-04

2023-08-15。

褚映紅（1979.03—），陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)。