地基增強系統GBAS在精密進近中的應用分析

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摘 要：北斗地基增強系統GBAS作為我國自主研發的導航系統，已經完成基本系統的研制建設，具備為用戶提供廣域實施米級、分米級、厘米級和后處理毫米級定位精度的能力。本文在分析基本加固系統的完整性及相關理論知識的基礎上，結合民航未來發展應用，將理論知識通過計算和相關過程直接表達，對系統完整性理論進行了充分探索，為今后提高民航導航系統的安全性和可靠性鋪平道路。

關鍵詞：GBAS;地基增強系統;進近著陸;衛星導航

中圖分類號：TN967.1 文獻標識碼：A

0 ----前言

美國GPS定位系統，俄羅斯GLONASS系統，中國北斗衛星導航系統和歐盟伽利略定位系統被公認為是全球四大衛星導航系統。目前，我國民航航班在滿足精度、完整性、連續性、可用性等導航性能要求的定位中使用GPS定位。隨著我國北斗衛星導航系統的日趨成熟，民航事業意識到國際變化，或將及時更新衛星導航定位系統。這一改變將有效促進我國民航及相關產業發展，提高空域資源使用率，降低飛行成本，提高飛行速度和質量[1]。使用由我國自主研發的以GBAS為代表的地基增強系統，不僅可以促進民航事業和經濟發展，更在保障國家戰略安全方面起著至關重要的作用。北斗衛星導航系統把差分技術作為提高精度的最重要途徑。北斗國家級增強系統一般采用差分技術和精密點定位技術，省級增強系統一般采用實時網絡RTK技術[2]。地基增強系統GBAS精度預期能達到Ⅲ類著陸水平，現在已經可以達到Ⅰ類水平，完好性和連續性滿足Ⅰ類的要求[3]。

1 北斗系統應用的基本概述

1.1 定位方程

北斗系統為用戶提供了兩種測量方法：一種是偽距測量，偽距（PR）指的是由于衛星鐘、接收機鐘的誤差以及無線電信號經過大氣層（電離層和對流層）的延遲，實際測量出的距離與衛星到接收機由星歷確定的幾何距離R存在誤差，因此稱測量出的距離ρ為偽距（ρ偽距=R+Δρ）。偽距值是傳播時間和光速的乘積，也就是說，所測量的衛星到用戶的距離，是通過記錄衛星信號傳播到用戶所經歷的那段時間，再乘以光速所得（ρ偽距=C·Δt）。

1.2 北斗系統用于精密進近的導航性能需求

在飛行過程中，精密進近是整個過程中最為關鍵的階段，表1描述了精密進近的三個階段：CATⅠ、CATⅡ和CATⅢ，精密進近是三個階段所要求的導航性能（RNP），飛行員或飛機必須在決斷高度作出重要決策，繼續或停止著陸，取決于跑道可視區域（RVR）在適當的決斷高度，由于北斗系統的定位精度高于垂直方向，垂直方向的完整性更難實現[5]。因此，本文主要以豎向保護為研究對象。

為了提高飛行中飛機的安全性，當其位置故障超過一定限度時，飛機導航系統應發出警報。我們稱這個邊界為警戒邊界。因此，水平方向稱為水平報警邊界（HAL），垂直方向稱為垂直報警邊界（VAL），左右方向稱為橫向報警限值（LAL）。導航系統的故障必須在該區域內進行調節，水平方向為水平保護水平（HPL），垂直防護等級（VPL）和左右方向被指定為橫向防護等級（LPL），導航系統的定位精度決定了其防護等級。

1.3 完好性概念

完整性是指當系統因錯誤而不能用于導航定位時，能夠及時向用戶發出報警的能力，完整性是一個重要參數，確保用戶安全和導航系統所提供信息的可信性。北斗基礎增強技術的完整性監測如下：

平滑濾波技術：實時高精度載波相位消除了電離層和對流層對平滑濾波的影響，同時降低了觀測噪聲。實際觀測值，即計算保護度，形成誤差包絡，實施完整性保護[6]。

2 基于民用航空的計算模型

GBAS完好性計算：

我們知道，只有當保護級小于告警極限時，在防護等級低于警戒限值的情況下才能用于導航[7]。對于地基增強系統而言，它最重要的作用是能夠減少定位誤差，并實時提供定位誤差的邊界，稱這些邊界為保護級，我們只研究VPL和LPL。即垂直方向的定位誤差的邊界稱為垂直保護級（VPL），左右方向的定位誤差的邊界稱為橫向保護級（LPL）。

假設：對于正常測量，即所有參考裝置和源都能正常工作，垂直保護水平和水平保護水平的定義公式確定如下：

式中：

結合偽距測量誤差公式由誤警率和接收機的數目確定的已知系數--。

其中。

m【i】地面參考接收機的數量，該接收機是用來測量第i顆衛星和第j個接收機差分修正的偽距的。

表示由第i顆衛星的偽距誤差推導出的x方向的定位誤差分量;表示由第i顆衛星的偽距誤差推導出的y方向定位誤差分量;表示由第i顆衛星的偽距誤差推導出的z方向定位誤差分量;GPA表示最終進近航路的下滑角;N表示用于定位的衛星的數量;i表示第i個用于定位的衛星;加權的最小二乘投影矩陣S定義為：

式中：Gi=[cosElicosAzicosElisinAzisinElil]-G的第i行。

3 完好性仿真

為了評估GBAS是否存在完整性風險，對保護級別進行了定性分析。如果防護等級能將位置誤差控制在其范圍內，即防護等級低于警戒限值，則計算出的防護等級是可信的。然后就可以評估系統的完整性和可用性。

如果使用12顆衛星進行完整性模擬試驗，則樣本數據應為50小時內所有可見衛星的數量，這些衛星的高度角應大于5度（包括每顆衛星的方位角和高度角）。由圖1試驗中可知，北斗衛星星座中參與計算的衛星個數最多為12顆，最少為5顆，因此，滿足至少4顆衛星才能定位的要求。

3.1 衛星及參考接收機均無故障時的仿真試驗

假設12顆衛星均無故障，參考接收機也無故障。

結合可見衛星數（圖1）分析得出：在衛星和參考接收機正確的前提下，北斗系統滿足CATⅠ精密進近著陸要求（即VPL<10 m），但不滿足CATⅡ和CATⅡ的要求（即VPL<5.3 m），如果將樣本數據與仿真圖進行比較，我們可以看到，可見衛星數量越多，VPL值越小。相反，可見衛星數量越少，VPL值越大。例如，如果衛星數全部可見，即12顆可見衛星，則VPL最小，說明垂直定位精度較高，測量誤差較小;此外，對于相同數量的衛星，VPL值不能相同，因此它也與衛星的幾何分布有關。

3.2 結果分析

（1）如果衛星和參考接收機沒有故障，系統可以滿足CATⅠ精密進近（VPL<VAL）的要求，但不能滿足CATⅡ和CATⅡ的要求，說明基于北斗的地面加固系統完整性好，可以使用;如果地面參考曲線出現故障，則系統無法實現精密進近，完整性較差，系統不可用。

（2）VPL值與可見衛星的數量有關系。可見衛星數量越多，定位精度越高，誤差越小，VPL值也就越小;相反，可見衛星數量越少，定位精度越低，誤差相對較大，VPL值也就越大。

4 結束語

本論文以北斗地基增強系統GBAS完好性監測關鍵技術為主要研究目的，以完好性監測技術為核心進行介紹。通過對GBAS完好性的詳細講解，研究了以VPL為指標的算法，對北斗衛星導航在不同情況下進行了仿真及結論分析。為地基增強系統GBAS在精密進近中的應用提供理論依據。

參考文獻：

[1]鄭金華，楊明，王曉旺.地基增強系統（GBAS）飛行驗證方法研究[J].現代導航，2011（5）：313-320.

[2]李斌，楊明.一種多系統地基增強系統（GBAS）B值的分析與處理技術[C].第四屆中國衛星導航學術年會論文集-S5衛星導航增強與完好性監測，2013.

[3]覃坤，孫淑光.BD-Ⅱ在民航PBN中的應用[D].中國民航大學，2011.

[4]鄭金華，任小偉，李斌，等.地基增強系統（GBAS）中對流層修正方法研究[C].第四屆中國衛星導航學術年會，2017.

[5]張也.論GBAS技術在中國民航的應用[J].數字技術與應用，2019（9）：63-65+67.

[6]程松.Ⅲ類GBAS發展現狀和趨勢[J].電子技術與軟件工程，2019（12）：127-128.

[7]王瀛東.北斗衛星地基增強系統完好性監測技術研究[D].沈陽航空航天大學，2016.