海基精密進近完好性監測體系與算法

李曉宇，鄭 坤，楊 洋，王 軍

1. 裝備學院，北京，101416；2. 北京衛星導航中心，北京，100094

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海基精密進近完好性監測體系與算法

李曉宇1，鄭 坤1，楊 洋2，王 軍1

1. 裝備學院，北京，101416；2. 北京衛星導航中心，北京，100094

基于GNSS的飛機精密進近著陸系統，除了要提供高精度的導航信息，還必須具有很高的完好性。海基精密進近對完好性有更嚴格的要求。本文研究了海基精密進近完好性監測的體系結構和處理流程，基于各異常監測模塊和執行邏輯功能模型，對比分析了各模塊對完好性監測的影響，給出了機載端保護限值計算方法。通過分析進一步完善了海基完好性監測的體系架構，展望了其應用前景。

海基精密進近著陸系統; 完好性監測；異常監測模塊；機載保護限值

1 引 言

隨著全球導航衛星系統GNSS的建設發展，FAA、ICAO等一些民航組織認為GNSS是用于民用航空導航的核心方法和手段。為了滿足民用航空末端導航和著陸階段導航的性能需求，建立了星基增強系統和地基增強系統[1]。為了將DGPS 用于Ⅱ類、Ⅲ類精密進近，FAA 建立了GPS 的局域增強系統(Local Area Augmentation System, LAAS)和廣域增強系統(Wide Area Augmentation System, WAAS)，以改善GPS 的精度、完好性、服務的連續性和可用性，提高系統的導航容量和可靠性。

在GNSS著陸系統的應用中，美軍目前正在實施類似LAAS的聯合精密進近著陸系統(Joint Precision Approach and Landing System, JPALS)。JPALS是由美國國防部牽頭，聯合海軍、空軍、陸軍等共同推進的軍用高精度精密進近著陸系統。該系統通過增強GPS信號以滿足美軍軍用飛機著陸/著艦引導質量要求[2]。JPALS 系統的目標是建設一個精確的、可快速部署的、抗天氣和地形影響、易存活、易維護、具有互操作性的差分GPS 著陸系統，支持陸基著陸階段和艦基全飛行階段運行，支持CAT I/II/III 精密進近[3]。

根據美國空軍和海軍的不同需求，JPALS 發展了陸基(Land-based)和海基(Sea-based)兩個不同的系統。海基型采用雙向UHF數據鏈通信模式，著艦垂直精度優于0.3 m，滿足航空母艦著艦引導精度要求；陸基型地面站又包括軍用機場(配備JPALS系統)和民用機場(配備陸基增強系統(GBAS)系統)。軍用陸基型地面站可以兼用單向UHF加密數據鏈和單向VHF不加密數據鏈，給進近的飛機發送差分GPS誤差修正數據；民用機場只采用單向VHF不加密數據鏈通信，向進近的飛機發送差分GPS誤差修正報文[4]。

在JPALS的研究中，文獻[5]分別介紹了海基JPALS和陸基JPALS的性能需求、系統架構，并分析了二者的差異性。Dogra S[6]給出了海基JPALS的數據處理流程，詳細分析了基于RTK的精密相對定位算法以及整周模糊度求解算法，采用仿真方法進行驗證；Brown A[7]在分析海基JPALS以及陸基JPALS框架的基礎上，給出了性能仿真模型。還有學者分別就JPALS中的信道選擇[8]、天線相對運動[9]以及整周模糊度求解[10]中的完好性監測相關問題進行了分析。

本文主要針對在導航性能需求中，對安全性有嚴格要求的海基精密進近的完好性監測問題展開研究，分析了海基精密進近完好性監測的體系結構、各異常監測模塊的功能模型以及機載端保護限值的計算方法。

2 海基JSIM體系結構

與陸基精密進近相比，海基精密進近為了滿足高精度、完好性的需求，它采用實時動態載波相位觀測量，因此，整周模糊度的快速求取以及周跳的探測修復是高精度和高完好性的基本保證。在海基精密進近著陸中，采用寬巷實數域平滑算法求取寬巷模糊度以及L1/L2模糊度的整數解，求得的整數解還要通過H0無故障進行確認[11]。

海基精密進近著陸系統的完好性監測包括兩部分[12]：一是艦基端完好性監測系統JSIM(JPALS Sea-based Integrity Monitor)；二是機載完好性監測系統，兩者相結合完成整個系統的完好性監測。JSIM原理與陸基JLIM基本相同，但區別在于由于艦船的移動使得海基JSIM更為復雜，因此需要考慮艦體移動誤差、變性誤差、虛擬參考點誤差，此外還要考慮實時保持天線陣列相對位置的固定與相對一致性等。JSIM的改進辦法是在每個天線單元安裝慣導單元，采用GNSS/INS超緊組合方案估計天線相位中心的相對位移，這種能力是陸基JLIM不具備的。在艦基端通過GNSS接收機與慣導設備的組合觀測量，采用改進RAIM算法檢測與識別故障。

海基精密進近著陸在數據處理中采用寬巷RTK算法，艦載機在進近著陸過程中接收艦基端發播的原始觀測量、寬巷組合觀測值以及相應估計的誤差范圍。機載完好性監測系統主要在機載端完成。其中，空間信號完好性監測在射頻前端完成，負責監測射頻干擾、多徑等誤差信息；測距域完好性監測主要通過對GNSS/INS組合觀測量進行故障檢驗和排除；模糊度域完好性監測通過對整周模糊度解算的成功率進行監測，保證解算的正確性。

JSIM完好性監測由一系列完好性監測模塊和算法組成[13]，它對不同形式的故障和異常情形進行監測，這些模塊共同作用，確保故障消除后的觀測量繼續用于差分以及平滑數據的計算中。海基JSIM進行完好性監測體系結構如圖1所示[14]。

圖1描述了JSIM完好性監測體系結構，從圖中可以看出，JSIM完好性監測由不同的模塊組成：包括空間信號接收和解碼模塊、慣導增強模塊、信號質量監測模塊、數據質量監測模塊、觀測質量監測模塊、空間環境完好性監測評估模塊、多參考站一致性檢驗模塊、電文參數合理性檢驗模塊以及執行邏輯模塊等。以下主要對JSIM完好性監測各個模塊的流程和算法進行分析。

圖1 JSIM完好性監測體系結構

3 JSIM完好性異常監測模塊分析

3.1 信號質量監測

信號質量監測(Signal Quality Monitoring, SQM)模塊主要側重信號層面、負責探測GPS測距信號異常，包括GPS衛星本身信號異常和本地環境干擾異常，如來自GPS衛星本身或從本地干擾源，包括信號本身的反射而產生的異常信號。SQM監測主要包括三個方面：(1)相關峰對稱性檢驗；(2)信號功率檢驗；(3)偽碼-載波偏差檢驗。

SQM還可以通過信號功率檢驗接收機載噪比分析來判斷信號強度是否削弱。當接收到信號的載噪比低于閾值，則在一定程度會增加完好性風險概率。對于每一個信道的C/NO計算如下：

(1)

式中，C/N0表示載嗓比，K表示歷元。

3.2 數據質量監測

數據質量監測(Data Quality Monitoring, DQM)模塊主要負責確保衛星導航數據的準確性，通過跟蹤站來檢驗每顆GPS衛星的星歷和時鐘數據。

當一個衛星首次對跟蹤站可見時，由于不存在先前的衛星星歷，DQM開始驗證新接收的星歷。當至少有兩個接收機解碼相同的導航數據時，DQM模塊才開始進行檢驗處理。DQM驗證包括幾種不同的方法：一種方法是，對于新的星歷數據，DQM以5分鐘的時間間隔比較未來6個小時的星歷數據和歷書數據；另外一種方法是Ye-Te檢驗。這種方法通過計算兩個周期衛星之差來檢驗新入觀測弧段衛星星歷的正確性。

3.3 觀測量質量監測

觀測量質量監測(Measurement Quality Monitoring, MQM)模塊主要針對觀測量異常情況進行監測，包括觀測量異常中的接收機異常和星鐘異常。該監測模塊主要通過檢驗相近歷元偽距與載波是否具有一致性來實行。MQM主要包括三部分：接收機鎖定時間檢驗、載波加速步長檢驗、載波相位平滑偽距(Carrier-Smoothed Code, CSC)新息檢驗。其中，接收機鎖定時間檢驗不會生成異常標識，但會對存儲載波加速步長檢驗所使用的載波相位值緩沖區重新初始化；載波加速步長檢驗與載波相位平滑偽距新息檢驗均可以在檢驗超限時生成異常標識。

3.4 執行邏輯Ⅰ

以上對信號質量監測、數據質量監測以及觀測質量監測模塊進行了分析，每個監測模塊檢測不同的故障或異常因素，并用相應的異常標識來標明對應信道觀測量的相應狀態。對異常標識為“不可用”的信道，JSIM進行多步的邏輯判定，對故障信道進行定位。第一個階段針對SQM、DQM、MQM產生的異常標識進行分析，稱為執行邏輯Ⅰ(Executive Monitoring Logic,EXM-Ⅰ)。通過EXM-Ⅰ階段分析后，觀測值進入第二階段的處理。

EXM-I在多個質量監測模塊下運行，采用相對保守的方式保障用戶。它分兩步進行：“排除”和“包含”。在“排除”環節主要是排除故障信道；EXM-Ⅰ的“包含”部分主要選擇哪些信道在MQM模塊中計算接收機鐘差修正，這些被選擇的信道統稱為“共用集合”。

3.5 多參考站一致性檢測

多參考站一致性檢測(Multiple Reference Consistency Check, MRCC)主要采用基于B值的統計檢驗方法檢測接收機故障。對每一個信道，通過相同的方法計算載波相位和偽距改正數的B值。利用衛星高度角和接收機數量的函數計算各自閾值，將載波相位和偽距計算的B值與閾值進行比較，判斷是否存在故障。與LAAS 不同，艦載GPS相對定位中B值的方差由四個部分組成：觀測誤差、杠桿臂誤差、姿態誤差和原始最小二乘定位誤差。

MRCC檢測的最后流程是進行故障信道的識別和隔離。在差分改正數計算之前排除故障，此過程稱為“EXM-Ⅱ預處理”過程。算法根據值Status的大小來進行故障的判定：若Status=0，則說明所有信道均無故障；若Status=2，則說明最大Bρ和Bφ對應不同的信道，對于該情況需要在“EXM-Ⅱ”模塊中進一步分析；若Status=lor3，則說明該信道存在故障，生成故障標識后排除最大B值對應的信道，返回Status。

3.6Sigma-Mean監測

σ-μ監測算法的目的是檢測改正誤差是否符合高斯白噪聲分布，一般用MRCC中產生的B值進行約束，主要采用基于B值的σ異常監測算法。艦載設備向用戶發播改正數誤差范圍的改正數，誤差范圍限定正常情況下的系統隨機誤差，若系統隨機誤差異常時，用戶實際的σ可能會大于艦載端發播的σPR_ship，為了保證系統的完好性，需要對該情況及時排除。σ-μ監測算法主要包括：基于B值σ開方監測算法及給予B值σ累積和的監測算法。

3.7 電文參數合理性檢驗(MFRT)

電文參數合理性檢驗(Message Field Range Test, MFRT)是最后階段的監測，它確保平均的偽距校正幅度小于75m，平均偽距校正率小于0.8m/s，它同時檢驗了校正數和校正率。對校正率的檢測和約束是在應用時對實際改正數提供完好性的有效保證。

3.8 執行邏輯II(EXM-II)

EXM-I主要負責排除故障觀測量信道，它并沒有為后續的監測提供共用衛星集合。EXM-Ⅱ負責后續監測的分析、排除故障信道產生新的共用集合。后續監測模塊包括MRCC監測模塊、監測模塊以及MFRT監測模塊。MRCC通過循環檢驗進行“EXM-Ⅱ預處理”。與EXM-Ⅰ類似，EXM-Ⅱ確定一組共用集合，去除每個觀測量的接收機鐘差。經過迭代處理后EXM-Ⅱ檢驗結束，將偽距校正和偽距校正率廣播給用戶。

質量監測模塊與EXM必須共同工作來識別、隔離和排除故障信道，以保證最小化危險誤導信息(HMI)產生的概率。最后，VHF數據廣播(VDB)鏈路通過硬件和算法將改正數發播給航空用戶。表1給出各個異常監測模塊監測模式、重要程度、對艦船天線移動和環境影響的敏感度。

表1 JSIM各監測模塊影響分析

監測故障模式重要程度艦船移動敏感度天線移動敏感度艦載環境影響信號質量監測信號畸變中等很小中等高信號功率射頻干擾、多徑、低信號功率高很小小高數據質量監測導航數據中等很小很小無載波觀測質量監測星鐘誤差/射頻干擾/接收機跟蹤高高高很小觀測質量新息監測星鐘誤差/接收機碼跟蹤故障中等中等中等很小MRCCB值監測單接收機故障高很小高中等σ-μ監測差分改正數誤差分布異常中等很小高中等電文參數監測星歷誤差中等中等小很小

與陸基精密進近相比，海基精密進近受艦船移動、接收機運動以及艦載環境更為復雜等因素的影響，使得JSIM監測要求更高，但不同監測模塊功能不同，對這些影響因素的敏感度也不盡相同。從表1可以看出，各個監測模塊中，信號功率監測模塊、載波觀測量質量監測及MRCC監測相對于JPALS重要程度更高；載波觀測量質量監測影響對艦船移動的敏感程度最大；天線的移動對載波觀測量質量監測、MRCC監測以及σ-μ檢測敏感程度更高；而信號質量監測和信號功率監測對艦載環境影響更為敏感。

4 機載保護限值計算

在機載處理時，GNSS觀測量要結合艦基端差分改正數和對流層改正數，采用加權最小二乘的方法進行計算。

(2)

得到接收機坐標后可用來計算殘差向量。對于主天線m以及可視衛星n：

(3)

通過所有可視衛星N的平均可得到扣除接收機鐘差的改正數：

(4)

通過所有艦載接收機的平均可以得到最終改正數：

(5)

最終改正數包括對流層、電離層延遲、艦載接收機位置誤差等，與其他噪聲誤差一起計算得到σship。

機載位置估計的改正向量計算如下：

(6)

其中，H為衛星視線方向的幾何矩陣，W是基于廣播σship和σair的加權矩陣，y是觀測殘差向量。

通過迭代使改正向量最小化，通過幾何矩陣和加權矩陣計算協方差矩陣P：

P=SW-1ST

(7)

采用協方差矩陣在三個方向的不確定性來計算保護限值。基本垂直保護限值如下：

VPL=Kffmd(σvert+σverttanθ)

(8)

其中，θ是下滑角，Kffmd是無故障漏檢概率對應的比例因子。通過艦船穩定的參考位置可以計算相對位移。海基完好性保護限值的計算還要考慮垂直方向不確定傳播數據鏈路中斷問題。

5 結 論

海基精密進近完好性監測體系結構是由不同功能的完好性監測算法和執行邏輯組合而成，對衛星導航系統的各種故障和異常威脅進行有效監測；它們共同作用，對系統異常進行探測、定位和隔離，并確保消除故障后的觀測量繼續用于差分數據的計算。本文研究了海基精密進近完好性監測的體系結構和處理流程，基于各異常監測模塊和執行邏輯功能模型，對比分析了各模塊對完好性監測的影響，給出了機載端保護限值的計算方法。 通過分析進一步完善了海基完好性監測的體系架構，展望了其應用前景。

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Integrity Monitoring and Algorithm for Sea-based Precision Approach and Landing System

Li Xiaoyu1，Zheng Kun1，Yang Yang2，Wang Jun1

1.Equipment Academy, Beijing, 101416 2.Beijing Satellite Navigation Centre, Beijing, 100094

In addition to the high accuracy of navigation, high integrity is also a key performance for the precision approach and landing system based on GNSS. The sea-based precision approach has more strict requirements for the integrity monitoring in military operation. Firstly, this paper studies the architecture and processing flow of sea-based precision approach integrity monitoring. Then, according to the variety of anomaly monitoring and executing logics, the paper compares and analyzes the impact of each model on the integrity monitoring, and it presents an algorithm for airborne protection limit. Finally, the paper improves the architecture of sea-based precision approach integrity monitoring and gives a perspective to the application prospect.

sea-based precision approach and landing system; integrity monitoring; anomaly monitoring; airborne protection limit

2015-03-06。

李曉宇(1987—)，男，博士研究生，主要從事衛星導航與完好性監測方面的研究。

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