衛星導航著陸系統地面站完好性監測研究綜述

呂浩源,張輝,龐春雷,曹海霞,柯益明

(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

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衛星導航著陸系統地面站完好性監測研究綜述

呂浩源,張輝,龐春雷,曹海霞,柯益明

(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

隨著全球衛星導航系統在軍民航空領域的廣泛應用,為有效保障航空安全,對其進行完好性監測顯得尤為重要。完好性監測可分為接收機自主完好性監測和地面站完好性監測。地面站完好性監測是衛星導航著陸完好性監測的主要手段;是研究衛星導航著陸的熱點問題。本文結合衛星導航著陸系統,分析了國內外地面站完好性監測研究現狀,指出了現階段地面站完好性監測存在的問題,并針對問題探討了發展趨勢和研究方向。

衛星導航;著陸;地面站完好性監測;多基準一致性檢測

0　引　言

衛星導航著陸系統具有全天候、全覆蓋和高精度等[1]優點,相對于傳統著陸引導系統還具有受場地影響小、可以靈活設定終端進近航徑等優勢[2],是飛行器精密進近著陸領域新的發展方向。完好性是衡量衛星導航系統的重要性能指標之一[3-4],提高完好性監測水平,為精密進近著陸提供連續有效、安全可靠的著陸數據,對于提高進場著陸安全和機場運行效率具有重要意義。

完好性是指當導航系統的誤差超過允許限值不能勝任規定的導航工作時,系統及時報警,通知用戶或終止此信號的功能[3],它是保障飛行安全的關鍵。受衛星星歷、星鐘誤差[5-6]、電離層[7]和對流層延遲,以及多徑[8-9]和接收機熱噪聲[10]影響,飛機使用衛星導航系統所估計的位置誤差可能超出空域監視所容許的范圍,而飛機對該誤差超限又存在盲視問題,即定位完好問題[11-12];此外,由于衛星信號脆弱和抗干擾能力差等原因,有必要對衛星導航系統進行完好性監測。完好性監測包括地面站完好性監測和用戶端自主完好性監測[13],相比于用戶端自主完好性監測,地面站完好性監測具有自身特有的優勢,這主要是因為地面站監視設備基準站的位置精確已知,可以利用其信息迅速判定可視衛星是否能夠用于導航,而且監測站還可以使用無碼雙頻接收機有效的消除電離層延遲[12],通過對故障閾值的監測和分析可以迅速的監測超差衛星和故障基準站。現階段衛星導航的完好性指標可以較好的滿足航路段的導航需求,但無法滿足完好性指標要求更高的精密進近階段。

本文結合衛星導航著陸系統介紹了地面站完好性監測的關鍵技術和研究現狀,分析目前存在的問題,并基于此,展望了地面站完好性監測及其關鍵技術的發展趨勢。

1　衛星導航著陸系統和地面站完好性監測

1.1衛星導航著陸系統

衛星導航著陸系統[14]是基于全球衛星導航系統的飛機進近著陸引導系統,它由空間段、地面段、機載段以及監控段組成,空間段由GNSS空間衛星組成;地面段由基準接收機、地面處理站以及VDB處理設備組成;機載段由機載接收機、飛行控制及顯示設備組成;監控段由系統監控設備組成。

現階段衛星導航著陸系統大多基于差分定位技術。基本的差分系統[1]就是在一個已經測定的點上安裝接收機作為基準站,它連續的接收衛星導航信號,經過處理得到實時的位置數據,將它與已知數據進行比較,不斷確定當前誤差,產生精確的修正值,然后將這些校正數據送至機載接收機,以便利用這些數據來修正飛機的定位數據,從而提高定位精度和完好性監測水平，如圖1所示。

圖1　衛星導航著陸系統示意圖

1.2地面站完好性監測

地面站完好性監測主要是通過地面監測站來監測衛星的狀況,利用局域差分技術提高定位精度,確保廣播給用戶的誤差修正數不包含危險誤導信息[15]。地面站完好性監測提供的完好性信息輔助機載接收端計算出水平誤差和垂直誤差的保護極限,給出定位結果的可靠性;同時通過對系統自身各部分進行監測,可有效的監測并排除故障。

地面站完好性監測存在的故障主要分為衛星故障和基準站故障,據ICAO于2007年制定的民用航空基于性能導航的路線圖計劃,基于GNSS的民用航空導航完好性監測必須至少能夠支持APV及以上等級所需導航性能要求[16],而僅依靠接收機自主完好性監測是難以滿足要求的[17]。采用高精度的外部輔助導航器件,如慣性導航系統與GNSS組合形成機載增強系統ABAS,但慣導的引入將增加監測的風險源,同時增加機載設備將增加飛行器的能源消耗,與基于性能導航改善環境的初衷是相違背的[16]。由于進近著陸是飛行中極為關鍵的階段,對系統的完好性有著極高要求,所以開展地面站完好性監測具有十分重要的研究價值。

2　國內外研究現狀分析

2.1國外地面站完好性監測研究現狀

1993年Stanford大學初步建立了完整的地面站完好性監測功能模塊和復雜的故障處理邏輯,但只能滿足CAT I的完好性要求。90年代中期MITRE公司的研究人員提出了基于偽距域和定位域[18]兩種不同的監測方法,但這兩種方法也只能滿足CAT I類完好性要求。之后Swider又提出了利用多路徑抑制天線、設置機場偽衛星和基于偽距域向位置域轉化的完好性監測算法[19],來進一步提高精密進近的完好性監測水平,并且提出了通過模塊化地面設備的方法來初步實現滿足CAT IIIb完好性監測的假設。2003年Lee Jiyun研究了LAAS定位域監測技術[20],將LAAS的保護水平性能提高到滿足CAT II的要求。2004年文獻[21]為實現更加優化的機場完好性監測,提出用累積和的方法檢測電離層延遲梯度的影響,通過聯合監測的方法快速檢測故障,并且在此基礎上提出了通過增加地面設備和改進完好性監測算法兩個方面來實現CAT III完好性監測的假設。近年來,完好性監測研究主要集中在消除星歷誤差[6]、電離層異動[7]、消除故障相關性影響[22]等方面。

2.2國內地面站完好性監測研究現狀

國內高校和科研院所也針對衛星著陸系統的特點不斷開展其完好性監測技術研究。文獻[23]對多基準一致性檢測算法進行了研究,分析了衛星仰角對B值的影響,并針對該因素設計了故障檢測閾值;文獻[24]分析了電離層暴和電離層閃爍對完好性監測的影響,通過雙頻技術來消除電離層暴影響,針對電離層閃爍問題,分別從接收機設計和系統設計兩個方面進行了改進。文獻[25]重點分析了多路徑對完好性監測的影響,提出了GPS局域增強系統基準站多路徑抑制消除技術,避免飛機機身和地面物體反射信號所引起的多路徑效應,提高了完好性監測水平和進場安全。

北京航空航天大學王志鵬分別提出了行列判斷法和C值輔助法兩種基于偽距修正量誤差的地面站完好性監測算法,有效的區分了故障的類型[26],之后提出的多接收機局域機場監視系統的完好性算法[27]有效改善了系統的性能和完好性指標。哈爾濱工程大學的相關科研團隊在地面站完好性監測領域取得了一定進展,在分析差分修正誤差的基礎上,提出了新的差分修正誤差標準差膨脹算法,提高了空間信號可用性水平[28];此外,還提出了將接收機完好性監測和地面站完好性監測相結合的研究思路,通過實驗驗證了該方法能初步滿足CAT II完好性要求[29]。基于提高偽距測量精度，空軍工程大學提出了基于自適應Kalman濾波的故障檢測算法,提高了基準站的監測能力,能有效地監測并排除系統故障[30]。

目前國內外有關衛星導航著陸滿足CAT III完好性指標要求的報道較少,主要原因是大部分研究是基于偽距域的多基準一致性監測,這種算法的觀測量選取過于單一,而且多基準一致性檢測不同故障存在相關性干擾,增加故障隔離難度,將降低完好性監測水平,有必要多角度的選取觀測量和創新現有的完好性監測算法。此外,傳統播發差分修正量誤差標準差時,均假設差分修正量誤差滿足零均值的高斯分布,但由于受多徑效應[8-9]、衛星故障[31]和接收機熱噪聲影響[10],修正誤差不僅包含高斯型誤差,而且還包含非高斯型和非零均值誤差,這將會造成用戶端的保護水平大于保護門限,降低系統可用性水平,使得完好性指標難以滿足精密進近CAT III所需的導航性能要求。

3　發展趨勢

隨著各國衛星導航系統的競相發展,著眼不斷提高衛星著陸導航精度和完好性監測服務水平。總體來說,其發展趨勢有以下幾個方面:

1) 提高衛星導航定位精度

在精密進近著陸期間,隨著與著陸點距離的減小,對要求導航性能(RNP)的參數要求越來越高。傳統單純依靠載波相位平滑偽距所得到的測量精度是有限的,這間接制約了差分信息的準確性,降低了飛機著陸的可靠性。利用載波相位差分技術可有效的提高定位精度,從而減少差分信息中接收機的相關誤差,提高機載接收機接收數據的可用性水平。

2) 提高衛星導航著陸系統與其它著陸引導系統的兼容性

通過提高與其它著陸引導系統的兼容性,針對不同的狀況選取不同著陸引導方式,建立備份著陸引導系統,提高著陸引導系統可靠性。由于現階段大部分機場已經安裝了MLS和ILS著陸系統,構建靈活的多系統保障機制將為飛機著陸提供更多可用的數據,同時兼容其它系統將有效改善衛星失鎖情況下的著陸能力,提高系統連續工作能力。

3) 加強對衛星導航著陸系統可用性水平分析研究

傳統衛星導航著陸系統空間信號完好性監測均假設廣播修正值誤差服從零均值高斯分布。然而近年研究發現,受接收機噪聲、多徑效應和各參考站之間相關性的影響,修正誤差不僅包含高斯型誤差,且包含非零均值誤差和非高斯誤差,有必要研究此類誤差對系統可用性的影響。

4) 完好性監測算法的創新和改進

現階段衛星著陸系統多采用多基準一致性檢測[23],該算法一定程度上制約了完好性監測水平的提高,可從觀測量選取和算法創新兩方面提高完好性監測能力。觀測量可由傳統基于偽距域的差分修正向基于位置域的差分修正轉變,同時也可選取不同類型衛星、不同幾何分布衛星進行多基準一致性檢測。可優化基準站布局,引入機場偽衛星等手段提高觀測數據冗余量和精度,創新完好性監測算法,針對不同觀測量選取更加合理的完好性監測算法,可考慮通過引入比例因子合理的控制被監測系統各部分的完好性風險。通過多角度分析數據改進算法,針對不同情況設定自適應的監控閾值,得到更加科學的地面站完好性監測算法。

4　未來研究方向展望

縱觀國內外研究現狀,在定位精度逐漸滿足精密進近各階段要求后,完好性監測指標將成為影響衛星導航精密進近著陸的主要因素。可以預見未來幾年的研究重點將圍繞衛星著陸系統完好性監測展開,集中在以下幾個方面:多衛星導航系統融合的完好性監測研究;基于北斗衛星著陸系統的系統級完好性監測研究;強干擾及惡劣環境下的衛星著陸完好性監測研究。另外,多學科交叉,多種理論應用的地面站完好性監測將發揮重大作用。

1) 多衛星導航系統融合的完好性監測研究

隨著GPS、GLONASS現代化進程的不斷推進和BDS、GALILEO系統建設的順利進行,衛星導航系統的兼容與互操作性已成為全球范圍內衛星導航技術的研究熱點,各國學者普遍認為,多衛星導航系統之間實現兼容是提高導航定位性能的重要途徑。在不久的將來,全球將有四套衛星導航系統,在同一地點可實現多系統同時覆蓋。由于多系統聯合定位具有可用衛星數量多、覆蓋好、定位精度高、可靠性高等優點,越來越多的衛星導航接收機將采用多系統聯合定位的工作模式。

采用多種模式、多頻點的接收機可以大幅度提高可視衛星數目,改善衛星星座的分布,進一步提高接收機的定位精度,在提高硬件工作水平的同時，還應創新現有算法，建立多系統聯合的完好性監測算法，可以根據不同算法的特點，開展基于定位域和偽距域融合的完好性監測算法，輔助設計更加合理的故障檢測閾值，從而有效改善系統完好性監測水平。在提高硬件工作水平的同時,還應創新現有算法,建立多系統聯合的完好性監測算法,可以根據不同算法的特點,開展基于定位域和偽距域融合的完好性監測算法,輔助設計更加合理的故障檢測閾值,從而有效改善系統完好性監測水平。

2) 基于北斗衛星著陸系統的系統級完好性監測研究

2013年,北斗衛星導航系統[32]空間信號接口控制文件和北斗衛星導航系統公開服務性能規范發布后,北斗系統星座和空間信號性能得到了統一規范[33],北斗衛星系統將進入發展的黃金時期。基于此,結合北斗系統異質星座[34]的特點對其完好性進行研究顯得尤為重要,要建立一套完全自主的北斗衛星導航著陸體系。要在研究分析國外衛星系統發展的基礎上,加強對北斗衛星導航著陸系統的系統級的完好性監測,有效提升北斗系統的飛行保障能力,建立我國自主的局域增強系統(LAAS)和廣域增強系統(WAAS);此外還應加強接收機自主完好性監測(RAIM)和地面站完好性監測的融合,在提高定位精度的基礎上,最大限度的提高完好性監測水平。

3) 強干擾及惡劣環境下的北斗衛星導航著陸完好性監測研究

抗干擾能力弱是所有衛星導航系統用戶段最大的弱點,由于電磁環境的日趨惡化和建筑物帶來的多徑影響日趨嚴重,面對可能存在的電磁干擾,開展強干擾及惡劣電磁環境下的完好性監測研究是十分有意義的。在下一代GPS衛星中將采用新的信號體制和點波束技術提高信號強度;GLONASS則通過發射新衛星和改造地面控制段提高抗干擾水平;Galileo采用的PRS信號在衛星發射后是可以改變的,也將有效的提高抗干擾能力。2020年,我國的北斗系統將提供全球導航定位服務。由于無法像GPS系統一樣進行全球布站,也就無法有效的建立布局合理的全球衛星監測站,這將極大影響北斗導航系統自身的完好性。針對現階段機場復雜電磁環境、無人機遠程偵察作戰和海外救援等復雜任務,要求建立一種抗干擾、可便攜投放、易架設的北斗衛星導航著陸系統,該系統應該具有復雜電磁環境下的著陸引導能力,因此加強惡劣電磁環境下北斗衛星導航著陸系統完好性監測研究是十分有必要的。

此外,還應在研究空間信號的基礎上,針對的建立非高斯、非零均值信號的膨脹模型,降低系統的誤警率,提高系統的可用性水平。

5　結束語

隨著全球衛星導航系統和軍民航空的迅速發展,衛星導航著陸將成為我國未來精密進近著陸發展的趨勢。通過對國外衛星導航著陸的研究將有效的指引我國未來北斗衛星著陸系統的建設發展。完好性研究將繼續成為衛星導航著陸領域的研究熱點。

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Review and Prospect of GNSS-Based Landing System Integrity Monitoring

Lü Haoyuan,ZHANG Hui,PANG Chunlei,CAO Haixia, KE Yiming

(Schoolofinformationandnavigation,AirForceEngineeringUniversity,Xi′an710077,China)

With the rapid development of satellite navigation system in military and civilian aviation navigation, integrity monitoring is more important for guaranteeing the safety of flight. Integrity monitoring mainly include RAIM(receiver autonomous integrity monitoring) and ground station integrity monitoring. Ground station integrity monitoring is one of the major methods in precision approach landing and is also the hot research issue in satellite navigation. Combined GNSS-Based landing system, this paper analysis the research status of ground station integrity and point out the existing problem, finally discuss the new trends and future research directions.

Satellite navigation; landing; ground station integrity monitoring; multiple reference consistency check

2015-12-18

國家自然科學基金(批準號:61273049)

V249.3

A

1008-9268(2016)03-0029-06

呂浩源(1991-),男,吉林集安人,碩士生,主要從事衛星導航完好性監測技術研究。

張輝(1974-),男,陜西西安人,副教授,主要從事衛星導航完好性監測技術及飛行校驗研究。

龐春雷(1986-),男,安徽阜陽人,講師,主要從事衛星姿態測定及衛星導航著陸研究。

曹海霞(1984-),女,山東鄆城人,講師,主要從事精密進近著陸研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.007

聯系人： 呂浩源 E-mail: 759874434@qq.com