偽衛星輔助下的北斗GBAS完好性增強技術研究

于 耕，張斌浩，祿韶勇，趙 龍，任武君

(1. 沈陽航空航天大學民用航空學院，遼寧 沈陽 110136； 2. 沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136； 3. 民航西北地區空中交通管理局，陜西 西安 712035)

偽衛星輔助下的北斗GBAS完好性增強技術研究

于 耕1，張斌浩2，祿韶勇3，趙 龍1，任武君2

(1. 沈陽航空航天大學民用航空學院，遼寧 沈陽 110136； 2. 沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136； 3. 民航西北地區空中交通管理局，陜西 西安 712035)

根據機場實施精密導航技術(RNP)的要求，國際民航組織(ICAO)提出地基增強系統(GBAS)，GBAS必將成為未來發展的必然趨勢。但是在復雜的機場環境下，衛星信號易受外界影響和干擾，連續性不足，進而影響GBAS系統完好性性能的實施。因此，本文提出了偽衛星與北斗衛星聯合定位增強GBAS的方法，并從加入偽衛星后的精度因子(DOP)、多參考一致性檢測(MRCC)、完好性等方面進行了對比仿真分析。仿真結果表明，增加偽衛星后的系統精度因子得到了明顯改善(PDOP小于3)，同時提高了完好性性能，能夠為復雜環境下的機場提供GBAS CAT Ⅱ類及以上等級的精密進近服務。

偽衛星；地基增強系統；精度因子；多參考一致性檢測；完好性

Abstract： According to the requirements of precision navigation technology (RNP), the International Civil Aviation Organization (ICAO) proposed the GBAS, which will become the inevitable trend of future development.But in the complex environment of the airport, the satellite signal is susceptible to outside influence and interference, lack of continuity, thereby affecting the implementation of GBAS system integrity performance.Therefore, the method of combining pseudo satellite and BeiDou satellite to enhance GBAS is proposed.The simulation results are compared with the precision factor (DOP), multiple reference consistency detection (MRCC) and integrity of the pseudo satellite.The simulation results show that the precision of the system is improved obviously after the increase of the pseudo satellite (PDOP less than 3),at the same time the new method improves the integrity of the performance,and can provide CAT Ⅱ class and above grade precision access services of GBAS in the airport of sophisticated environment.

Keywords： pseudo satellite;GBAS;DOP;MRCC;integrity

地基增強系統(ground augmentation system，GBAS)是由國際民航組織根據未來導航性能的進一步要求提出的新一代進近方式。且航空無線電技術委員會(RTCA)制定的DO-245A、246D(硬件標準)和DO-178B/DO-278(軟件標準)等設計保障標準為GBAS的研發和設計提供了技術理論支持[1-3]。

近年來很多國家都在大力推進地基增強系統的研發和驗證實驗，旨在未來能夠替代傳統的儀表著陸系統(ILS)，成為飛機著陸的主要引導方式。GBAS是在基于差分定位算法提高定位精度的基礎上，增加一系列完好性監測算法，提高了精度、連續性、完好性、可用性等性能指標。隨著國內外對RNP的進一步推進和我國自主研發的北斗系統(BDS)的全球組網進度的加快，基于BD的GBAS將為我國民航飛機的精密進近提供更好的服務[4-5]。

但是當衛星信號受到外界因素的影響，衛星數目將不能滿足定位要求，造成不能定位解算或信號不連續的狀況。北斗星座導航信號的連續性是影響GBAS性能的重要因素之一。偽衛星系統(pseudo-satellite system，PSS)作為導航衛星的重要補充，能夠有效提高衛星的幾何分布，提高定位精度[6-8]。隨著導航定位精度的提高，B值將會改善，同時系統完好性將會進一步增強，從而為實現GBAS CAT Ⅱ類[9]及以上等級精密進近服務創造良好前提條件。

1 偽衛星與北斗協同定位原理

1.1 偽衛星系統概述

PSS是能夠發射類似于BD導航信號的信號發射系統。根據需求，將PSS信號調制在不同頻率上。導航接收機可以同時接收BD信號和PSS信號，并對用戶的位置進行定位，在信號遮擋嚴重地區，經過偽衛星增強后的DOP減小，定位精度將會得到改善。

1.2 北斗/偽衛星協同定位

BD/PSS定位與BD定位算法類似，BD/PSS是導航衛星系統在機場附近區域的系統重構。因為PSS是處于較低仰角的信號源，所以將其有計劃地布置在機場周圍，可以與BDS實現協同定位服務。

載波相位測距是根據接收機在同一時刻解算的衛星和接收機的相位差來實現的。以周為單位，一周為360°，對應一個載波波長。觀測方程為

ρ′=λ(φi-φj)+N+Δφ

(1)

式中，ρ′為載波相位觀測量；λ為波長；i為衛星編號；j為接收機編號；φ為相位；N為整周數；Δφ為不足一周的部分。

當參考接收機位置(x0，y0，z0)與衛星位置(x，y，z)精確已知時，真實距離的計算為

(2)

將式(1)、式(2)聯立可得

ρ′=ρ+δρ1+δρ2+cδti-cδtj

(3)

式中，δρ1為電離層誤差修正項；δρ2為對流層誤差改正項；δti為衛星鐘差，i為衛星編號；δtj為接收機鐘差，其中j為接收機編號。

用HATCH濾波后的載波相位平滑偽距得

(4)

式中，k為歷元時刻；α為濾波系數；λ為載波波長。

由GBAS地面子系統傳輸給機載用戶的偽距校正量PRcorr為

PRcorr=ρ′-ρ

(5)

偽距校正量主要用于校正用戶位置，實現精密定位。

2 北斗/偽衛星精度因子及改善算法分析

2.1 精度因子

精度因子(DOP)表示系統的誤差放大倍數，在某種程度上，它表征了定位解算的精度。在導航定位解算中，誤差的大小與精度因子有關，而精度因子與衛星的幾何分布有關。因此，若要提高導航定位精度，除了減小影響測量延遲外，還應該減小精度因子。

定位誤差Mv為北斗衛星的精度因子與測量誤差標準差的乘積，即

Mv=DOP·σ

幾何矩陣Ai為

(6)

式中，θi為衛星i的仰角；αi為衛星的方位角。

權系數矩陣為

(7)

式中，Qv為偽距絕對定位中的權系數矩陣；DOP為主對角線元素各組合的平方根。

在站心坐標系中的權系數陣Qv還可表示為

(8)

為了更形象地表示不同的定位誤差，DOP可以分為：位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、垂直精度因子(VDOP)、接收機鐘差精度因子(TDOP)、幾何精度因子(GDOP)。

其中位置精度因子PDOP為

PDOP=(q11+q22+q33)1/2

(9)

2.2 偽衛星對精度因子改善算法分析

當用于定位的衛星數目不足時，增設PSS后可以增加導航衛星的數目，改善衛星的空間幾何構型，從而可以改善幾何精度因子。以下主要分析增加PSS后，對PDOP的改善情況。

假設觀測到的導航衛星數為i，則位置精度因子為

(10)

增加一顆偽衛星后，位置精度因子為PDOPi+1，A矩陣為

(11)

(12)

(13)

式中

(14)

則有

(15)

即

PDOPi+1

(16)

由上述分析可知，在增加PSS的BD導航衛星星座中，衛星的位置精度因子將會得到改善。

3 地基增強系統完好性監測算法

飛行器在使用GBAS進行進近著陸階段飛行時，需要實時接收地面站通過甚高頻廣播(VDB)傳輸來的偽距校正量、B值等完好性信息；并通過完好性算法計算出VPL(垂直保護級)，與VAL進行比較，判斷是否滿足GSL(GBAS服務水平)相應的服務等級要求，當LP(保護級水平)超出AL(告警極限)時，機載系統給予報警提示，飛行員進行降落或復飛操作。流程如圖1所示。

圖1 GBAS工作流程

3.1 多參考一致性檢測

多參考一致性檢測(multiple references consistency check，MRCC)算法中的B值是一種對偽距校正量誤差的極大似然估計，它是GBAS中完好性監測的一部分[10]。RTCA 245A、RTCA 246D及FAA-E-2937等文檔中都有對B值的相關介紹。B值主要用于對多個參考接收機與各顆衛星的偽距測量值的一致性進行有效監測。通過對多個參考接收機計算的偽距校正量進行監測，可以有效識別由于接收機故障造成的較大誤差，并排除錯誤數據，以保證GBAS系統可靠性。

(17)

由式(17)可以看出，B值大小與偽距校正量成正比，當定位精度較大時會導致偽距校正量的幅值變化較大，從而引起B值變大。

3.2 機載完好性監測算法

GBAS中最終的VPL由無故障H0假設下的VPL與有一個接收機故障假設下的VPL的最大值決定。它是導航系統誤差(NSE)的最優估計值。

VPL=max{VPLH0,VPLH1}

(18)

當H0假設成立時

(19)

式中，Kffmd為無故障漏檢概率系數。

當H1假設成立時

VPLH1=max{VPLj}

(20)

VPLj=|Bj,vert|+Kmdσvert,H1

(21)

式中，Kmd為漏檢系數，當有一個參考接收機故障時，由誤警率與接收機數量確定。

(22)

式中，Bi,j為第i顆衛星和第j個接收機計算的B值。

4 數據仿真與分析

仿真數據為在某民用機場進行，采用載波相位高精度導航接收機搭建的GBAS平臺采集的試驗數據。試驗中地面站采用3個參考接收機，按等邊三角形分布于機場區域內，間隔100 m。數據采集時間為上午9：00—10：00，選取2000 s的數據作為采樣數據進行仿真。試驗中在機場模擬加入PSS并對其加入前后的GBAS系統的DOP、B值、VPL進行系統仿真與對比分析。

4.1 精度因子分析

表1描述了北斗1號、2號、4號、10號衛星的初始方位角、仰角，以及在機場周邊布置的偽衛星的方位角、仰角。

表1 初始方位角、仰角 (°)

為了驗證加入PSS后對DOP的改善，對衛星數量較少(僅有4顆導航衛星)以及加入PSS后的DOP進行比較，如圖2—圖4所示。

圖2 僅4顆北斗衛星時的DOP值

圖3 4顆北斗衛星和1顆偽衛星定位時的DOP值

圖4 4顆北斗衛星和2顆偽衛星定位時的DOP值

通過對比圖2—圖4可以看出，當空間中只有4顆衛星時，雖然可以滿足定位的條件，但是由于北斗衛星的幾何構型不滿足精確定位的要求，導致DOP值穩定性較差，最大值均超過1000，這種情況將會造成很大的定位誤差，導航定位結果不可用。當空間中有4顆衛星，同時增加一顆PSS時，DOP值明顯改善。當增加兩顆PSS后，DOP值逐漸實現最優的定位要求，即PDOP≤3的情況。仿真證明，增加偽衛星可以改善北斗衛星星座的幾何構型，減小DOP值。

4.2 B值分析

為了證明參考接收機定位精度對MRCC的B值幅值的影響，研究了在分別加入1顆偽衛星和2顆衛星時，對北斗1號衛星分別對應3個參考接收機得出的B值進行對比分析，結果如圖5、圖6所示。

圖5 4顆北斗衛星和1顆偽衛星定位時的B值

圖6 4顆北斗衛星和2顆偽衛星定位時的B值

加入2顆偽衛星后，與加入1顆偽衛星相比，由于增加了空間可用衛星的數量，隨著DOP值減小，提高了衛星的定位精度。由B值計算可知，B值大小與偽距校正量變化成正比，當定位精度提高時，相應的偽距校正量減小，從而使多B值得到進一步優化，MRCC性能提高。

4.3 VPL值分析

由于在飛機進近著陸過程中垂直保護級(VPL)比水平保護級(LPL)、橫向保護級(HPL)具有更高的安全性能要求，因此本文的仿真只針對VPL進行分析。

由圖7—圖8的結果可以看出，當加入1顆偽衛星時，VPL峰值大于10 m，導致垂直保護級(VPL)不能滿足ICAO(國際民航組織)要求的GLS(GBAS服務水平)關于CAT I類精密進近的VAL(VAL≤10 m)。加入2顆偽衛星后，由于導航定位誤差減小，相應的B值得到改善，使得VPL小于5.3 m，達到了CAT Ⅱ類進近標準，完好性性能得到了提高，滿足了機場對于精密導航技術(RNP)的風險指標要求。

圖7 4顆北斗衛星和1顆偽衛星定位時的VPL值

圖8 4顆北斗衛星和2顆偽衛星定位時的VPL值

5 結 論

本文在分析了偽衛星、GBAS系統的基礎上，研究了在導航衛星數量不足的情況下增加偽衛星輔助提高北斗GBAS可用性理論，并從DOP、B值、VPL算法入手，進行了系統仿真。通過仿真對比，可以看出在周邊環境復雜的機場條件下，導航衛星數量不足，幾何構型較差。在加入具有良好空間分布的偽衛星后，一定程度上減小了DOP值，提高了導航定位精度，改善了MRCC檢測性能，同時使得VPL值能夠達到在機場實施CAT Ⅱ類精密進近所滿足的完好性和可用性性能。

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ResearchonBeidouGBASIntegrityEnhancementTechnologyBasedonPseudoSatellite

YU Geng1,ZHANG Binhao2,LU Shaoyong3,ZHAO Long1,REN Wujun2

(1. College of Civil Aviation, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China; 2. College of Electronic and Information Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China; 3. Northwest Civil Aviation Air Traffic Management Bureau, Xi’an 712035, China)

P228.4

A

0494-0911(2017)09-0001-05

2017-01-18

國家自然科學基金(60939002;61151002;U1433115)；中航工業產學研協同創新專項(CXY2012SH16)；中國航天科技集團公司衛星應用科研創新基金(2014_CXJJ-TX_12)

于 耕(1973—)，男，博士，教授，研究方向為空中交通管理與航空移動通信。E-mail：yug@sau.edu.cn

張斌浩。E-mail：1287563325@qq.com

于耕，張斌浩，祿韶勇,等.偽衛星輔助下的北斗GBAS完好性增強技術研究[J].測繪通報，2017(9)：1-5.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0275.