衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（七）

+ 劉天雄

3.2 地基增強系統(tǒng)

3.2.1 工作原理

地基增強系統(tǒng)（GBAS）通過多個位置確定的地面參考站監(jiān)測導(dǎo)航信號，同時監(jiān)測電離層和對流層等空間天氣對導(dǎo)航信號傳播時延的影響，生成導(dǎo)航信號的差分改正數(shù)和系統(tǒng)完好性信息，再由一部或多部地面發(fā)射機將增強信息播發(fā)給用戶。GBAS通常都是對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的局部區(qū)域增強，利用差分技術(shù)，計算衛(wèi)星導(dǎo)航信號的局域改正值以提高系統(tǒng)定位精度，同時通過完好性監(jiān)視算法，給出系統(tǒng)的完好性信息。GBAS主要用于對實時定位精度和信號完好性指標較為苛刻的民航導(dǎo)航，為機場范圍內(nèi)提供精密進場、離場程序、和終端區(qū)作業(yè)服務(wù)，滿足民用航空精密進近和著陸引導(dǎo)對定位精度、完好性和可用性的要求。

在民航飛機著陸和精密進近過程中，針對GNSS信號缺乏實時、快速的閉環(huán)健康監(jiān)控手段，國際民航組織ICAO定義的GBAS是解決引導(dǎo)飛機精密進近過程中衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，特別是完好性指標不滿足系統(tǒng)要求的問題，鑒于GBAS服務(wù)區(qū)域十分有限，美國聯(lián)邦航空管理局將GBAS稱為局域增強系統(tǒng)（Local Area Augmentation System，LAAS）。

GBAS一般利用甚高頻（very high frequency，VHF）無線電地面通信鏈路向用戶播發(fā)差分改正數(shù)和完好性信息，服務(wù)范圍一般為30～50km。甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VHF data broadcast，VDB）信息類型有信息類型1（MT1）、信息類型2（MT2）和信息類型4（MT4）三種，MT1主要包含可見衛(wèi)星的差分信息，用于消除導(dǎo)航信號受到衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)影響、電離層延遲影響、大氣層影響和多路徑效應(yīng)引起的飛機位置誤差，從而使飛機位置偏差減小到1～2m甚至更低，RTCA/D0-246D給出MT1數(shù)據(jù)格式如表6所示。

MT2主要包含地面參考點數(shù)據(jù)，用于計算由于飛機位置與地面參考基準站位置不同而引起的電離層延遲和對流層延遲殘余誤差，此類誤差不能由MT1的差分信息來消除，RTCA/D0-246D給出的MT1數(shù)據(jù)格式如表7所示。

MT4用于引導(dǎo)飛機的進近著陸階段，包含飛機最終的最后進近段FAS數(shù)據(jù)和下滑角度信息，下滑角度一般為3°，同時定義了機場跑道的經(jīng)緯度信息，用于計算飛機到機場跑道的距離，飛機根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)以及MT1信息和MT2信息可以獲得精確的位置信息，通過與MT4信息中的FAS數(shù)據(jù)對比，可以得到相對于理想的最后進近段FAS的水平和垂直方向的偏差，此偏差可以實時顯示在飛機駕駛座艙的主顯示器中，同時飛機著陸系統(tǒng)將次偏差信號送給自動駕駛系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)，從而控制飛機使其沿著理想的最后進近段FAS安全著陸，RTCA/D0-246D給出的MT1數(shù)據(jù)格式如表8所示。

表6 地基增強系統(tǒng)GBAS信息類型1數(shù)據(jù)格式（部分）

表7 地基增強系統(tǒng)GBAS信息類型2數(shù)據(jù)格式（部分）

表8 地基增強系統(tǒng)GBAS信息類型4數(shù)據(jù)格式（部分）

目前，美國GPS的LAAS系統(tǒng)已實現(xiàn)民航的I類精密進近（CAT-I）要求，即水平16m、垂直4～6m的定位精度，告警時間2s，允許的完好性風(fēng)險2*10-7/進近，并已形成相應(yīng)的地面設(shè)備和機載設(shè)備標準。LAAS系統(tǒng)在美國部分機場實現(xiàn)CAT-IIIB精密進近，目前尚未實現(xiàn)CATIIIC服務(wù)。經(jīng)過改造的LAAS可實現(xiàn)艦載機著艦要求，由此產(chǎn)生JPALS系統(tǒng)。LAAS系統(tǒng)大幅度地提高了用戶的定位精度，同時有效地改善了GPS的完好性，為用戶提供WAAS所不能達到的導(dǎo)航服務(wù)。不足之處是，與其他所有基于射頻信號的著陸系統(tǒng)一樣，LAAS系統(tǒng)VHF頻率數(shù)據(jù)鏈路容易受到無意信號干擾，同時多徑效應(yīng)也將惡化定位精度。

3.2.2 實現(xiàn)方案

LAAS系統(tǒng)由地基增強基站（基準接收機及其接收天線）、偽衛(wèi)星、甚高頻數(shù)傳電臺、地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備和機載設(shè)備組成，系統(tǒng)組成如圖19所示，增強基站包括位于跑道四周的四個基準站和一個位于跑道中部的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，分別接收處理來自GPS導(dǎo)航信號，通過差分處理、完好性監(jiān)測和執(zhí)行監(jiān)控，計算誤差并識別系統(tǒng)完好性，生成差分數(shù)據(jù)和完好性監(jiān)視數(shù)據(jù)，以31.5kbps的信息速率，采用時分多址技術(shù)TDMA，通過VHF甚高頻率（108～118MHz）的數(shù)傳電臺向機場周圍約45km半球范圍內(nèi)的飛機提供GPS增強信息，為飛機最后進近段（Final Approach Segment，F(xiàn)AS）精密進近提供導(dǎo)航服務(wù)。該頻率與儀表著陸系統(tǒng)ILS以及甚高頻全向(無線電)信標導(dǎo)航輔助系統(tǒng)VOR一致，機載LAAS接收機同時接收GPS基本系統(tǒng)信號、LAAS增強數(shù)據(jù)和安裝在機場的偽衛(wèi)星信號，實現(xiàn)0．5m(95%)定位精度，并使完好性滿足以上三個階段的要求，保障全天候飛機精密進近和著陸引導(dǎo)。

位于機跑道場附近的基準站（局域參考站）具有確定的位置坐標，基準站接收通過差分技術(shù)解算出測量的位置坐標與真值比較后得到偽距修正值，然后將偽距修正值實時送給系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，中心同時生成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和地面站自身的完好性信息，將偽距修正值和完好性信息按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式封裝成機場局域增強信息，利用VHF頻率數(shù)據(jù)鏈路將增強信息播發(fā)給用戶。飛機上的機載航電設(shè)備同時接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號和GBAS增強信號，目前一般為多模接收機（Multi-Mode Receivers，MMR），得到飛機當前的精確位置數(shù)據(jù)和系統(tǒng)完好性信息，可以在能見度較低的情況下，仍然可以引導(dǎo)飛機精密進和著陸。

圖19 LAAS系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)鏈路

地面數(shù)據(jù)處理包括差分處理、完好性監(jiān)測和執(zhí)行監(jiān)控三個環(huán)節(jié)，差分處理是對導(dǎo)航信號進行解碼，載波平滑偽距，產(chǎn)生偽距差分修正數(shù)，廣播差分改正數(shù)等，同時為后續(xù)完好性監(jiān)測算法提供數(shù)據(jù)。完好性監(jiān)測是對導(dǎo)航信號以及地面設(shè)備本身可能出現(xiàn)的異常情況進行監(jiān)視，保證導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性，包括信號質(zhì)量監(jiān)測(SQM)，數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(DQM)、測量值質(zhì)量監(jiān)測(MQM)、多接收機一致性校驗(MRCC)、均值和方差監(jiān)測、導(dǎo)航電文字段測試(MessageField Range Test，MFRT)。這些監(jiān)測算法針對不同的故障模式而設(shè)計，SQM監(jiān)視導(dǎo)航信號相關(guān)峰、導(dǎo)航信號功率和測距碼載波相位一致性，監(jiān)測和識別導(dǎo)航信號的異常狀態(tài)，包括導(dǎo)航信號自身的異常和監(jiān)測接收機本地的干擾信號，保證導(dǎo)航信號沒有發(fā)生畸變以及信號功率處于正常水平。衛(wèi)星在軌姿態(tài)和軌道調(diào)整、廣播星歷參數(shù)計算誤差和地面運控系統(tǒng)注入校正參數(shù)時數(shù)據(jù)鏈路故障等原因都有可能出現(xiàn)星歷誤差，DQM在有新的衛(wèi)星出現(xiàn)在視界中和接收到新的導(dǎo)航電文時檢查衛(wèi)星星歷和時間數(shù)據(jù)，保證接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)足夠可靠。MQM監(jiān)測由于衛(wèi)星星載時鐘異常或參考接收機故障引起的瞬時跳變和其它快變誤差，包括監(jiān)測接收機鎖定時間，監(jiān)測載波信號上的脈沖、階躍或者加速度等快變信號，監(jiān)測載波平滑碼更新，確定偽距和載波相位觀測量在最近幾個歷元內(nèi)的一致性。MRCC檢查每顆衛(wèi)星校正值在多接收機間的一致性，排除可能引起較大差分校正值誤差的單接收機異常。均值和方差監(jiān)測保證校正值的標準差包絡(luò)實際誤差。MFRT驗證平均偽距校正值和校正值率符合電文有效格式。執(zhí)行監(jiān)控（Executive Monitoring，EXM）是一系列的復(fù)雜故障處理邏輯。每個完好性監(jiān)視算法可能對一個通道或一顆衛(wèi)星生成一個故障告警，EXM對所有的告警進行綜合，然后隔離故障測量值。EXM第一階段（EXM-I）將有告警的測量值排除，未被排除的測量值用于計算差分校正。EXM第二階段（EXM-II）基于MRCC、均值和方差監(jiān)測和MFRT進行一系列故障排除。地基增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測平臺組成如圖20所示。

圖20 地基增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測平臺組成

確保信息完好性是地基增強系統(tǒng)GBAS的重要目標，也是系統(tǒng)的核心功能之一，所謂完好性就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信息在多大程度上可以用于用戶導(dǎo)航或者提供的警示或者警告信號是否真實可信，有無虛警信號；當系統(tǒng)不能用于用戶導(dǎo)航服務(wù)時，系統(tǒng)及時發(fā)出告警或者警示信號的能力。在地基增強系統(tǒng)GBAS增強信號覆蓋范圍，飛機接收地基增強系統(tǒng)廣播的VDB數(shù)據(jù)信息，可以精確計算出飛機的空間位置（經(jīng)度、緯度和高程）。為了保證通過VDB數(shù)據(jù)信息計算得到的飛機位置的置信度，或者說得到的計算數(shù)據(jù)是完好的，首先計算出水平保護級和垂直保護級，然后分別與規(guī)定的水平保護門限和垂直保護門限比較，如果保護級處于告警級內(nèi)部，則得到的信息是完好的，該信息可以用于飛機的著陸系統(tǒng)，否則，該信息不能用于飛機的著陸系統(tǒng)。