航空高精度高可用衛星導航接收機數據質量診斷軟件

龐晗 楊懿松 徐丁海 蔣興城

摘要：目前業界對于衛星導航接收機的專業化測試方法的研究處在不斷探索和發展的階段，其評價標準也因廠商和應用場景的不同而有所差異，接收機數據質量診斷的方法沒有統一的標準。隨著高精度導航接收機在民用航空領域應用的普及，急需一套有針對性的測試方法和診斷工具，立足于航空安全要求，對接收機功能和性能進行數據質量診斷。本文針對這一需求研制了一款“航空高精度高可用的衛星導航接收機數據質量診斷軟件”（以下簡稱軟件），通過軟件來模擬和檢驗衛星導航接收機實際工作狀態下的數據質量。

關鍵詞：衛星導航接收機;評價標準;民用航空;診斷軟件

中圖分類號：TN967.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0066-04

0 引言

近幾年我國民用航空事業已經進入黃金發展期，航空客貨運輸得到快速、持續以及大量的增長，需要加強空中和地面交通的安全管理，提升空中和地面交通的運行效率。[1]針對民用航空運輸現階段所出現的問題，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》已將“新一代空中交通管理系統”列為重點研究方向。現階段的民用航空基于性能導航（performance based navigation，PBN）主要以GPS為代表的全球導航衛星系統（global navigation satellite system，GNSS）為主，北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國自主建設、獨立運行的新型衛星導航系統，是國家重要的空間基礎設施，怎樣切實的使其在“新一代空中交通管理系統”中得到實施和運用，已經成為我國民用航空持續穩定發展的關鍵所在，也是實施民航強國戰略的重要基礎。

2019年7月為止，北斗系統的服務范圍已經覆蓋了全球，共計發射衛星46顆，其中包含北斗二號衛星24顆和北斗三號衛星22顆，具體分為地球同步軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛星9顆、中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛星26 顆和傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）衛星11顆[2]。

1 接收機數據質量需求分析

根據民用航空在地面和空中的各種環境中運行所需條件，國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）在《航空電信》的“標準和建議措施（standards and recommended practices，SARPs）”中給出了對GNSS 精度、完好性、連續性和可用性等的性能指標要求。

針對機場場面活動，ICAO Doc9830《先進的場面活動引導和控制系統（A-SMGCS）手冊》中給出了跑到入侵檢測情形下的精度要求如圖1所示，手冊中指出，20米是飛行員獲得信息并避免沖突的臨界距離，考慮到信息傳輸延遲等情況，實際中的監視精度都會高于20米，允許有更多的時間來避免發生沖突。縱向精度推薦為6米。此外手冊還給出來了不同機場位置點在WGS-84坐標下的精度要求[3]。

當能見度條件低至機場能見度運行等級時，航空器和車輛應當能夠在A-SMGCS指定的速度下工作。當能見度條件低于機場能見度運行等級時，航空器和車輛應當降低其場面活動的速度達到A-SMGCS可以接收的水平[4]。為此，我們需要對衛星導航接收機數據質量進行診斷，參照表1位置點精度要求，對接收數據的精度、可用性等質量進行評估。

根據A-SMGCS對各種場景的要求，民用航空對機場場面定位的監控要求將隨著我國民用航空產業的不斷發展而提升，為了應對各種可能出現的機場場面情況，大范圍的采用高精度導航定位接收機是必然趨勢，所以對導航定位接收機數據質量的檢驗就顯得極為重要，軟件正是為此而研發的一款專用軟件。

2 接收機數據質量評估方法

參照民用航空關于飛機場面活動的相關指標參數，制定出評估接收機數據質量的方案：通過軟件對接收機的精度和可用性進行測量。

2.1 精度評估方法

衛星導航系統精度是指導航接收機生成的實時位置信息與其實際位置情況之間的接近程度，包括PVT精度（定位精度、授時精度、測速精度）、測距精度（偽距精度、載波相位精度）以及多普勒頻移精度等，在一般情況下指的是定位精度。

置信度為95%的水平和垂向定位精度是民用航空應用對于衛星導航的定位的基本精度要求，通常對定位精度的估計是對所有的定位結果進行分析和排序，統計得到概率為95%的定位誤差值來作為精度估計值[5]。

2.2 可用性評估方法

根據ICAO Doc9830《先進的場面活動引導和控制系統（A-SMGCS）手冊》中所給出的指標，航空器或車輛的時速在55km/h（30節）時，兩秒鐘移動的距離大約為30米，這也是機場跑道兩個中線燈的安放距離。所以在使用中線燈為航空器或車輛做引導時，兩秒將是避免發生沖突的最長時間[3]。由此將地面延時標準T1定為2s。

3 軟件總體設計

本論文軟件為衛星導航接收機的系統功能級測試提供軟件工具和環境，為后續研制基于衛星導航接收機的應用系統提供測試數據支撐和邏輯驗證環境，從而形成面向航空器監視以及機場場面管理等實際應用需求的可復制可推廣的產品和系統。

軟件的總體應用環境是為衛星導航接收機提供數據匯聚融合以及轉發平臺，其總體結構圖如圖2所示。

根據圖2所示，接收機發送數據給軟件，軟件支持單個接收機連續發送大量的數據，也支持大批量的接收機同時發送數據。向軟件發送數據的接收機需要事先在軟件內部進行注冊，否則無法在軟件上顯示其位置信息。軟件在收到傳輸信息之后會對數據進行校驗，只有格式正確的數據才會進行后續操作否則直接報錯處理。軟件在處理數據時，除了會進行校驗外還會對相同設備一定時間范圍內的數據進行比較和融合（例如對相鄰接收時間小于50ms內的數據包進行比較），并將融合之后的數據保存到數據庫便于事后調取和分析。數據庫可以方便記錄存儲數據，并且可以和軟件搭配形成更多實用性的功能，這里我們通過軟件測試得到的結果來對接收機的數據質量進行評估。

如圖3所示，接收外部傳輸過來的實時定位數據，對數據進行分析處理，然后將處理后的數據結果融合轉發并保存到數據庫。

4 數據質量診斷

4.1 定位數據精度診斷

針對各種機場場面活動場景，根據表1參考點精度要求，機場場面安全需要能夠達到亞米級的定位精度，所以我們通過軟件對接收機數據進行測試，評估其是否能夠達到亞米級的精度要求。

選用亞米級衛星導航接收機，在軟件中注冊接收機的ID信息，打開儀器進行數據的傳輸。為模擬實際機場場面定位，實驗場地選在室外的空曠地帶，并且選用4臺設備分別來進行測試。實驗接收機以秒為單位向軟件不斷的發送信息，經過軟件融合后轉發到數據庫。通過記錄接收機上報的位置信息和利用標定設備獲取的參考位置信息進行比較，獲得置信度在95%以上的精度指標，從而判斷被測設備是否滿足亞米級定位要求。

每一個實驗都進行了至少20次測量，表2導航接收機精度測試結果中所出現的水平精度為結合試驗次數計算出的平均值。以實際設備放置點為中心畫一個圓，圓內包含95%的定位點，該圓的最小半徑就是水平精度。

通過以上多次測試，如圖4所示，證明被測接收機都能夠達到0.5m精度，達到了亞米級定位精度目標且不同接收機之間的水平精度差異很小，證明所使用的導航接收機數據接收的一致性較好，能夠應對民用航空各種場面應用場景的要求。

4.2 定位數據延時診斷

接收機在現實中進行運用時對延時的范圍以及穩定性都有相應的標準，其中系統的延時的范圍以及穩定性是判定接收機可用性的重要依據。

具體診斷過程如下：導航接收機通過捕獲衛星信號，解算生成當前接收機定位信息以及對應的時間信息，然后再將這個數據實時回傳給軟件。

如圖5所示，計算五次實驗的延時時間平均值為1.195s，小于空中延時標準T0和地面延時標準T1，說明實驗所使用的設備能夠同時滿足空中和地面的延時要求。

經過大量的實驗統計系統延時時間會在1.195s±70ms的時間范圍內變化，標準差平均值為0.168，如圖6所示，平均數據丟失率為0.013%。

5 結語

本文基于“北斗二號”導航系統，結合民用航空A-SMGCS場面監管等運行要求，提出了面向民用航空應用的北斗系統導航接收機性能的測試和評估方法，結合自主研發的工具包軟件，通過對精度和延時的范圍以及穩定性等指標的分析，對接收機數據質量做了比較和研究，驗證了軟件具有通過定位數據精度和延時范圍的以及穩定性等指標對接收機進行數據質量診斷的能力。

參考文獻

[1] 任暉，辛潔，趙金賢，等.北斗系統廣域差分性能評估技術研究[J].導航定位學報，2015，3（04）：7-10.

[2] 楊元喜，李金龍，王愛兵，等.北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J].中國科學：地球科學，2014，44（01）：72-81.

[3] 先進的場面活動引導和控制系統（ASMGCS）手冊（Doc 9830）[K].

[4] 翟顯，劉瑞華，王劍，朱一龍.北斗衛星導航系統誤差分析與評估[J].現代導航，2018，9（01）：10-15+17.

[5] 郭婧，王嫣然，薛廣月，許偉村.面向民航應用的北斗系統導航性能評估[J].民航學報，2018，2（04）：43-46.

[6] 郭婧.多模多頻衛星導航系統 RAIM 技術研究[D].北京： 清華大學，2011.