基于WAAS模擬飛行實(shí)驗(yàn)的LPV可用性分析

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摘要：美國的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Wide?Area?Augmentation?System，WAAS）目前已能在WAAS服務(wù)區(qū)的絕大部分空域支持從航路到具有垂直引導(dǎo)滿足航向信標(biāo)性能（Localizer?performance?with?vertical?guidance，LPV）進(jìn)近的所需導(dǎo)航性能（Required?navigation?performance，RNP）。為評估基于WAAS的LPV-200進(jìn)近期間的可用性，首先使用實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)解析了BILL站點(diǎn)的LPV可用性，其次，使用R&S信號源、NovAtel接收機(jī)以及相應(yīng)軟件構(gòu)成LPV-200進(jìn)近模擬系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)了正常情況、1顆衛(wèi)星故障和2顆衛(wèi)星故障下的美國比靈斯洛根國際機(jī)場LPV-200進(jìn)近的整個(gè)運(yùn)行過程，獲得并分析了進(jìn)近動(dòng)態(tài)過程中的精度、完好性及可用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正常情況和1顆衛(wèi)星故障下的WAAS對比靈斯洛根國際機(jī)場LPV-200運(yùn)行支持良好，且與監(jiān)測數(shù)據(jù)解析結(jié)果吻合。對LPV進(jìn)近及其可用性的研究，可為今后評估某一機(jī)場基于我國建設(shè)的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)（BeiDou?Satellite?Based?Augmentation?System，BDSBAS）的LPV進(jìn)近運(yùn)行的可用性提供理論和實(shí)驗(yàn)支持。

關(guān)鍵詞：SBAS;WAAS;LPV;RNP;可用性;模擬飛行實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TN967.1/V19?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

本文結(jié)合實(shí)測GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和WAAS廣播報(bào)文，首先闡述WAAS的精度和完好性增強(qiáng)機(jī)理，其次基于監(jiān)測數(shù)據(jù)解算了BILL站點(diǎn)的LPV-200可用性，并搭建模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解算了正常情況、1顆衛(wèi)星故障和2顆衛(wèi)星故障下的LPV進(jìn)近可用性。對基于WAAS的LPV可用性的研究，可為我國基于北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)（BeiDou?Satellite?Based?Augmentation?System，BDSBAS）的LPV建設(shè)提供一定的參考和借鑒。

1?精度和完好性增強(qiáng)機(jī)理

用戶通過解碼WAAS報(bào)文對GPS定位的精度進(jìn)行增強(qiáng)，DO-229中詳細(xì)闡述了解碼WAAS報(bào)文對衛(wèi)星鐘差、電離層誤差和觀測偽距進(jìn)行改正的算法和流程。

完好性是飛行安全中的關(guān)鍵指標(biāo)，而保護(hù)級則是衡量完好性的重要參數(shù)。保護(hù)級分為水平保護(hù)級（Horizontal?protection?level，HPL）和垂直保護(hù)級（Vertical?protection?level，VPL），它們分別為

式中，KH，NPA=6.18，KH，PA=6.0，KV，PA=5.33，dmajor為誤差橢圓半長軸的標(biāo)準(zhǔn)差，dU為天向誤差的均方差。

dmajor和dU均為協(xié)方差矩陣d中的元素

式中，G為幾何矩陣，只與用戶和衛(wèi)星的幾何位置有關(guān)，權(quán)重矩陣W是保護(hù)級計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)，可按DO-229中的算法結(jié)合WAAS報(bào)文解算得到。

2?基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的LPV可用性解算

取國際地球動(dòng)力學(xué)GPS服務(wù)（International?GPS?service?for?geodynamics，IGS）位于比靈斯的BILL觀測站點(diǎn)2018年3月9日1?Hz實(shí)測觀測數(shù)據(jù)（包含偽距和載波相位測量值等信息），按本文第1節(jié)所述算法解析相應(yīng)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和WAAS報(bào)文，設(shè)置衛(wèi)星截止仰角為5°，截止信噪比為33dBHz，進(jìn)行精度和完好性解算，得其用于LPV-200進(jìn)近時(shí)的水平和垂直斯坦福圖，水平和垂直方向上滿足精度和完好性的可用性（斯坦福圖中所示正常運(yùn)行的百分比）分別為100.00%和98.34%。

3?模擬LPV-200進(jìn)近實(shí)驗(yàn)

3.1?實(shí)驗(yàn)設(shè)備及設(shè)置

模擬LPV-200進(jìn)近實(shí)驗(yàn)使用R&S?SMBV?100A信號源和NovAtel?FlexPak6接收機(jī)。信號源產(chǎn)生并發(fā)射射頻（Radio?frequency，RF）信號，通過RF傳輸線與接收機(jī)相連，接收機(jī)通過數(shù)據(jù)線和NovAtel?Connect軟件與PC連接，在Connect軟件端用戶可以對接收機(jī)進(jìn)行設(shè)置并選擇存儲數(shù)據(jù)。信號源支持用戶自定義數(shù)據(jù)，下載并解析NSTB網(wǎng)站上2018年3月9日的數(shù)據(jù)作為信號源輸入。接收機(jī)帶有SBAS功能，但需要在Connect軟件端輸入“SBAS?CONTROL?ENABLE?WAAS”命令開啟WAAS功能。

模擬進(jìn)近選擇比靈斯洛根國際機(jī)場的10L跑道，此跑道發(fā)布LPV-200進(jìn)近程序。10L跑道入口的經(jīng)度、緯度和高度已知，高度上加51ft即為最后進(jìn)近航段上一點(diǎn)，設(shè)此點(diǎn)為（10Llon，10Llat，10Lalt）。為貼近實(shí)際運(yùn)行，進(jìn)近階段的速度設(shè)置為自240節(jié)到125節(jié)的勻減速，設(shè)最后進(jìn)近航段上任一點(diǎn)x的速度為v，則x的位置可由（10Llon，10Llat，10Lalt）和v確定。具體的航路點(diǎn)解算及實(shí)驗(yàn)設(shè)置在圖1中闡釋，在Connect軟件端選擇圖1所示的log語句作為輸出，即可轉(zhuǎn)換為所需的RINEX文件。

使用圖1中方法解算得到的航路點(diǎn)文件理論上是無限長的，在高度上截取6000～200ft的數(shù)據(jù)作為信號源的航路輸入，如圖2所示，其中第一行為時(shí)間分辨率（ms），以逗號分隔的三列數(shù)據(jù)分別為經(jīng)度（°）、緯度（°）和高度（m）。

搭建好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，在Connect軟件端記錄數(shù)據(jù)。飛機(jī)于2018年3月9日18點(diǎn)08分左右開始進(jìn)近，在相同設(shè)置的情況下，共接收了15組數(shù)據(jù)。由于每次實(shí)驗(yàn)中信號源和接收機(jī)的反應(yīng)時(shí)間各不相同，而在不同時(shí)刻衛(wèi)星位置不同，故選取18：10：00至18：13：45的數(shù)據(jù)（1991周497400秒至1991周497625秒），統(tǒng)一各組實(shí)驗(yàn)時(shí)間。數(shù)據(jù)接收完畢后，轉(zhuǎn)換得到RINEX格式觀測文件，正常情況下可觀測到11顆GPS衛(wèi)星和PRN?135、PRN?138兩顆GEO衛(wèi)星信息。在飛機(jī)進(jìn)近過程中，隨著用戶位置和衛(wèi)星位置的變化，PRN?14衛(wèi)星的仰角變化至低于5°時(shí)，參與定位的GPS衛(wèi)星數(shù)量由11顆變?yōu)?0顆。

假設(shè)PRN?23衛(wèi)星故障，其余設(shè)置不變，進(jìn)行15組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。假設(shè)PRN?23和PRN?26衛(wèi)星故障，其余設(shè)置不變，進(jìn)行15組重復(fù)試驗(yàn)。

3.2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1、正常情況下的飛機(jī)進(jìn)近性能

由于參與定位解算的GPS衛(wèi)星數(shù)量對定位性能有直接影響，故結(jié)合參與定位的衛(wèi)星數(shù)量繪制模擬進(jìn)近過程中東、北和天向誤差（圖3～圖5）。進(jìn)近過程中的保護(hù)級變化則如圖6所示。

由于15組實(shí)驗(yàn)是在相同條件下進(jìn)行的，其余實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖3～圖6所得數(shù)據(jù)波動(dòng)趨勢基本一致，故只選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像展示。

對3種情況下的模擬進(jìn)近實(shí)驗(yàn)所得精度和完好性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1和表2所示。

由實(shí)驗(yàn)所得圖形和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可得，正常情況下飛機(jī)進(jìn)近過程中LPV可用性為100.00%，LPV-200可用性為97.35%。本文第2節(jié)中基于監(jiān)測數(shù)據(jù)解算的BILL站點(diǎn)2018年3月9日一天內(nèi)的LPV-200可用性為98.342%。

1顆衛(wèi)星故障時(shí)，飛機(jī)進(jìn)近過程中LPV可用性為99.12%，LPV-200可用性為96.46%。2顆衛(wèi)星故障時(shí)，飛機(jī)進(jìn)近過程中LPV可用性為96.46%，LPV-200可用性為68.58%。

4?總結(jié)與結(jié)論

本文在結(jié)合GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)分析WAAS系統(tǒng)精度和完好性的基礎(chǔ)上，解算了LPV可用性。首先以BILL站點(diǎn)的水平和垂直斯坦福圖分析LPV-200可用性，其次，使用信號源和接收機(jī)模擬飛機(jī)進(jìn)近，證明了正常情況下和1顆衛(wèi)星故障時(shí)WAAS對比靈斯洛根國際機(jī)場LPV-200運(yùn)行支持良好。當(dāng)有2顆衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí)，WAAS不足以支持飛機(jī)完成LPV-200進(jìn)近，但仍可支持LPV進(jìn)近。對LPV進(jìn)近及其可用性的研究，可為今后評估某一機(jī)場基于我國建設(shè)的BDSBAS的LPV進(jìn)近運(yùn)行的可用性提供理論和實(shí)驗(yàn)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]DO-229E，Minimum?Operational?Performance?Standard?for?Global?Positioning?System/Wide?Area?Augmentation?System?Airborne?Equipment[S].Washington，DC：RTCA?SC-159，2016.

[2]FAA.LPVs[EB/OL].https：//www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/approaches/media/lpvs.xlsx.

[3]Skyvector.Billings?Logan?International?Airport[EB/OL].https：//skyvector.com/airport/?BIL/Billings-Logan-International-Airport.