GLS 完好性故障監測性能研究

張建軍，韓明，呂自鵬，鄧琪

( 天津七一二通信廣播股份有限公司，天津 300462 )

0 引 言

空中交通管理系統從現有陸基導航系統向星基導航系統過渡已成為未來發展的必然趨勢. 衛星導航系統可以提供全球、全天候、連續實時的導航，具備成為支持民用航空的主用導航系統的能力. 衛星著陸系統(GLS)是終端區航班進近著陸引導的重要技術進步，是滿足民航業務需求的重要系統之一[1].

GLS 完好性是終端區進近著陸引導應用的重要參數，是進行系統設計的重要指標，直接影響到系統能否滿足進近著陸引導要求，也為工程應用提供參考. 完好性直接與飛行安全有關，它是最難滿足的，因此在系統性能評估時必須優先考慮完好性風險. 完好性是指系統提供導航信息的置信水平，當由于故障而不能提供導航信息時，系統能夠及時給出告警的能力. 完好性風險是指系統不能檢測到危險誤導信息的概率，反映了誤差超限的漏檢概率[2]. 完好性故障監測是GLS 的關鍵環節，文章研究的完好性故障監測性能評估方法將為GLS 的測試評估工作提供重要參考.

1 GLS 工作原理及性能

GLS 工作原理如圖1 所示，基準接收機采集衛星導航測量信息，并保持信息的完好性和精度；數據處理單元通過完好性處理算法排除故障衛星與失效基準接收機后，計算出差分修正量、完好性信息和路徑信息等GLS 信息，以支持指導精密進近；甚高頻數據廣播通過一條安全數據鏈傳輸GLS 信息到機載用戶，機載用戶接收來自衛星的偽距觀測量和來自地面的偽距差分修正量及完好性信息，然后對偽距觀測量進行修正及完好性處理，從而增強定位的完好性，減小定位誤差. 為保障飛行安全，CAT I 類民航精密進近和著陸引導在精度、完好性、連續性及可用性方面都對衛星導航提出了很高的要求，如表1 所示，其中地基增強系統(GBAS)完好性性能是其中的重要方面[3].

表1 CAT I 類GLS 性能要求

圖1 GLS 工作原理

2 完好性故障監測技術

完好性是衡量衛星導航系統性能可靠性的重要指標，完好性監測技術的研究對GBAS 建設以及評估具有重要的意義. 隨著衛星導航技術的發展，設備的完善，完好性風險發生的次數越來越少，如果發生，會對機載用戶進近著陸產生巨大的誤導，造成巨大財產損失及人員傷亡，因此對完好性故障監測變得越來越重要. GLS 地面設備在把偽距修正量誤差播發給機載用戶之前，必須對其正確性進行監測，以確保所播發數據的正確性及可靠性.

GLS 地面設備存在多種可能的誤差源和故障因素，導致機載用戶的精度和完好性受到影響. 地面設備的故障風險包括與測距源相關的故障風險、大氣變化導致的故障風險，地面設備故障風險等. 與測距源相關的風險主要由信號異常、低信號功率、碼/載波分歧、過大的加速度、錯誤的星歷、無效的C/A 碼等引發的風險，這些故障通過完好性，故障監測算法來進行監測排除，是文章研究的重點. 與大氣變化相關的風險主要有電離層和對流層異常導致的風險，這些是由于傳輸路徑上環境等因素引起的；與地面設備故障相關的風險主要有地面設備失效、處理器失效、基準接收機失效、甚高頻數據廣播電臺失效等，這些設備可通過冗余的方式，保障地面設備的可靠性. 由于以上故障因素的存在，必須建立地面設備完好性監測體系，監測各個完好性參數，并在完好性參數發生異常時及時處理并告警[4].

完好性監測是GLS 中極其重要的一個環節，能夠確保發送給用戶的數據中不含危險的導航誤導信息. 針對多種故障因素，地面完好性監測算法也是多樣的，數據處理單元的完好性監測處理算法包括信號質量監測、數據質量監測、測量質量監測、多接收機一致性監測、信息域范圍測試、方差-均值監測等手段，不同的監測算法分別對不同類型的故障或者較大的誤差進行監測，當其中存在有故障或者較大的誤差時，排除異常信息并向機載用戶給出告警，保證地面生成的差分增強信息報文的可用性及準確性.

地面設備完好性監測功能流程如圖2 所示.

圖2 完好性故障監測流程

3 完好性風險定義

按照完好性風險的定義，由于定位誤差無法實時確定，機載用戶使用保護級來衡量定位誤差(保護級大，反映真實定位誤差大). 當只有定位誤差超過告警閾值而保護級未超過告警閾值，同時機載設備并沒有在告警時間內給出告警時，則發生完好性風險. 如圖3所示，紅圈區域，定位誤差已經超過告警門限，但是由于保護級小于告警閾值，機載并沒有發出告警信息，產生了危險誤導信息，導致了完好性風險. 發生完好性風險可能是由于地面設備存在某些故障，但并沒有及時監測及排除引起的. 在這種情況下，如果隔離故障后，定位誤差不易超閾值，從這個意義上提高了完好性.

圖3 完好性風險定義

4 故障監測性能分析

當GLS 地面設備存在故障情況，但并沒有被監測到時，將發生故障的數據當成正確數據處理，那么會對GLS 整個系統和差分修正量的準確性造成嚴重的影響，當這種影響到達一定程度時，使得這個系統的完好性風險加大，可用性降低. 本文通過衛星信號模擬器模擬測距源故障為例，驗證GLS 完好性故障監測排除能有效提高系統的精度、完好性、可用性等系統性能.

4.1 加速度監測量

本文針對完好性中的加速度監測量進行故障模擬，驗證完好性故障監測性能. 如果載波相位在測量上存在加速度、脈沖、階躍等快速變化，這些快變將會引入偽距修正誤差. 加速度監測量的計算方法如下：

a)首先，依據數據的頻率和算法的收斂速度，計算距k時刻(當前時刻)最近的10 個連續歷元(k?10 到k?1 時刻)的載波相位修正值

由式(1)可知，消除接收機鐘差會影響到所有衛星的載波相位測量，為此，本文提出一種更為嚴格的接收機鐘差調整算法.

對所有衛星的載波相位修正值 φc,m,j(k) 進行排序處理，取出中值M，將 φc,m,j(k) 與中值M進行比較，若超過一定的門限值，則消除接收機鐘差時不使用該顆衛星的測量信息.

b)Sm(k) 的選擇方法

Sm(k)為接收機跟蹤的衛星集合，每個接收機維護一個衛星集合，集合至少包含有兩顆衛星，接收機之間可以不同.

采用前10 個時刻及當前時刻各完好性監測算法(信號質量監測、數據質量監測、測量質量監測)監測正常的有效衛星集合，參與修正接收機鐘差. 當相位失鎖、或完好性監測產生標記、或其他邏輯需要初始化該通道，通道需重新初始化.

c)利用當前歷元之前的10 個時刻的載波相位修正值，通過最小二乘法來擬合方程

4.2 接收機鐘差仿真分析

通過衛星信號模擬器在1 號衛星測距源載波相位上引入較大的誤差之后，由于1 號衛星存在異常，會影響到接收機鐘差估計值的計算，接收機鐘差是通過該接收機觀測的所有衛星測量量計算得到，由式(1)可知，1 號故障星的誤差會帶偏所有衛星的監測結果，無法判斷真正的錯誤觀測量. 因此當計算載波相位修正值、加速度等完好性監測量時，若某顆衛星發生故障，引入錯誤觀測量，將嚴重影響完好性監測結果的準確性. 基于本文提出的接收機鐘差調整策略，仿真結果如圖4 所示，為鐘差調整修正前后的載波相位修正值的對比圖. 鐘差調整前，故障衛星使得接收機鐘差計算過大，鐘差調整后，接收機鐘差恢復正常，有效地避免了故障衛星對載波相位修正值計算的錯誤影響.

圖4 鐘差調整前后載波相位修正值對比

4.3 地面故障仿真分析

通過模擬測距源載波相位過大加速度(Acc)為例，進行完好性故障監測性能分析，由于測距源載波相位的快速變化會引起較大的偽距修正誤差，會導致機載用戶定位超差，此故障可以通過完好性測量質量監測進行監測. 四臺基準接收機同時接收衛星信號，數據處理單元對衛星數據進行處理，產生Acc 監測量，若監測到三臺及以上接收機對應衛星的Acc 超過閾值，則排除故障星.

使用模擬器仿真衛星導航信號，GLS 地面設備的所有基準接收機各個通道在24 h 內以2 Hz 頻率產生所有衛星參數，正常運行1 h 后，使用模擬器對1 號衛星引入一定的載波相位誤差，10 min 后恢復正常，此時設置GLS 地面設備不進行完好性故障排除.圖5 為1 號衛星的Acc 的監測統計值. 而圖6 為同一故障場景下進行完好性故障排除的Acc 監測統計值，通過完好性閾值的限制[6]，地面設備完好性算法能夠檢測出Acc 值異常加速的情況，藍點表示在不同仰角下Acc 監測統計量，紅色曲線為閾值. 圖6 中Acc 監測統計量超過閾值(圖中用紅圈標記)時，地面設備進行了載波相位Acc 故障處理，排除了故障的衛星[7].

圖5 未進行故障排除的Acc 監測量

圖6 故障排除后的Acc 監測量

4.4 定位結果仿真分析

在同一Acc 故障模式下，將以上兩種情況下產生的差分修正報文信息發送給機載設備，機載設備接收到地面設備數據后，完成差分定位并記錄數據[8]，本文研究了地面設備未排除和排除完好性故障下機載的定位結果，分析了對定位誤差、完好性、可用性的影響.

機載用戶設備通過計算垂直保護級(VPL)和水平保護級(LPL)來衡量定位結果的可靠性[9]，并用于確定地面設備數據的可用性，機載設備將VPL、LPL與CAT I 類告警閾值進行比較，若超過告警閾值機載設備發出告警，地面數據不可用，這樣保證了飛機精密進近中導航信號的完好性.

國際民航組織標準大氣(ICAO)規定[10]，CAT I類精密進近完好性的垂直告警限(VAL)和水平告警限(LAL)分別為10 m 和40 m，本文針對CAT I 類精密進近完好性算法展開研究，機載用戶保護級與相關定位誤差、完好性參數密切相關. 由圖7 可知，在完好性故障存在的情況下，地面設備未對故障進行完好性監測排除，導致了機載定位誤差的突變，定位誤差超過告警閾值，但此時保護級未超過告警閾值，機載設備未進行告警，產生了完好性風險，當前系統不可用；然而，如圖8 所示，地面設備在排除完好性故障后，定位誤差未發生突變，VPL 和LPL 都能滿 CAT I精密進近的完好性要求，當前系統可用. 因此，完好性故障監測技術提高了定位精度、完好性和可用性性能.

圖7 故障下的機載定位結果

圖8 排除故障后的機載定位結果

5 結束語

在模擬地面故障的基礎上，結合本文提出的一種接收機鐘差調整策略，仿真驗證了該策略的有效性，可準確的排除故障衛星并正確計算載波相位修正值等. 針對地面設備完好性故障未排除和排除兩種不同的處理方式，給出了機載兩種定位結果的對比情況.經過以上章節的仿真分析與討論，可以看出對于存在的完好性故障，如果地面設備未能準確進行完好性監測及故障排除，會引起機載用戶較大的定位誤差并引入完好性風險，系統可用性降低，這對于航空導航用戶來說，嚴重影響了安全性，是致命的. 基于本文提出接收機鐘差調整策略，GBAS 能夠有效排除故障衛星，避免了對機載用戶定位結果的錯誤影響， 對于完好性要求非常高的GLS 來說，能夠快速監測到故障的存在是非常重要的.

通過對大量實測數據統計結果進行分析，證明了地面設備的完好性，故障監測技術可以有效避免測距源故障對定位誤差的影響，降低發生完好性的風險概率，提高GLS 的精度、完好性、可用性等. 完好性監測技術是GLS 系統的核心，地面設備必須保證發給機載用戶的偽距修正量的正確性、可靠性，進而為機載用戶起降引導提供更安全、連續、完好、可用的引導信息，使其精確進場著陸.