基于GBAS的可用性預測研究

韓 明 張建軍 呂自鵬 鄧 琪 劉文亮

(天津七一二通信廣播股份有限公司，天津 300462)

1 引 言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)是包含一個或多個衛星星座，能夠提供定位、測速和授時(PVT)服務的衛星導航系統，GNSS導航的快速發展，為人類帶來了巨大的社會、經濟效益。為了提高GNSS的精度和完好性，GNSS增加了外部系統以增強其性能，如地基增強系統GBAS，其完好性也日益受到關注。目前，國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)大力推行基于性能的導航(Performance Based Navigation,PBN)技術，根據特定運行或空域所要求達到的精確性、完好性、可用性、連續性以及相應功能來確定航空器的系統性能要求，由基于傳統導航向基于性能的現代導航轉變。衛星導航GBAS是ICAO提出的航空系統組塊升級計劃中的核心導航技術之一，ICAO將逐步推動從陸基導航向星基導航平穩過渡，逐漸形成以GNSS為主用導航源、陸基導航設備為備份導航源的導航系統構架。GBAS在導航精度、可靠性、安全性及運行成本方面較傳統的進近方式有了很大的改善，GBAS服務運行的可靠性和安全性是民航新技術應用和驗證工作的重中之重[1]。

GBAS系統運行所使用的衛星數量、軌道參數及星座布局對GBAS系統的服務性能，(如導航定位精度、可用性、完好性、連續性等)是至關重要的。目前現有的技術研究主要利用衛星導航系統所提供的衛星數量、位置精度衰減因子PDOP值和定位精度來評估其系統當前衛星星座的性能[2]。對于GBAS精密進近引導系統來說，GBAS可用性的服務狀態與衛星星座狀態預測結果有關，星座告警預測可以有效提高GBAS引導服務的安全性，但目前對衛星星座當前及未來狀態預測的相關研究很少。本文在保證覆蓋性能、導航定位精度的前提下，對衛星星座狀態及GBAS的服務狀態展開了深入研究。

2 系統可用性預測

GBAS系統的服務狀態是塔臺狀態顯示單元的重要部分[3]，包括可用和不可用，系統是否可用與衛星星座預測結果直接相關。當衛星星座告警(即不可用)時，GBAS系統不可用。

衛星星座狀態預測包括星座可用性的預測信息和當前信息，狀態預測的結果在塔臺進行顯示。星座可用性預測是預測未來至少15min內星座的可用狀態，若預測星座不可用，需及時向監控人員給出衛星星座預測告警，預示GBAS進近服務狀態在未來某個時刻不可用。星座可用性的當前信息是指當前衛星星座的可用狀態，若不可用，GBAS將產生星座告警和GBAS進近服務狀態不可用告警[4]。

結合衛星信號的相關峰及GBAS系統產生的報文等信息，使用星歷或者歷書進行系統可用性預測。若發生如下情況，產生相應的星座告警和系統不可用告警如下。

a)當預測使用的衛星數量低于4顆時，產生告警；

b)在FAS(Final Approach Segment)跑道坐標系下，若無故障H0(所有基準接收機和測距源均正常工作沒有異常，稱為H0假設)下的保護級超過告警門限時，產生告警。

系統可用性預測流程圖如圖1所示，具體流程如下。

圖1 GBAS系統可用性預測流程圖

a)使用相關峰、星歷、歷書、GBAS報文等信息預測衛星數量，數量為m；

b)若衛星數量m<4顆，衛星星座預測不可用；若衛星數m≥4顆，計算H0下的保護級PL(Protection Level)，包括側向、垂直保護級，并找到最大值；

c)將最大值與告警門限AL(Alert Limit)比較，若在告警門限內，衛星星座預測可用，否則不可用；

d)當產生星座預測不可用告警，且星座不可用狀態一直未恢復，則會發生當前衛星星座不可用和GBAS當前服務狀態不可用，此時需要及時調整或終止GBAS進近程序，防止危險發生。

2.1 衛星數量預測

系統可用性預測是以機場GBAS基準位置(GBAS報文中的基準位置)為觀測點，預測基準位置處衛星的可見性，衛星的可見性由衛星相對于地面觀測點的高度角決定，高度角是觀測點地平線與觀測點和觀測衛星連線的夾角，高度角范圍為(-90°,90°)。當高度角>0°，即衛星位于地平線以上，此衛星對觀測點是可見的，實際中還應考慮遮蔽性。當衛星仰角較小時會引起電離層誤差和對流層誤差的增大，因此設定基準接收機的截止仰角為一定角度(如5°)，當衛星仰角大于該值時認為衛星是可見的，反之不可見。

衛星和GBAS基準點之間的角度(統一為高度角)可以用衛星位置和基準點位置來確定。通過使用星歷或歷書求得衛星在地心固定坐標系中的預測位置后，然后將該衛星位置轉換成以GBAS基準點為坐標原點的站心直角坐標，即可求得衛星的仰角。仰角計算方法如下。

a)設GBAS基準點在大地坐標系下的位置為(B,L,H)，在空間直角坐標系中的位置為(Xr,Yr,Zr)；

b)利用導航電文中的星歷或歷書參數計算衛星在地心地固坐標系中的空間預測位置為(Xs,Ys,Zs)，可參考文獻[5]；

c)求得衛星在以基準點為坐標原點的站心直角坐標系下的位置(Xp,Yp,Zp)為

(1)

其中，

(2)

d)根據仰角el和方位角az的定義可以得出

(3)

根據GBAS基準位置為觀測點，進行衛星數量可用性預測，當預測的衛星仰角小于5°時，視衛星為不可見。其中預測的衛星不包括星歷不健康和GBAS地面設備完好性排除的衛星。當預測的衛星數量低于4顆時，進行星座告警及系統相應的不可用告警。

2.2 FAS跑道坐標系下的保護級

在FAS跑道坐標系下，利用無故障H0下的保護級進行系統可用性預測。所有衛星在H0假設下，精密進近的垂直保護級(VPLH0)和側向保護級(LPLH0)分別與垂直告警門限(FASVAL)和側向告警門限(FASLAL)比較，若保護級大于告警門限，進行衛星星座預測告警，系統不可用。

衛星故障是影響導航系統完好性和可用性的因素之一，在VPLH0和LPLH0數值計算中，地面設備不能利用以下a)、b)和c)情況的衛星信息；d)、e)和f)為計算保護級的條件說明。

a)星歷或歷書不正確的衛星；

b)結合衛星信號的相關峰，監測3個及以上相關對及峰值，排除信號質量差的衛星；

c)結合信號質量、數據質量、測量質量等GBAS完好性監測算法，排除故障衛星；

d)衛星星座預測是相對于地面基準點位置中心產生的，因此計算保護級時應以GBAS的基準位置觀測的衛星進行計算，計算時需要將觀測信息轉換到機場FAS坐標系下，以FAS跑道起點為坐標原點，然后計算無故障下的保護級；

e)衛星仰角：5°～90°，方位角：0°～360°；

f)衛星星座預測使用所有可見衛星的當前星歷。當所有的衛星正在進入視界時，應使用最近的歷書。

衛星星座告警時，當預測衛星與機場基準位置的幾何分布(即幾何構型)不夠理想時，未來可能產生危險事件，FAS跑道坐標系下的無故障保護級能夠為飛機進近和著陸提供良好的安全預警提示[6]。FAS跑道坐標系下的無故障保護級計算方法如下。

a)首先確定空間直角坐標系與FAS跑道坐標系下的轉化矩陣，在計算跑道FAS坐標系過程中，以跑道入口為參考原點，確定跑道徑向、垂向、側向的方向矢量[7]，機場坐標系與XYZ坐標系的轉換矩陣A=[u_rwu_latu_vert]T；

b)利用轉換矩陣A，轉為FAS坐標系下的衛星觀測矢量為A×(Xs_i,Ys_i,Zs_i)T，其中i=1,2…N,i為衛星編號；

c)確定FAS跑道下的S矩陣，構建機場坐標系下的S矩陣為

S=(GT·W·G)-1·GT·W

(4)

式中：S——加權的最小二乘投影矩陣，4行N列，N為衛星數量；G——基準點和FAS坐標系下衛星之間的幾何觀測矩陣。

利用基準位置處的衛星觀測矢量計算衛星仰角θi和方位角Azi，給出G矩陣。

Gi=[-cosθicosAzi,-cosθisinAzi,-sinθi,1]

(5)

經差分修正后的剩余誤差協方差矩陣為W,W的逆矩陣可表示為

(6)

(7)

式中：σpr_gnd——GBAS廣播的偽距修正誤差的標準差；σtropo——對流層延遲殘余誤差的標準差；σpr_air——噪聲、干擾和多徑效應等引起的殘余誤差的標準差；σiono——電離層延遲殘余誤差的標準差。

a)無故障H0下的進近側向保護級為

(8)

SApr_lat,i=S2,i

(9)

b)無故障H0下的進近垂直保護級為

(10)

SApr_vert,i=S3,i+S1,itan(θGPA)

(11)

式中：Kffmd——由保護級風險、基準接收機的個數、故障先驗概率計算得到；DV——取決于GBAS進近服務類型；θGPA——最終進近航路的下滑角。

當LPLApr_H0和VPLApr_H0超過預設的告警門限時[8]，產生星座可用性預測告警。

3 仿真分析

通過衛星信號模擬源進行衛星信號的模擬，驗證系統能否正常輸出衛星星座預測信息、衛星星座當前信息及系統不可用信息。首先設置模擬源場景[9]，模擬6顆衛星，當模擬源場景運行一段時間后(周內秒為88 685)，此時預計衛星數將在15min后少于4顆。驗證仿真結果如圖2、圖3所示，當距離衛星星座告警15min時，此時周內秒為88 685，文中算法預測垂直保護級將超過告警線，衛星星座預測中斷，衛星星座即將在15min后告警，系統將不可用。當衛星星座開始告警時，此時周內秒為89 584，當前垂直保護級超過告警線，告警當前衛星星座不可用，GBAS服務狀態不可用。

圖2 系統可用性預測-VPL

圖3 系統可用性預測-LPL

4 結束語

目前，大部分現有技術研究只是針對衛星星座幾何分布對當前定位精度的影響，而缺少一種根據對衛星星座狀態的預測給出相應安全風險預警的技術手段，以保證GBAS進近服務狀態的長期可靠性。針對GBAS進近引導系統，提出了一種基于機場GBAS基準位置的系統可用性預測方法，可以預測衛星星座的狀態及系統可用性狀態，有效避免了GBAS衛星星座的潛在不安全因素，進而保證了GBAS進近服務的安全性。