基于北斗的地基增强系统飞行试验性能分析

地基增强系统（GBAS）以其全天候、减少飞行成本、提高机场吞吐量等优点,被视为下一代民航飞机主要的进近和着陆引导方式。本文在详细分析国内外基于GPS的GBAS系统相关资料的基础上,构建了基于北斗的GBAS系统,并在黑龙江鸡西市鸡西机场（JXA）进行了基于北斗GBAS的飞行实验。通过对基于BD与GPS的地基增强系统监测数据及保护级数据处理与对比分析,实验结果初步表明北斗卫星可以代替GPS作为中国下一代的GBAS导航源,并且本系统计算的完好性数据能够满足RTCA（航空无线电技术委员会）规范中对CATI类进近要求的定义。     

基于LSM内插算法的北斗GBAS参考站布局设计研究

为提高机场空域利用率,进近等级和进近效率,提出基于北斗导航系统的"三轮"式地面参考站布局设计方案。基于GPS的GBAS参考站的适用于20 km范围,其通过平均法计算差分校正量不能满足对差分校正值准确描述。通过实验和仿真对比,分析了低次曲面内插法(LSM)、基于距离的内插法(DIM)与平均法三者之间的差异。实验结果发现LSM、DIM内插法与均值法在计算差分校正时,存在较大差异。在此基础上提出将低次曲面法(LSM)用于"三轮"式地面参考站布局,并给出了相应的进近方案。     

GBAS进近的误差修正与运行实施方法

 地基增强系统(GBAS)提高定位精度需要获得地面广播的各类定位误差修正值, 通过分析传统的对流层误差修正算法, 提出了区分大气干湿分量的对流层指数修正算法。通过实际的采样和计算验证可知, 使用该算法能够较为明显地提高对流层修正误差的精度。探讨了地基增强系统进近飞行程序设计与实施方法, 分析了地基增强系统进近的各种优势, 提出了加快中国地基增强系统应用的建议。     

基于准载波相位差分技术的地基增强系统机载定位精度性能研究

地基增强系统(ground-based augmentation systems,GBAS)中机载导航定位精度和精度可靠性关系到飞机和人员的生命财产安全。因此,提出了在GBAS中使用以准载波相位差分技术(real-time kinematic,RTK)为差分方式减小潜在误差影响的方法。RTK利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性,通过差分的方式消除了移动站观测数据中的大部分误差。与传统的差分方式相比,RTK具有更大的技术优势。通过实验验证和数据仿真结果表明:该方案的单频准RTK可实现分米级甚至厘米的高精度定位,能够为飞机的进近提供精密和稳定的导航数据,同时为机场实现GBAS CAT Ⅱ/Ⅲ类精密进近服务起到积极地促进作用。     

基于准RTK的GBAS机载定位精度性能研究

摘要：地基增强系统(ground-based augmentation systems,GBAS)中机载导航定位精度和精度可靠性关系到飞机和人员的生命财产安全。因此,提出了在GBAS中使用以准载波相位差分技术（Real - time kinematic,RTK）为差分方式减小潜在误差影响的方法。RTK利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性,通过差分的方式消除了移动站观测数据中的大部分误差,与传统的差分方式相比,RTK具有更大的技术优势。通过实验验证和数据仿真结果表明：该方案的单频准RTK可实现分米级甚至厘米的高精度定位,能够为飞机的进近提供精密和稳定的导航数据,同时为机场实现GBAS CAT II/III类精密进近服务起到积极地促进作用。     

非标称对流层误差对地基增强系统完好性的影响

地基增强系统(ground-based augmentation system,GBAS)中,由于不同路径方向区域范围内气象条件(温度、压强、相对湿度等)存在差异,导致系统差分修正误差中包含非标称对流层误差;即非零均值标准正态分布误差。在非标称对流层误差的影响下,机载端垂直保护级(vertical protection level,VPL)增加,系统完好性风险增大以及地面播发信号可用性降低。详细分析了非标称对流层误差对VPL的影响,发现非标称对流层误差与卫星仰角有关;并且跟踪可见卫星数目增多时,系统受非标称对流层误差的影响,VPL值进而增加。为了提高GBAS完好性,提出了一种新的选星算法,降低非标称对流层对VPL的影响,提高系统完好性信号(system in tegrity signal,SIS)可用性。仿真计算GBAS进近服务类型C(GAST C)和GBAS进近服务类型D(GAST D)场景下的VPL,分析改进的选星算法对系统完好性的影响。结果表明,改进的选星算法有效地降低了非标称对流层对GBAS完好性的影响,减小了机载端VPL值,降低了完好性风险,提高了在气象异常条件下GBAS信号的可用性。     

基于北斗的地基增强系统多基准一致性检验算法

针对地基增强系统GBAS)中传统基于极大似然估计准则的多基准一致性检验(MRCC)算法无法有效区分基准站接收机故障来源问题,开展了GBAS地面系统MRCC算法研究。对GBAS B值理论进行分析,给出了一种能够有效确定接收机故障来源的MRCC算法处理流程,并提出了一种基于高斯膨胀法的B值门限值计算方法。利用GBAS原型系统进行了验证实验,结果表明:当地面系统接收机无故障时,计算得到的所有基准站B值在门限值以内,通过一致性检验,一旦某个基准站接收机发生故障,则能够有效识别该故障,且当移除故障接收机后,剩余基准站的B值能够恢复到正常范围以内,验证了所提出方法的有效性。     

GBAS参考接收机精度对一致性监测影响研究

为研究GBAS参考接收机精度对多参考接收机一致性影响,通过理论推导和仿真验证,建立参考接收机定位精度与多参考接收机一致性(B值)之间的关系。通过接收机数据采集实验,并依据上述理论对GNSS参考接收机伪距等原始观测数据进行处理以及作图分析。实验结果发现随着定位精度提高B值变小,即参考接收机一致性提高。在此基础上给出了一般情况下,满足连续性要求的地基增强系统(GBAS)参考接收机水平定位精度应在0.1 m左右(即分米级)。该实验结果可在GBAS试验时为参考接收机选取提供参考。     

ForeFlight在飞行中的实用性研究

ForeFlight是一款基于GPS卫星的机场地图飞行导航Apple应用软件,因其功能强大,被广泛应用于飞行中。在介绍了ForeFlight软件功能的基础上,阐述了其制定飞行计划、监视气象条件、提供飞行数据参考和进近参考的具体应用。为保障飞行安全,针对Foreflight使用的局限性,从数据的实时性和真实性提出了几点改进意见。     

北斗服务性能提升体系研究与集成验证

(1)空间信号精度提升总体设计。在最大程度兼容北斗卫星导航系统的基础上,从提升系统发播的空间信号精度方面,论证给出系统服务性能提升的指标分配与可行性分析、明确空间信号精度提升系统接口设计、完成空间信号精度提升总体设计,指导课题2(北斗空间信号精度提升关键技术)的工程实现。(2)地基导航信号网络总体设计。研究北斗地基导航信号影响服务精度的各种因素、实现定位精度5 m的指标分配、设计并论证地基导航信号网络信号体制、完成地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究。指导课题3(北斗地基导航信号网络关键技术)的工程实现。(3)系统集成与试验验证。完成北斗空间信号精度提升系统集成方案设计、空间信号提升试验方案设计、地基导航信号网络布站方案的设计、地基增强示范系统集成方案设计、地基导航信号网络试验方案设计;实现空间信号提升系统集成、地基导航信号网络集成、搭建整个北斗服务性能提升试验系统;组织开展UERE优于1 m、定位精度优于5 m的技术指标试验验证,形成示范演示试验报告。(4)基于北斗的PNT体系架构及应用研究。该研究内容主要开展基于北斗的PNT体系需求分析、PNT体系应用模式及关键技术研究、PNT标准体系研究。最终形成"基于北斗的PNT体系构架及应用研究报告"。该年度主要研究内容为空间信号精度提升总体设计、地基导航信号网络总体设计、地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究和基于北斗的PNT体系需求分析。     

基于卡尔曼滤波的卫星地基增强系统位置域完好性监测分析

由于卫星地基增强系统(ground-based augmentation systems,GBAS)距离域导航测量的局限性,基于最大似然(maximum likelihood,ML)估计的地面多参考一致性监测(multiple reference consistency check,MRCC)难以满足国际民航组织提出的CAT Ⅱ/Ⅲ所需完好性要求。针对基于极值估计方法的伪距误差完好性监测参数之间存在相关性以及数据样本有限的问题,提出位置域内的卡尔曼滤波监测新算法,利用线性无关参考接收机对机载目标进行独立定位解算,建立垂直定位误差的卡尔曼滤波模型,监测垂直定位误差,重新定义位置域内的完好性监测参数值。实验结果表明,该算法不仅解决了距离域内完好性监测参数间的相关性,而且减小了机载垂直保护级,提升了地基增强系统的故障检测性能,提高了系统的可用性。     

基于北斗二代/气压高度组合导航的APVI/Ⅱ飞行程序应用

APVI/II是依靠卫星定位系统提供导航引导的飞行程序,不依靠地面导航设备就可将飞机精确地引导到跑道。国外依赖美国的GPS系统建立广域增强系统,从而实现APVI/II程序的大规模应用。中国有自主研发的北斗二代卫星导航系统,但当前北斗系统的垂直导航精度达不到APVI/II程序要求,可通过与气压高度融合,提高北斗垂直定位精度,以尽快实现APVI/II在中国的运行。在2020年北斗系统组网完成覆盖全球后,在其GEO卫星上添加星基增强信号,则可以使APVI/II应用得以广泛地实施。本文对北斗二代/气压高度组合导航的算法和程序安全性进行分析,论证现阶段中国使用北斗系统实施APVI/II飞行程序应用的可行性。     

全球定位系统/北斗双系统定位优势的验证与分析

为了验证与分析全球定位系统（GPS）与北斗卫星导航系统联合定位相较于GPS单系统定位在亚太地区的优势,利用GPS/北斗双频双模接收机开展不同模式下的动/静态单点定位实验和实时动态差分法（RTK）实验,并通过对实测数据的分析,给出了北斗导航卫星对GPS单系统定位的影响.结果表明,GPS/北斗双系统卫星观测相对于GPS单系统在卫星可视数量、卫星对于测站的几何分布、扩大连续运行参考站系统（CORS）网的作用范围等方面有很大的优势,而且双系统组合定位算法有效地提高了接收机的定位性能.     

GPS与北斗卫星导航系统异同分析

随着我国自主建设的北斗卫星导航系统已投入试运行服务,我国的综合国力大大增强.该文详细介绍了GPS与北斗卫星导航系统的系统组成、工作原理及功能.同时具体分析了GPS与北斗卫星导航系统的异同,指出了北斗系统的未来发展趋势.     

基于单差的动基准站伪距差分算法研究

伪距差分利用误差的空间、时间相关性,通过差分消除卫星段和传输段部分误差,获得亚米级的定位结果,因此被广泛应用于地基增强系统（Ground-Based Augment System,GBAS）等。传统的伪距差分技术应用于静基准站条件,编队航行、飞行等应用需要进行动基准站条件下的相对定位。本论述首先对传统的静基准站伪距差分算法进行介绍,针对动基准站差分的需求,提出一种基于单差的动基准站伪距差分算法,开展动态跑车实验。实验结果表明,基于单差的动基准站伪距差分的定位精度小于1m,可应用于编队飞行、航行等,为飞行器提供快速、灵活、准确的位置服务。     

PBN进近航线噪声敏感点规避降噪方法

降低机场航空噪声是促进机场发展的重要因素,随着基于性能的导航(PBN)实施的推进,这一新的导航方式为降噪提供了新方法。航空噪声是人的声量感受,机场周围人口较为集中的学校、医院、居民区等构成了航空噪声敏感点,进近航线避开这些噪声敏感点可以达到降噪的效果。根据飞机性能和飞行程序特点,通过确定飞机空间位置,构建了飞行架次-推力-距离(N-F-d)进近航线噪声敏感点规避计算模型;并进行噪声计算模型修正。选取LWECPN为噪声评价量,结合INM噪声评价软件对广州白云机场进行了降噪分析。分析结果表明,噪声敏感点的噪声值显著减小,噪声等值线的影响范围也明显缩小,降噪效果较好。     

朱代武1 王秋实1* 刘志恒1

随着基于性能导航(RNP)飞行程序的成熟发展,多径误差抑制在差分增强系统中的影响也日益凸显。本文采用伪距频间组合差与伪距与载波相位组合差的方法分析了多径效应对类精密进近造成的误差影响。采取空域以及窄相关器多径抑制方法,减小测距容差,其结果完全满足RNP类精密进近的着陆要求。     

基于GBAS系统的双座电动飞机导航定位可视化仿真

为了分析双座电动飞机基于GBAS系统在空间领域环境中的运行情况,以双座电动飞机模型为基础,设计并建立了基于三维可视化仿真FlightGear平台来模拟GBAS系统的运行引导效果。通过对导航数据分析处理,仿真了可见星和运行轨道的情况。针对传统的最小二乘伪距定位方法和载波相位平滑伪距算法的定位精度、可靠性都不能满足双座电动飞机定位着陆需求的问题,采用了增强算法卡尔曼滤波平滑伪距算法,对增强算法进行了仿真。采用FlightGear与MATLAB联合仿真,可以更直观的看出GBAS导航数据对双座电动飞机的引导效果,从而验证了双座电动飞机在终端区的导航定位着陆可以通过GBAS系统结合增强算法来引导。定位的水平平均误差和垂直平均误差都减小到 1 m 以内。     

基于iGMAS产品的BDS/GPS组合RTK定位性能分析

随着各国自主导航系统的快速发展,多卫星导航系统组合定位成为当前研究热点,其可弥补单系统在全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)信号遮挡严重区域无法提供连续、可靠的定位服务的不足。文章基于国际全球连续监测评估系统(international GNSS MonitoringAssessment Service,iGMAS)产品,研究分析了中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)与美国全球定位系统(Global Positioning System,GPS)组合实时动态定位(Real-Time Kinematic,RTK)性能。静态实验结果表明,开阔区GPS-RTK定位精度优于BDS、BDS/GPS组合RTK定位结果,封闭区BDS/GPS组合定位性能优于单系统定位精度,BDS定位结果优于GPS;动态实验结果表明,在信号遮挡严重区BDS/GPS组合可持续提供定位服务,但服务的可靠性较低。     

基于多接收机的本地监测系统监测算法研究

本地监测系统可以增强卫星导航系统的性能以满足航空用户的需求。针对目前单接收机本地监测系统在进近着陆应用中各导航性能存在的不足,提出了一种基于多接收机的本地监测系统完好性监测算法。该算法考虑了地面接收机故障对用户安全造成的影响,从而提高了系统的完好性。另外,该算法通过利用既有的增强系统完好性信息,改善了系统对本地差分修正误差的监测能力;并且通过使用卫星信号双频观测量,提高了用户的观测精度。上述优化可有效降低保护门限值,最终达到提高系统可用性的目的。应用该算法增强北斗卫星导航(区域)系统,可在我国及周边地区满足I类精密进近的性能指标要求,并且平均可用性达到95.57%。