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。     

基于北斗的地基增强系统飞行试验性能

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。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。     

基于无迹卡尔曼滤波的仪表着陆系统/GBAS着陆系统/惯性导航系统组合导航融合方法

针对进近着陆过程中,仪表着陆系统(ILS)会受到空域以及外界环境的影响而产生导航偏差,影响进近着陆时导航的精度;而现在正在引进GBAS着陆系统(GLS)。提出一种将ILS和GLS分别与惯性导航系统(INS)相组合,利用改进的联邦无迹卡尔曼滤波,将其输出的位置之差作为量测值;再根据线性最小方差准则,提出了按照最优系数加权的方法融合局部导航数据,从而得到全局最优估值。相比于传统的UKF滤波算法,能有效地降低测量噪声,减小飞机降落时与标准航道的偏角误差,从而提高进近着陆引导的水平精度。     

星基-仪表着陆系统组合进场策略研究

为适应未来空中交通流量持续快速增长的需求,提高空管运行安全水平,提出一种将星基着陆系统GLS(global navigation satellite system landing system)和仪表着陆系统ILS(instrument landing system)两种进近程序融合使用的新方法,为着陆系统创造一个更经济和精密的进场体制。通过数学建模,将GLS进近数据和ILS进近数据等效在同一个直角坐标系中,仿真计算飞机进近航迹;并求出两种导航源分别与标准航迹的对比误差。仿真和实际验证试飞数据表明,基于GILS(GNSS landing system and instrument landing system)进近体制的组合进场策略可明显提高飞机进近过程导航精度和完好性水平,并提高进近速度,提高进近安全水平。现称该组合进场策略为GILS进场策略。     

基于差分GILS进近系统的导航精度分析

通过研究飞机在低可见视程条件下的进近问题,力图充分利用全球卫星导航系统的能力,使机场在不需要更新陆基无线电导航系统的情况下从I类盲降标准提升到II类及以上的相同或可比拟的运行标准。通过对某航空公司飞行数据的分析,为提高飞机进场水平导航精度和完好性,提出了组合应用差分全球卫星导航系统GNSS(global navigation satellite system)和仪表着陆系统ILS(instrument landing system)下滑道的进近体制模型,即为GILS(GNSS and ILS-glideslope)进近系统。利用Kalman滤波的方法,将仪表着陆系统数据和差分全球卫星导航系统的定位数据融合,通过数学建模,仿真模拟飞机进近航迹。仿真和实际验证试飞数据表明,该方案可有效提高飞机的水平导航精度和完好性水平,有潜力将CAT I标准提升为类CAT II水平。     

基于陆态网络的远距离在航潮位提取方法研究

远距离在航潮位测量是采用后处理差分相对定位或精密单点定位方法获取流动站天线三维坐标,并通过一系列改正获得最终潮位结果的方法。远距离在航潮位测量方法克服了现有RTK验潮模式作用距离短(20 km)的缺点。由于差分站间基线解算参数质量直接影响流动站的定位结果精度,流动站相对定位时采用中国大陆构造环境监测网络基准站数据,避免差分观测时架设基准站时的人为误差,提高了测量效率和数据解算精度,进而提高潮位测量精度。     

GILS组合进场策略研究

为适应未来空中交通流量持续快速增长的需求,提高空管运行安全水平,本文提出一种将星基着陆系统GLS（Global Navigation Satellite System Landing System）和仪表着陆系统ILS（Instrument Landing System）两种进近程序融合使用的新方法,为着陆系统创造一个更经济和精密的进场体制。通过数学建模,将GLS进近数据和ILS进近数据等效在同一个直角坐标系中,仿真计算飞机进近航迹,并求出两种导航源分别与标准航迹的对比误差。仿真和实际验证试飞数据表明,基于GILS（GNSS Landing System and Instrument Landing System）进近体制的组合进场策略可明显提高飞机进近过程导航精度和完好性水平,并提高进近速度,提高进近安全水平。本文称该组合进场策略为GILS进场策略。     

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。     

GPS单历元精密单点定位精度分析

普通精密单点定位主要是针对多历元观测数据,本研究重点关注单历元精密单点定位及其精度分析.在分析GPS单历元观测量误差源基础上,讨论了单历元非差精密单点定位误差;给出了单历元非差精密单点定位的解算流程,对Bjfs、Mizu、Wuhn和Lhaz等4个IGS站1天的实际观测数据分别进行了处理,单历元精密单点定位精度达到了4.5 cm,与GPS RTK结果精度一致.单历元精密单点定位只需一个测站的单一历元观测就可以进行精确定位,而GPS RTK至少需要两台仪器.     

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。     

GBAS中相位平滑伪距差分修正改进算法

针对卫星导航精度问题,提出一种载波相位平滑伪距差分修正算法的改进方案.通过无码载偏离平滑滤波技术来解决电离层对伪距和载波相位观测值带来的不一致性导致的电离层误差加剧问题.利用信号传播中误差模型预测值、载波信号和码伪距确定滤波器的衰减因子,把接收到的双频载波信号相位值和伪距值线性组合,输入滤波器滤波.同时用卫星修正信息对平滑伪距值中钟差进行修正.仿真结果表明通过该算法能够减少滤波后的信号残差,提高载波相位平滑伪距差分修正值标准差的可用性,减少电离层误差对星基导航精密进近阶段定位精度的影响.     

基于气压垂直导航(Baro-VNAV)进近的研究与实现

气压垂直导航进近是国际民航组织大力推广的新型导航技术,它利用现代导航技术和计算机技术,在不需要添加更多机载设备的情况下,使飞机具备在不依赖任何地面设备的情况下实施精密进近的能力,从而提高飞机和机场的运行能力。本文对该种进近形式的原理、运行要求进行了分析,并对在实施过程中,如何简化温度修正进行了探讨研究。     

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。     

基于载波相位差分技术的东南极冰川移动监测系统与应用

采用载波相位差分(real time kinematic,RTK)技术在中国南极第32次科学考察中架设了一套基站与一套移动站的一对一监测系统,在东南极开展了对冰川移动的实时监测。获取了2016年2月28日至2017年2月12日的差分数据。通过对数据的处理并结合移动站附近地形,得出测点在监测期间内向西北方向移动了13.9m,且夏季运动速度较冬季快约17.1%.     

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%。     

一种基于边缘计算的RTK定位方法

实时动态载波相位差分(Real-Time kinematic,RTK)定位是一种基于载波相位观测值的实时动态定位技术,通过架设基准站并将基准站数据与流动站数据进行差分解算获取流动站的精确位置,从而得到比传统GPS定位更为精确的结果。本文提出了一种基于边缘计算的实时动态载波相位差分定位方法 E-RTK(Edge Real-Time Kinematic),通过将RTK解算任务迁移至边缘设备,降低RTK移动端对硬件的算力需求,进而降低RTK定位的硬件成本。本文基于E-RTK进行了实现及测试,实验证明,该E-RTK定位在较低的硬件成本下,能够达到与传统RTK定位相当的精度,除此之外,在使用GPS+BEIDOU卫星数据进行解算定位时,相较于常见的GPS+GLONASS定位,其Fix速度具有较大提升。     

浅析网络RTK差分数据线性模型

网络RTK日益成为GPS主要的测量方式,而差分数据的精度是网络RTK的技术关键,针对其中两种常见的线性内插模型进行了深入的分析,针对线性组合法,提出了通过加权提高精度的方法,对减小卫星轨道误差,对流层延迟误差,特别是电离层延迟误差有着显著地帮助。     

卫星导航系统自主导航技术研究与验证

本文结合全球卫星导航系统自主导航技术发展现状,介绍了自主导航能力的发展特点及重要作用,分析设计了卫星导航系统自主导航体系架构,并对自主导航关键的时空基准保持技术进行了分析,提出了基于星间观测的完全自主导航的滤波算法、滤波状态噪声协方差信息选择方法及自主导航星载数据处理方法.论证了基于地面观测数据(锚固站)的半自主导航方法,比较了不同锚固站分布、数量及观测周期对自主导航性能的影响,并利用一套地面仿真试验系统验证了自主和半自主模式下的精密定轨和时间同步精度,可为卫星导航系统自主导航设计提供参考.     

基于超高精度多频点同波束VLBI技术的月球车精密相对定位

多频点同波束VLBI技术即用射电望远镜的主波束同时观测角距很小的两个探测器,据此得到两个探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延.作为同波束VLBI基本观测量的差分相位时延从本质上来说反映了两个探测器在天球上的角距信息.利用我国4个VLBI测站得到的差分相位时延数据,可实现月球车和着陆器在3.8×105km处的天球切平面上的2维精密相对定位,其相对定位误差应优于1m.在得到误差10m的着陆区月面地形图后,利用多频点同波束VLBI差分相位时延和着陆器测距数据,有望实现误差10m的月球车在月面上的精密相对定位.