張?zhí)礻?yáng)

摘要：美國(guó)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(píng)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(cè)數(shù)據(jù)解析了BILL站點(diǎn)的LPV可用性，其次，使用R&S信號(hào)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(guó)比靈斯洛根國(guó)際機(jī)場(chǎng)LPV-200進(jìn)近的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，獲得并分析了進(jìn)近動(dòng)態(tài)過(guò)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(duì)比靈斯洛根國(guó)際機(jī)場(chǎng)LPV-200運(yùn)行支持良好，且與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析結(jié)果吻合。對(duì)LPV進(jìn)近及其可用性的研究，可為今后評(píng)估某一機(jī)場(chǎng)基于我國(guó)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(hào)：TN967.1/V19?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

本文結(jié)合實(shí)測(cè)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(cè)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(duì)基于WAAS的LPV可用性的研究，可為我國(guó)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(guò)解碼WAAS報(bào)文對(duì)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(duì)衛(wèi)星鐘差、電離層誤差和觀測(cè)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(jí)則是衡量完好性的重要參數(shù)。保護(hù)級(jí)分為水平保護(hù)級(jí)（Horizontal?protection?level，HPL）和垂直保護(hù)級(jí)（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(zhǎng)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(jí)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(cè)數(shù)據(jù)的LPV可用性解算

取國(guó)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(cè)站點(diǎn)2018年3月9日1?Hz實(shí)測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)（包含偽距和載波相位測(cè)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(hào)源和NovAtel?FlexPak6接收機(jī)。信號(hào)源產(chǎn)生并發(fā)射射頻（Radio?frequency，RF）信號(hào)，通過(guò)RF傳輸線與接收機(jī)相連，接收機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線和NovAtel?Connect軟件與PC連接，在Connect軟件端用戶可以對(duì)接收機(jī)進(jìn)行設(shè)置并選擇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。信號(hào)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(hào)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(kāi)啟WAAS功能。

模擬進(jìn)近選擇比靈斯洛根國(guó)際機(jī)場(chǎng)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(yǔ)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(wú)限長(zhǎng)的，在高度上截取6000～200ft的數(shù)據(jù)作為信號(hào)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(hào)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(kāi)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(hào)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(cè)文件，正常情況下可觀測(cè)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(guò)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(duì)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(guò)程中東、北和天向誤差（圖3～圖5）。進(jìn)近過(guò)程中的保護(hù)級(jí)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(shì)基本一致，故只選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像展示。

對(duì)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(guò)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(cè)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(guò)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(guò)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(hào)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(duì)比靈斯洛根國(guó)際機(jī)場(chǎng)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(duì)LPV進(jìn)近及其可用性的研究，可為今后評(píng)估某一機(jī)場(chǎng)基于我國(guó)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)

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