劉瑞華，劉 暢

GBAS飛行測試仿真驗證

劉瑞華，劉 暢

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

地基增強系統(tǒng)（GBAS）能夠彌補傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的諸多缺陷。為了評估GBAS系統(tǒng)的導(dǎo)航性能和系統(tǒng)性能，驗證GBAS進近服務(wù)在不同運行條件下的總體性能，通常需要展開相應(yīng)的飛行測試。考慮到GBAS飛行測試需要結(jié)合特定的測試設(shè)備和運行環(huán)境來進行，過程一般十分復(fù)雜。在實驗室環(huán)境下，結(jié)合Flight Gear和Matlab軟件，采用仿真數(shù)據(jù)代替實測數(shù)據(jù)，仿真驗證GBAS系統(tǒng)的I類精密進近（CAT I）與著陸階段所需導(dǎo)航性能（RNP）。仿真結(jié)果表明，GBAS系統(tǒng)可以滿足CAT I進近和著陸的性能要求，能夠為基于北斗的GBAS技術(shù)在民航領(lǐng)域中的推廣提供解決方案。

地基增強系統(tǒng)；飛行測試；進近著陸

0 引言

一種以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）地基增強系統(tǒng)（Ground-Based Augmentation Systems，GBAS）為導(dǎo)航基礎(chǔ)的進近和著陸系統(tǒng)（GNSS Landing System，GLS）是利用GBAS進行增強和引導(dǎo)的新一代飛機進近著陸系統(tǒng)[1]。隨著BDS-3衛(wèi)星導(dǎo)航星座組網(wǎng)完成，有必要對北斗在民航領(lǐng)域的推廣及應(yīng)用進行深入研究。本文在實驗室環(huán)境下，利用相關(guān)儀器設(shè)備和計算機軟件，從理論仿真驗證的角度出發(fā)，圍繞民用航空器在I類精密進近（Category I Precision Approach，CAT I）與著陸中的相關(guān)性能指標(biāo)，對GBAS系統(tǒng)性能進行理論分析和相應(yīng)的仿真測試驗證。

目前，國外基于GPS的CAT I 進近和著陸的研究已基本成熟，正積極開展支持CAT III認(rèn)證工作[2]。國內(nèi)為了克服傳統(tǒng)導(dǎo)航和儀表著陸手段受限的局面，正積極開展對GBAS精密進近的性能研究，支持I類精密進近的GBAS設(shè)備已在多地機場安裝運行，支持II、III類精密進近的GBAS設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)正在開發(fā)驗證中。文獻[3]從進近及著陸的國際標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，提出了一種兼容不同導(dǎo)航系統(tǒng)的GBAS進近著陸定位算法，此算法兼容北斗和GPS系統(tǒng)，為飛行試驗提供了參考依據(jù)，但缺少嚴(yán)格的模擬仿真試驗。文獻[4]驗證了系統(tǒng)精度和完好性，通過驗證GBAS增強算法在單、雙星座環(huán)境下的系統(tǒng)性能，表明雙星座聯(lián)合互操作是提高GBAS系統(tǒng)性能的有效手段，但是實驗缺乏對仿真條件的進一步設(shè)置。文獻[5]將GBAS算法與雙頻GNSS算法相比較，結(jié)果能夠達到CAT III的精度要求，但其定位性能還有待提高。

本文首先對GBAS系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理進行簡要介紹，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對GBAS I類精密進近的系統(tǒng)性能和導(dǎo)航性能要求，詳細(xì)闡述了GBAS涉及到的增強算法；其次，結(jié)合GBAS運行原理，由Matlab完成數(shù)據(jù)處理的解算，建立與Flight Gear聯(lián)合仿真測試方案，完成GBAS引導(dǎo)進近著陸航段的模擬，利用Simulink搭建3D視景顯示界面，并對地面基準(zhǔn)站布設(shè)方式進行介紹；最后，根據(jù)不同條件下的測試環(huán)境，對導(dǎo)航信息、系統(tǒng)功能、導(dǎo)航性能進行分析，實現(xiàn)對GBAS系統(tǒng)性能和導(dǎo)航性能的仿真評估，為GBAS I類精密進近導(dǎo)航技術(shù)的進一步發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 GBAS關(guān)鍵技術(shù)研究

GBAS系統(tǒng)由三部分組成：衛(wèi)星、地面和機載子系統(tǒng)。GBAS作為一項支持進近和著陸導(dǎo)航階段的新技術(shù)，需要較為全面地對其性能、功能展開測試，RTCA DO-245A[6]中對GBAS I類精密進近性能要求的規(guī)定如表1所示。

表1 精密進近階段精度和完好性要求

注：① 1英尺=30.48 cm；② V代表垂直方向；③ L代表水平方向

1.1 GBAS系統(tǒng)性能測試仿真驗證原理

1.1.1 差分增強技術(shù)

GBAS的核心要素是差分技術(shù)，該系統(tǒng)使用本地差分技術(shù)來解決傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度不足的缺點[7]，實現(xiàn)飛機的精密進近。GBAS定位解算過程如圖1所示。

將基準(zhǔn)接收機的位置和測距源的瞬時位置做差即可計算出地面到測距源的距離，如式（1）所示：

如果機載接收機接收到超過四個修正的偽距測量值時，則可以在最小二乘法中使用線性模型計算飛機的位置。

圖1 GBAS差分定位原理框圖

1.1.2 完好性增強技術(shù)

由于在GPS中核心星座的幾何結(jié)構(gòu)變化會造成性能隨之變化，為了評估機載端完好性風(fēng)險，引入“保護級”概念并和相應(yīng)的告警門限對比，及時預(yù)警[8]。

垂直/橫向保護級（Vertical/ Lateral Protection Level，VPL/LAL）算法如式（5）所示：

1.2 GBAS導(dǎo)航性能測試仿真驗證原理

對單架飛機和系統(tǒng)而言，飛機在預(yù)期航路的飛行能力要滿足基于性能的導(dǎo)航手冊中所定義的導(dǎo)航性能需求。根據(jù)系統(tǒng)的導(dǎo)航需求確定GNSS系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（Figure of Merit，F(xiàn)OM）要求和速度精度要求。

1.2.1 FOM

FOM是描述GBAS機載位置與導(dǎo)航（Position And Navigation，PAN）設(shè)備性能的重要指標(biāo)[9]。GBAS機載設(shè)備為每個PVT輸出計算信號所在空間的FOM，用于監(jiān)測輸出位置誤差是否滿足導(dǎo)航系統(tǒng)精度（95%）的要求。

品質(zhì)因數(shù)分為水平位置品質(zhì)因數(shù)（Horizontal Vertical Position Figure of Merit，HFOM）和垂直位置品質(zhì)因數(shù)（Vertical Position Figure of Merit，VFOM），計算公式如式（9）所示：

1.2.2 速度精度

速度精度包括水平速度精度和垂直速度精度，GBAS機載設(shè)備遵循如式（11）所示的算法計算速度精度統(tǒng)計量：

當(dāng)北斗可見星能提供≤1.5水平精度因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）時，水平速度精度統(tǒng)計量如式（13）所示：

當(dāng)北斗可見星能提供≤3.0垂直精度因子（Vertical Dilution of Precision，VDOP）時，垂直速度精度統(tǒng)計量如式（14）所示：

2 GBAS系統(tǒng)測試驗證平臺

2.1 驗證平臺的建立

試驗圍繞BDS地基增強系統(tǒng)和基于Flight Gear飛行仿真軟件性能進行視景仿真，制定數(shù)據(jù)交互式性能方案，GBAS測試的系統(tǒng)方案如圖2所示[10]。

在Flight Gear與Matlab聯(lián)合仿真時需借助Simulink建模、分析和仿真實現(xiàn)各種動態(tài)環(huán)境，幫助用戶快速地建立圖形化交互環(huán)境。Flight Gear與Matlab對接過程如圖3所示。在進近著陸時，將航路信息輸入給Flight Gear，通過模擬飛行器加載，飛機由多模接收機（Multi Mode Receiver，MMR）設(shè)備引導(dǎo)按照既定的飛行程序進行飛行校驗，生成飛機下降的視景仿真過程。

圖2 GBAS測試驗證方案框圖

圖3 Simulink對接過程

2.2 地面基準(zhǔn)站選址方法

在設(shè)計飛行測試方案時要考慮的一個重要的問題就是地面參考站的位置，典型的參考站配置平面圖有“方形”和“交錯型”[11]，本文設(shè)定的方形基準(zhǔn)站如圖4所示。

圖4 地圖參考的方形基準(zhǔn)站布局

3 GBAS仿真測試校驗

3.1 可見星仿真

為驗證終端區(qū)系統(tǒng)性能，以基準(zhǔn)站中心點為參考，采用第782周BDS歷數(shù)數(shù)據(jù)進行仿真驗證，仿真開始時間為2021年5月20日8時，仿真中觀測點設(shè)定為天津濱海國際機場附近（39.112°N，117.344°E），衛(wèi)星高度角選取為5°，選擇可見星和精度因子（Dilution of Precision，DOP）值作為分析指標(biāo)[12]，分析BDS性能，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，1天內(nèi)可見星數(shù)目最多為25顆，最少為15顆，滿足基本的定位要求；且值波動集中在0.4～1.4 m之間，衛(wèi)星幾何架構(gòu)分布良好。

圖5 BDS可見星數(shù)目

圖6 幾何精度因子變化曲線圖

3.2 仿真模型與仿真軌跡

通過對甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VHF Data Broadcast，VDB）消息體系的解析，利用Flight Gear模擬飛行器中客機的模型并參考天津濱海國際機場34L跑道的信息，由固定坐標(biāo)點：著陸入口點39.111°N，117.356°E（3.7 m）、最后進近點39.215°N，117.299°E（600 m）以及對齊跑道中心點39.147°N，117.358°E（3.7 m）所確定的3°的理想下滑，用作測試GBAS系統(tǒng)性能和導(dǎo)航性能的參照對象。

模擬仿真環(huán)境下飛行高度閾值為600 m，實際飛行速度為150 m/s，從350 m處完成進近著陸過程，進近著陸飛行過程中的部分截圖如圖7所示。

3.3 GBAS系統(tǒng)性能仿真評估

3.3.1 載波相位平滑偽距差分定位仿真

靜態(tài)仿真以3.2節(jié)所生成的理想下滑道[0,0,0]點作為靜態(tài)觀測點，采樣時間24 h，仿真步長100 s，共計864個樣本。GBAS機載接收機和地面基準(zhǔn)接收機均選用A類接收機。在動態(tài)仿真場景下，飛機按照MMR設(shè)備的指令，依據(jù)GBAS設(shè)定的飛行測試方案，沿著航跡動態(tài)飛行。

靜態(tài)和動態(tài)場景下，經(jīng)過載波相位平滑后各個方向的定向誤差與仿真時序的關(guān)系圖分別如圖8和圖9所示，并對比不同定位方式的定位誤差。

圖8 靜態(tài)場景定位誤差

圖9 動態(tài)場景定位誤差

GLS進近場景3D定位軌跡比較如圖10所示，相應(yīng)誤差區(qū)間如表2所示。

圖10 定位軌跡比較

表2 定位誤差區(qū)間表

從圖8和圖9中可以看出，在靜態(tài)和動態(tài)仿真場景下，經(jīng)過載波相位平滑后的東北天向誤差分布較為集中，其中天向誤差變化在-4～+4之間，變化幅度較大，但在誤差閾值以內(nèi)，說明滿足I類精密進近；從圖10可看出載波相位平滑偽距定位、偽距差分定位、獨立定位三種定位方式的定位誤差，其中載波相位平滑偽距定位的軌跡更接近理想GLS航跡，同時，結(jié)合表2可分析出，載波相位平滑偽距差分定位誤差波動較小，定位效果最好。

3.3.2 機載端完好性監(jiān)測仿真

靜態(tài)仿真場景下，機載接收機接收測距信號計算的保護級結(jié)果如圖11和圖12所示，其中將機載端LAL與VAL檢測門限一并標(biāo)出。從圖11和圖12可看出，基于BDS的增強系統(tǒng)進行GBAS引導(dǎo)時，滿足I類精密進近要求。

圖11 靜態(tài)場景假設(shè)下保護級變化曲線

圖12 靜態(tài)場景假設(shè)下保護級變化曲線

由圖13和圖14中LAL與VAL閾值變化曲線可以看出，隨著飛機與著陸入口點和對齊跑道中心點的距離逐漸減小，相應(yīng)告警閾值逐漸降低；且每一時刻橫向、垂直和水平保護級分別與相應(yīng)的告警門限值進行比較，均小于相應(yīng)閾值，說明在動態(tài)仿真測試環(huán)境中進近服務(wù)和定位服務(wù)中滿足I類精密進近的完好性要求。

圖13 動態(tài)場景假設(shè)下保護級變化曲線

圖14 動態(tài)場景假設(shè)下保護級變化曲線

3.4 GBAS導(dǎo)航性能仿真評估

3.4.1 品質(zhì)因數(shù)仿真

當(dāng)飛機沿著理想航跡進行動態(tài)飛行時，機載接收機品質(zhì)因數(shù)實時變化曲線如圖15所示。

圖15 機載接收機品質(zhì)因數(shù)變化曲線

將HFOM和VFOM不同時刻值的誤差和告警門限進行比較，VFOM波動曲線大體分布在5 m以下，HFOM變化較為平穩(wěn)。根據(jù)變化曲線可以看出均小于I類告警門限。

3.4.2 速度精度仿真

為實現(xiàn)對飛行過程中速度精度的仿真，以ICAO定義的飛行階段為基礎(chǔ)，根據(jù)飛機完整的飛行過程，對爬升飛行階段、水平飛行階段和下降飛行階段的飛機速度進行仿真模擬，具體的機動過程如圖16所示。

圖16 正常機動飛行測試過程

接收機起始位置設(shè)置為：39.205°N，117.297°E（1 000 m），接收機位置的末端坐標(biāo)設(shè)置為：39.681°N，118.259°E（1 000 m），仿真時需要提供水平方向動力學(xué)符合性驗證環(huán)境和垂直動力學(xué)符合性驗證環(huán)境，在所設(shè)置的環(huán)境下進行仿真分析。采樣頻率1 s取5次，共計2 200個定位點，動力學(xué)環(huán)境下的飛行軌跡如圖17和圖18所示。

圖17 水平方向符合性驗證飛行軌跡

圖18 垂直方向符合性驗證飛行軌跡

根據(jù)動力學(xué)環(huán)境以及上述的仿真參數(shù)，相應(yīng)地得到95%的速度統(tǒng)計量如圖19和圖20所示。

由圖19和圖20可知，隨著樣本數(shù)量增加，水平和垂直速度精度統(tǒng)計量均有下降趨勢，且水平方向變化更為緩慢；水平速度精度統(tǒng)計量最大值為3.8≤10-；垂直速度精度統(tǒng)計量從28英尺/s逐漸平滑，均≤50-，說明機載設(shè)備的速度精度輸出測試通過。

圖19 水平速度精度統(tǒng)計量

圖20 垂直速度精度統(tǒng)計量

綜合以上對系統(tǒng)性能分析和導(dǎo)航性能分析，設(shè)計仿真測試平臺主界面和各項功能菜單，點擊菜單，所包含的信息如圖21所示。

圖21 菜單具體內(nèi)容項

如圖21所示，菜單具體內(nèi)容項中點擊“加載航路”，隨即顯示出可供加載的多條終端區(qū)最后進近路徑，根據(jù)所設(shè)定的具體仿真時段，在測試仿真平臺中模擬實際運行情況。

4 結(jié)語

本文完成了北斗GBAS性能仿真驗證，對飛行過程中的系統(tǒng)性能進行了仿真分析，得到了兩點結(jié)論：

1）基于靜態(tài)、動態(tài)兩種仿真場景，結(jié)合最后進近航段（Final Approach Segment，F(xiàn)AS）對系統(tǒng)精度和完好性進行整體仿真方案設(shè)計，對GBAS系統(tǒng)的導(dǎo)航信息、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)性能進行了分析，結(jié)果表明GBAS系統(tǒng)性能均符合I類進近要求。

2）采用Flight Gear與Matlab聯(lián)合仿真，利用Simulink搭載3D視景實時顯示界面，實現(xiàn)對接，可在進近著陸過程中切換駕駛艙視野實現(xiàn)不同角度觀測。最后進行系統(tǒng)集成，根據(jù)測試設(shè)定的具體條件，模擬實際運行情況。研究表明，新型地基增強系統(tǒng)在民航中具有較大的優(yōu)勢，相關(guān)仿真結(jié)果對國內(nèi)積極開展GBAS飛行試驗具有指導(dǎo)意義，可以為I類精密進近的GBAS在機場安裝運行提供理論基礎(chǔ)。

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Simulation Verification of Beidou Ground-Based Augmentation System Performance

LIU Ruihua, LIU Chang

GBAS can provide a remedy for many shortcomings of traditional navigation systems. To evaluate the navigation performance and system performance of GBAS and to verify the integrated performance of GBAS approach services under different types of operation conditions, it is usually necessary to conduct corresponding flight tests. Considering that GBAS flight tests need to be conducted in combination with specific test equipment and operating environment, the process is always very complicated. Therefore, simulation data is adopted instead of real-collected data to simulate and verify the landing period Category I Precision Approach (CAT I) and Required Navigation Performance (RNP) of GBAS in a laboratory environment with Flight Gear and Matlab software. The simulation results show that GBAS can meet the CAT I approach and landing performance requirements and can provide a solution for the promotion of Beidou-based GBAS technology in the civil aviation field.

GBAS; Flight Test; Approaching and Landing

V243.6

A

1674-7976-(2022)-05-325-09

2022-04-27。劉瑞華（1965.10—），陜西藍(lán)田人，博士，教授，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2016YFB0502402）