基于国产GBAS的咸阳机场CAT II/III精密进近引导飞行试验

卫星导航地基增强系统(Ground Based Augmentation System,GBAS),可以提高卫星导航的精度、完好性、连续性和可用性,使飞机在复杂天气和恶劣环境下依然能够实现安全、高效的进近和着陆,满足民航精密进近和着陆引导等高精度导航需求.目前GBAS一类精密进近(CAT I)服务水平已经完成验证和应用,但是其定位精度等服务水平仍不能完全满足民航需求.GBAS二类/三类精密进近(CAT II/III)具有更好的服务水平,其技术和应用仍在开发验证中.为了提高民航运行效率和安全,急需开展基于CAT II/III与CAT III的飞行校验活动.当前GBAS主要采用基于单频GPS的工作模式,在系统可用性、安全性和自主性方面非常受限,因此需要开发自主可控的兼容北斗的GBAS系统.本文设计了飞行校验方案,使用自主研制的国产GBAS设备,设计了飞行校验方案,在西安咸阳机场完成了CAT II/III盲降精密进近着陆引导的GBAS飞行校验.试验结果表明:兼容北斗的国产GBAS具备支持CAT II/III精密进近的能力,并且其性能远超传统仪表着陆系统(instrument landing system,ILS).这一成果的取得为我国航空运输的安全性提供了有力保障.

北京首都国际机场运行GBAS的考虑

地基增强系统(GBAS)是国际民航组织发展的新一代卫星导航着陆引导系统。GBAS通过向覆盖区域内的机载用户广播卫星导航差分修正信息实现精确定位和进近引导。简要介绍了北京首都国际机场GBAS台站图上初选情况,结合北京首都机场GBAS设备台站选址布局,分析了甚高频数字广播(VDB)信号覆盖情况,并对机场全球卫星导航系统(GNSS)性能进行了评估分析,验证了北京首都国际机场运行GBAS的可行性,为后续GBAS投入应用提供了技术基础。

基于SINS/GBAS组合导航的高精度进近着陆导航技术

可重复使用运载器在进近着陆阶段对位置偏差有较高的精度要求,而现有的组合导航方式的导航误差波动幅度较大,难以满足运载器在进近着陆段的导航要求。因此,本文利用捷联惯导系统(strap-down inertial navigation system,SINS)的非线性误差传播模型,以陆基增强系统(ground based augmentation system,GBAS)输出的精确位置信息为基础,建立SINS/GBAS组合导航方法,并给出“输出+反馈”的组合导航复合修正结构。通过在GBAS中引入电离层误差及对流层误差,从而实现了对于运载器定位误差在厘米级的精确定位。此外,通过引入扩展卡尔曼滤波技术,有效地抑制了惯导误差漂移的问题。通过数值模拟仿真,证明SINS/GBAS组合导航对飞行器进近着陆段的水平与高程定位误差不大于0.05 m,测速误差不大于0.05 m/s,从而证实了SINS/GBAS组合导航方式在可重复运载器在进近着陆段导航的可行性。

GBAS数据回放系统技术研究及实现

随着全球导航卫星系统(GNSS)地基增强系统(GBAS)在机场的长期使用,能够实现回溯历史数据、模拟卫星系统故障、进行GBAS运行性能的验证分析和问题定位,就显得很有必要,而如何使用GBAS系统记录的历史数据是实现以上功能的先决条件。通过研究实现了一套针对于GBAS原始数据的数据回放系统,方便了GBAS系统后期历史场景复现、问题定位和系统的性能验证和分析。

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.

GBAS基准站布设方案设计与评估方法

地基增强系统(GBAS)基准站的布设方式会直接影响系统精度与完好性,且与机场环境、卫星星座以及当地电离层活动情况密切相关。然而,美国联邦航空管理局(FAA)发布的GBAS选址标准只是给出了基准站布设的基本要求,没有深入考虑上述因素的影响。因此,GBAS基准站布设方案设计与评估方法需要进一步研究。首先,基于采集数据比较分析了5个机场典型GBAS基准站布设和伪距校正误差标准差。然后,结合理论和仿真研究了基准站个数对GBAS性能的影响,以及基线长度对星历故障监视和异常电离层梯度监视性能的影响。最后,提出一种GBAS基准站布设方案设计和评估方法,并辅以V型跑道的4个方案示例,为根据机场实际情况、GBAS星历故障监视和异常电离层梯度监视实际需求等设计和选择合适的方案提供参考。

地基增强系统(GBAS)飞行试验分析

作为一种新型的、基于卫星导航系统的精密进近和着陆系统,地基增强系统(Ground Based Augmentation System,GBAS)与其他传统的地基无线电精密进近和着陆系统在系统构成和应用上有很大的不同,因此,GBAS系统飞行校验的方法和校验内容也和这些传统的系统不一样。本文分析了在国内多个机场进行GBAS飞行试验的数据结果并据此对GBAS地面子系统的性能进行评估。结果显示GBAS系统可以满足CATI进近和着陆导航系统的精度要求,VDB信号覆盖和数据连续性也可以满足试验要求。

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。

基于层次分析熵权法的GBAS全寿命周期风险评估

地基增强系统(GBAS)通过向用户端提供差分修正信号,以此来提高卫星导航的定位精度。在GBAS整个寿命周期中存在各种运行风险,但针对GBAS研究集中于完好性算法、电离层风暴和多路径效应以提高精度;为进行GBAS风险研究,识别地基增强系统全寿命周期中生产、管理、地面、机载4个一级因素以及15个二级因素,构建GBAS风险评估指标结构,引入层次分析法建立模糊层次分析模型,利用熵权法对权重数据处理求出特征向量建立模糊关系矩阵,得到全寿命周期中GBAS综合评价值,结果表明系统处于相对安全范围,可为北斗地基增强系统的风险评估提供参考。

地基增强系统（GBAS）飞行验证方法研究

为改善终端区导航服务性能，支持GPS差分精密进近和着陆，国际民航组织提出了地基增强系统（GBAS）。为验证地基增强系统是否满足民用航空运行标准，需要对其进行飞行验证。本文详细讨论了对GBAS系统的飞行验证过程，包括地面子系统和机载子系统的平台建设，以及飞行验证方法。试验结果表明被测GBAS系统符合国际民航组织颁布的GBAS运行标准，满足一类精密进近要求。

GBAS对流层修正模型研究

本文对RTCA标准中的差分对流层修正模型进行分析与仿真,分别使用差分对流层修正模型及Hopfield模型在不同流动站高度场景下进行伪距差分定位仿真试验,统计了定位精度,初步验证了差分对流层修正模型的适用性。结果表明差分对流层修正模型在高空误差较大,进而导致伪距差分定位精度的下降。

基于多参数稳定分布的GBAS垂直保护级计算

针对全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的地基增强系统(ground based augmentation system,GBAS)的完好性评估过程中,使用误差包络理论计算保护级(protection level,PL)时,误差模型存在的“厚尾”“不对称”“非零均值”等问题,提出了基于稳定分布的误差包络理论。首先给出了高斯包络理论计算PL的模型;其次推导了两参数与四参数稳定分布误差包络算法;最后使用仿真数据和通过实验测得的数据,对多参数稳定包络模型的算法进行评估。结果表明多参数稳定包络法在相似的计算复杂度下,解决了高斯包络法建模时过于保守的问题,显著提高了保护级计算的精确性。

基于GBAS的飞机精密进近性能分析

精密进近着陆是整个航空飞行中的关键阶段,地基增强系统(GBAS)能够为航空导航提供实时和可靠的高精度定位服务。为了提高GBAS Ⅲ类(CAT Ⅲ)精密进近导航性能,建立了GBAS精密进近仿真模型,设计了GBAS载波相位平滑伪距以及差分修正算法,评估了双频全球导航卫星系统(GNSS)和GBAS算法在精密进近过程中的精度。仿真结果表明,与双频GNSS算法相比,GBAS算法可有效降低定位误差,满足CAT Ⅲ精密进近的精度要求。

机载GBAS接收机品质因数适航符合性验证

品质因数(FOM)是描述地基增强系统(GBAS)定位服务性能的重要参数,其适航符合性是指该参数达到相应适航标准。本文基于航空无线电技术委员会(RTCA)等的相关标准,深入分析研究了FOM的含义及解算过程,在此基础上,结合中国民航GBAS适航的技术标准规定,给出了该参数适航符合性验证的方法、原理和流程,并基于相应动力学环境和X-Plane采集的飞行数据,对A类机载GBAS接收机的FOM进行了符合性验证仿真。仿真结果及数据统计和分析表明,A类接收机的FOM满足适航性要求,与A类接收机有关FOM的适航标准吻合,证明所给品质因数适航符合性验证理论和方法的正确性。研究成果可为我国机载GBAS接收机的适航审定提供相应的理论和方法支持。

北斗GBAS机载接收机最后进近航段偏差研究

偏差是陆基增强系统(GBAS,ground-based augmentation system)机载接收机适航论证的重要性能指标。根据美国航空无线电委员会(RTCA,Radio Technical Commission for Aeronautics)颁布的DO-253D中对GBAS机载接收机偏差输出的要求,分析研究了偏差的来源,给出了完整的偏差解算过程,并推导出偏差阈值。随后,分别在静态和动态场景下对基于北斗的GBAS机载接收机偏差输出进行仿真分析。结果表明,基于北斗的GBAS机载接收机偏差输出能够满足精密进近引导输出的要求,可为中国GBAS机载接收机适航标准的制定提供理论支持。

GBAS与ILS联合导航系统数据融合方法与验证

电离层延迟和多径干扰分别是陆基增强系统(ground-based augmentation systems,GBAS)和仪表着陆系统(instrument landing systems,ILS)的主要干扰源。在实现GBAS与ILS时间对准和空间对准的基础上,分析了电离层风暴对GBAS以及多径干扰对ILS的影响;通过深入解析从模拟飞行软件X-Plane采集的多次进近着陆飞行数据,建立了飞机精密进近着陆阶段的运动模型;引入了一种基于改进的Sage-Husa自适应滤波和方差估计学习算法的GBAS与ILS数据融合方法;基于X-Plane及自行开发的数据采集模块构建了实验验证系统,并针对GBAS不受电离层风暴的影响、ILS受弱多径效应影响,GBAS受电离层风暴的影响、ILS受弱多径效应影响,以及GBAS不受电离层风暴的影响、ILS受多径效应影响三种情况展开仿真实验。实验结果表明,改进的Sage-Husa算法能有效抑制电离层风暴对GBAS的影响以及多径对ILS的干扰,使GBAS与ILS联合后的导航系统在相应干扰条件下,能为飞机提供满足I类精密进近精度要求的水平和垂直引导,有效提高精密进近运行的生存能力。

GBAS应用于民用航空的研究

北斗地基增强系统(GBAS),作为我国自行研发的导航系统,系统的完好性问题始终是应用中不可回避的问题。文章在研究北斗地基增强系统完好性及其相关理论知识的基础上,结合民航中实际出现的问题,将抽象的理论知识用计算与相关流程直观地表示出来。充分研究系统完好性理论,为今后提高民航导航系统安全和所需导航性能做了铺垫。

一种双VDB台站GBAS系统的飞行校验方法

卫星导航地基增强系统是一种旨在代替传统仪表着陆系统的终端区进近引导设施,安装一套设备即可为机场的多条跑道提供进近引导服务。对于一些大型机场,通常会在地面安装两个VDB发射台以增大其覆盖范围,但是传统的飞行校验不能区分信号是哪个台站发出的,因此在多个台站的情况下无法评估各台站的覆盖性能。针对这一问题,提出了一种基于EVSF1000设备的多时隙数据分析方法,通过对VDB信号的8个时隙数据进行解析和数据处理,从而实现在一次飞行中完成对两个地面台站VDB信号和数据的评估,从而满足了双VDB台站配置系统的飞行校验需求。所提出的方法在天津滨海机场的GBAS校验飞行测试中得到验证,可成功实现对双VDB台站的检查评估。

关于GBAS完好性统计量最佳门限值验证性研究

在地基增强系统(GBAS)的差分与完好性监测算法中,伪距差分是经常采用的一种测量差分模式,它在短基线情况下能够有效消除绝大部分空间相关测量误差和时间相关误差,从而能够有效提高机载端定位精度。而在其完好性算法中,统计量门限值的选取是很重要的一个环节,门限值计算公式中虚警率对应的分位数a如何取值,直接决定着最终机载端差分定位结果的好坏。本文通过采集大量的GBAS差分卫星地面站完好性统计量数据进行分析,并以步长“2σ”为间隔依次进行完好性统计量门限值的分析,最终通过比对伪距差分定位结果进一步验证门限值选取“6σ”的合理性。