北斗星基增强系统双频多星座服务覆盖范围评估

双频多星座(DFMC)服务已成为星基增强系统(SBAS)未来能力提升的重要方向之一,相关国际标准也将在2023年11月正式发布。北斗星基增强系统(BDSBAS)是全球范围内唯一持续播发DFMC增强服务测试信号的星基增强系统。在详细介绍SBAS DFMC服务可用性和保护级计算方法的基础上,利用实测的BDSBAS B2a增强电文对BDSBAS DFMC增强服务的一类垂向引导进近(APV-Ⅰ)/垂向导航信标性能(LPV)和决断高度200英尺垂向导航信标性能(LPV-200)等级的服务覆盖率进行了初步评估。评估结果表明,当前BDSBAS DFMC增强服务能够实现对中国及周边广大区域的服务覆盖,且双系统(BeiDou navigation satellite system和global positioning system, BDS+GPS)增强服务的APV-Ⅰ和LPV-200等级99%可用性覆盖率比单系统(BDS)增强服务的覆盖率分别提升16%和32%。

基于MHSS算法的ARAIM完好性和可用性预测

传统的接收机自主完好性监视只能提供非精密进近阶段的完好性监视,无法实现对完好性要求更加严格的飞行阶段的监视,而高级接收机自主完好性监视(Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring,ARAIM)可以在精密进近阶段为飞机提供满足航向信标性能垂直引导(Localizer Performance with Vertical guidance,LPV)的完好性监视服务。文章基于多假设分组解算法,根据目前的星座环境,结合民航不同飞行阶段的应用需求,对ARAIM算法进行仿真研究。针对水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)和垂直保护级(Vertical Protection Level,VPL)的指标,在不同星座组合环境下,选取南北半球不同经纬度的5个观测机场,分别仿真了HPL和VPL的变化情况,并对全球HPL和VPL平均分布趋势,以及以99%的概率满足LPV-200进近可用性指标时,ARAIM可用性的全球覆盖率进行了仿真预测分析。仿真结果表明,不论是全球定位系统和格洛纳斯双星座还是增加北斗卫星导航系统后的三星座,5个观测机场的HPL和VPL均能满足LPV-200进近对完好性指标的要求;但在全球范围内,双星座条件下,ARAIM并不能完全支持LPV-200进近对完好性监视的要求,而三星座则可大大提高ARAIM的可用性,为民航用户提供满足精密进近的所需导航服务性能。

ARAIM可用性预测系统的设计与实现

随着全球导航卫星系统空间星座的增多以及双频技术的发展,用于航路阶段的常规接收机自主完好性监测算法不能满足LPV-200进近对完好性的要求,因此,出现应用于进近阶段的高级接收机自主完好性监测(ARAIM)技术。针对LPV-200进近,基于对垂直保护限值的理论分析,研究ARAIM可用性预测算法,并设计ARAIM瞬时可用性预测系统。仿真结果表明,该系统能满足LPV-200进近对完好性的要求,在中国区域内,当可用性设置为99.9%时,ARAIM预测算法的覆盖率可达100%。

基于民航校验飞机的星基增强服务性能评估

为了进一步拓展全球卫星导航系统(GNSS)在民用航空等高生命安全领域的应用,世界各国争相发展星基增强系统(SBAS),美欧等SBAS已正式向民用航空领域提供了决断高度200英尺(约60.96m)的垂直导航信标性能(LPV-200)服务。我国的BDSBAS也已经完成系统建设,将向中国及周边区域提供满足国际民航组织(ICAO)一类垂直引导进近(APV-I)指标要求的单频增强服务。重点针对单频增强服务性能评估开展研究工作,首先从定位精度、完好性、可用性和连续性四个方面对星基增强服务评估方法进行了论述;再通过多次航空飞行试验对BDSBAS单频增强服务性能进行了验证,结果表明,航空飞行试验期间可满足APV-I设计指标要求;最后对BDSBAS单频增强服务在全国301个中大型机场的可用性进行了分析,非精密进近(NPA)可用性、APV-I可用性、LPV-200可用性在全国机场的覆盖率分别达到了97%、89.7%和83.1%。

北斗系统ARAIM可用性评估

随着北斗三号系统的建成,北斗系统各方面的性能得到了全面提升,大大提高了导航定位的精度和完好性,同时也为增强型接收机自主完好性监测(advanced receiver autonomous integrity monitoring,ARAIM)的发展提供了可能。基于此,本文在全球范围内选取10个均匀分布的MGEX(multi-GNSS experiment)测站一周的观测数据进行ARAIM试验,同时利用这7 d的广播星历进行可用性仿真预测评估北斗系统在亚太地区及全球范围内的ARAIM可用性。为了增加试验的真实性,同时采用航空测试数据进行试验。实测数据试验结果表明:在支持接收PRN1-46号北斗卫星的MGEX站点中,BDS-2/BDS-3 ARAIM可用性最低在95%以上,BDS-3在85%以上;航空数据中,BDS-2/BDS-3、BDS-3 ARAIM可用性均为100%。仿真预测结果表明:在亚太地区,BDS-2/BDS-3 ARAIM地面网络点的平均可用性大于90%和99.5%的覆盖比率分别为100%和96.15%,BDS-3 ARAIM平均可用性大于90%和99.5%的覆盖比率为100%和57.69%。在全球范围内,BDS-2/BDS-3 ARAIM地面网络点的平均可用性大于90%和99.5%的覆盖比率为79.94%和42.82%,BDS-3 ARAIM平均可用性大于90%和99.5%的覆盖比率为56.33%和25.32%。此外,BDS与GPS系统组合能够大幅度提高ARAIM算法的可用性。

ARAIM算法的风险概率优化分配

基础的ARAIM(advanced receiver autonomous integrity monitoring)算法将连续性风险和完好性风险概率平均分配给所有可见卫星,导致VPL(vertical protection level)较为保守。因此,采用了一种最大值最小化方法,利用Matlab的fminimax函数,对完好性风险和连续性风险进行合理分配,提高单星座ARAIM的可用性。实测数据的算例结果表明:无论是静态还是动态数据,最大值最小化方法都能够合理地进行风险分配。GPS和BDS单系统的VPL平均改善率为12.14%和10.63%,STD(standard deviation)平均改善率为78.69%和72.33%,并且该优化算法与其他两种优化算法相比,提高LPV-200下ARAIM可用性的效果更佳。仿真全球的结果表明:采用最大值最小化方法之后,GPS的ARAIM可用性大于90%、99.5%的覆盖范围由26.60%、0%分别增加到了38.69%、17.35%;BDS的ARAIM可用性大于90%、99.5%的覆盖范围由30.73%、19.91%分别增加到了34.28%、22.33%。

不同故障模式下的GNSS ARAIM性能评估

分析只考虑卫星故障以及同时考虑卫星故障和星座故障时,GNSS双星座、三星座以及四星座组合的ARAIM性能,通过实测数据分析地面测站在LPV-200下的ARAIM性能,并进一步仿真GNSS ARAIM在世界范围内LPV-200下的可用性。实测和仿真结果表明,ARAIM可用性由赤道向两极递减,呈对称分布;BDS作为异构星座,能够显著增加亚太地区的ARAIM可用性。相较于双星故障,单星和单星座故障同时发生时,GPS+BDS的ARAIM可用性下降幅度较大;GPS+GLONASS+BDS和GPS+GLONASS+BDS+Galileo的ARAIM可用性下降幅度较小。

GNSS接收机自主完备性监测高级算法的有效性验证

针对RAIM的高级算法——ARAIM,使之应用于对GNSS完备性和生命安全要求更高的领域,基于GNSS实测数据对ARAIM算法下的垂直保护水平、精度、有效监测阈值、连续性风险进行了研究,并对ARAIM算法下GNSS的可用性进行了评估。结果表明,相对于GPS系统而言,GPS/GLONASS系统下的垂直保护水平、精度、有效监测阈值、连续性风险及可用性完全满足LPV-200阶段的导航性能要求,验证了ARAIM算法在预测垂直保护水平、精度、有效监测阈值、连续性风险方面的有效性。