浅析地基增强系统完好性技术
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摘 要：地基增强系统GBAS作为民用航空飞机精密进近及着陆引导的新型导航系统，必须尽可能减少误差，滤除不正常卫星数据信息，确保导航信号中不含有错误指示，因此GBAS完好性技术及完好性监测是十分重要的环节。文章将对地基增强系统的部分完好性技术进行介绍，并针对完好性监测的方法与构架展开研究。通过各类算法的解析，分析多系统中各误差的监测原理、工作逻辑及处理过程，从而得出系统完好性结论，并针对不同误差和干扰，提出完善建议。
关键词：GBAS；地基增强系统；完好性；完好性监测；监测执行
引言
随着我国民用航空业的迅速发展，持续增长的航空业务量对机场导航设施设备提出了更高的要求。GBAS 地基增强系统，作为民用航空导航新技术，能有效解决传统导航方式的各类缺陷，实现以GPS 为核心的全天候、高精度、高可靠性的进近、着陆引导。
GBAS 主要用于机场终端区，是提供飞机进近及着陆的卫星差分定位导航系统，其系统组成如图1所示。
图1 GBAS系统组成图
GBAS 工作原理：地面站收到卫星数据，发至数据处理中心。处理中心对收到的卫星信息进行完好性监测，过滤有可能存在的故障及部分误差信息。过滤后的卫星信息，将用于计算对应的差分修正量，并再次开始完好性监测。监测完毕后，利用VHF网络将差分修正量及完好性信息发送至飞机，为系统覆盖区内的飞机提供导航服务。
GBAS 作为精密进近、着陆引导的导航设备，应尽可能减少卫星差分信息的误差，过滤故障及不正常卫星数据，确保广播至飞机用户的数据中不含有错误信息。因此，系统完好性技术及完好性监测是GBAS 系统中的重要环节，下文将进行详细分析。
1 建立多系统GBAS 风险模型
GBAS 的误差及干扰包括机载、地面和卫星部分。主要有时钟误差、星历误差、信号畸变误差、多径效应误差、差分数据误差等。完好性监测算法应针对各误差的完好性影响及概率分布，来分别处理。
因此，正确分析卫星导航局域增强系统的完好性风险模型，是提高完好性监测算法有效性的基础，包括如下两个方面的内容：
1.1 建立系统数据处理误差模型
系统误差模型的建立是一个复杂的过程，必须考虑每个观测量的误差分布的等级，同时还必须考虑每个数据处理模块的误差分布和等级。对每个处理过程产生的检测概率进行评估，衡量误检概率和漏检概率。并依据误差分布和检验算法的特点，分配系统指标。通过仿真手段验证系统误差模型建立的正确性。
1.2 建立系统设备故障模型
为了保证空间信号的可用性，由地面站的差分校正信息必须具有高的可用性，因此需要建立系统设备故障模型。地面站的设备较多，包括监测接收机、数据处理设备、通信设备等，这些设备数量多少需要通过系统设备故障模型进行可用性指标分配，才能确定。
通过建立多系统故障模型，根据不同模型情况，进行监测算法设定。
2 多系统GBAS 完好性监测
完好性监测是对卫星完好性进行监视的一种处理方法，对可能的故障源分别进行检测排查。完好性监测包括信号质量监视、数据质量监视、观测量质量监视，并通过综合处理及多接收机一致性检验排除不可用卫星，并计算出满足完好性要求的可用卫星组，用于导航信号计算。信号质量监视方法（SQM）：应用满足局域增强要求的基准站接收机对卫星信噪比、码-载波偏差和空间信号的畸变进行监视，完成信号质量的监视；数据质量的监视（DQM）：主要对星历的异常进行监视，通过使用新旧星历对比等方法生成星历的判断结果；观测量数据监视（MQM）：通过对伪距中的阶跃、加速和跳变等变化监视，保证伪距没有发生大的突变；接收机多基准一致性检验（MRCC）：对比多台接收机的B值，判定监视接收机是否发生故障；综合判断（EXM）：对各种检验方法生成的判断结果进行综合分析，形成满足完好性指标要求的可用卫星组，保证机载的完好性得到保护；多系统完好性监测，为独立监视加综合判定模式，首先对某一个系统的观测值使用以上方法进行判定，然后综合判断多个系统的判断结果。将观测值转换至相同时空标准下，进行综合判断处理，计算出完好性达标的可用卫星组。不同的故障及误差，按照系统结构划分，分别以不同的监测方法进行监测，以下就各完好性监测方法分别进行分析。
2.1 信号质量监测
SQM 是对GPS 伪随机码的畸变进行监测。GBAS 信号质量监测模块接收到卫星数据的伪随机码，并同本地生产的伪随机码进行相关处理，以处理结果是否畸变，来判断伪随机码的畸变。
SQM 对GPS 信号功率进行监测，当信号功率低于标称值时，即可能存在误差，系统完好性降低。SQM 的功率监测计算在t和t-1时刻，接收机的通道m与所锁定的卫星n的平均载噪比C/N0，如式（1）。
C/N0与设置的门限对比，若未超过门限数值，则说明接收信号功率过小，存在完好性风险；相反，则通过监测。
（1）
不同的接收机系统配置及外界环境不同，设置的门限也有所不同。
2.2 数据质量监测
DQM 主要对收到的GPS 电文进行监测。GBAS 数据处理中心用数据质量监测方法检查更新的卫星星历和时钟信号可用性。
卫星星历两小时一更新，前一时间在接收机的范围内的卫星，DQM 利用新星历及旧星历，分别计算卫星方位，通过比较方位信息，对新星历的可靠性进行检查。最出现在范围内的卫星，DQM 利用新星历，计算出十个小时内的方位，与最新的卫星历书计算的方位进行对比，判定新星历的完好性。
2.3 测量质量监测
MQM 对因时钟信息不正常及设备故障所造成的数据步长突变误差及其它剧烈变化误差进行检查。MQM 由三个监测模块组成：（1）通过对参考接收机报告的锁定时间差进行计算，来保证相位一致性；（2）对载波相位测量值的步长、加速度及斜率等参数变化情况进行监测，当其某个参数或某几个参数超过设定门限时，测量值所对应通道的质量监测不通过；（3）载波平滑的码相位测量更新值检测，主要是用于检查原始伪距值的步长误差及脉冲误差。当超过门限的更新值大于等于2时，更新值对应的通道质量监测不通过。
2.4 接收机一致性监测
SQM 监测、DQM 监测以及MQM 监测处理后的信息，进行EXM-I 监测执行。最终数据将用来计算GPS的差分修正值。一致性监测通过计算卫星及对应接收机修正值的一致性参数（即B值），过滤修正误差超过门限的某一接收机或某一通道。
B值计算：
式中：？渍ca，i，n（0）为通道（m，n）初始相位，Sn为所有接收机集合，Mn（k）为k时刻，卫星n对应的接收机数量。
图2为MRCC 检测流程图。首先，检测是否拥有可用卫星集合，当不存在可用集合时终止检测；当存在可用集合时候计算B的和值。通过判定和值与高斯包络法所计算的门限值的大小，并根据通道情况，判定出四种结果并返回。
图2 MRCC故障监测流程图
图3 EXM-II预筛选
图3为监测执行流程图。接收机一致性检测的结果，经过EXM-II进行监测执行处理。如结果不为0和2，滤除可用卫星集合SC中，B值最大的通道数据，用SC中剩余数据再次计算B值，并重复MRCC监测。
2.5 均值与标准差监测
简称？滓？滋监测。一致性监测中计算的B值，作为均值与标准差监测的输入，使伪距修正误差分布在标准差为？滓pr_gnd，均值为0的高斯区间，用以检测真实的伪距修正误差分布是否存在偏移。
2.6 测信息域范围测试
简称MFRT，是把伪距修正值及修正率，和设定门限对比，用来判断数据可信度。MFRT是数据处理中心广播至飞机前的EXM-II 中的最终检查方式。伪距修正率定义为：
（4）
式中，TS为采样时间间隔。
3 多系统GBAS 完好性监测执行
SQM、DQM与MQM算法所产生报警标识的故障，由监测执行EXM-I进行分析处理。当三个监测模块中检查到误差和故障，监测执行处理输出flag=1，反之输出flag=0。并形成以下两个矩阵：
和 （5）
矩阵中参数Tmn为数据通道，Dmn为处理结果，0为正常，1为故障，NULL 为未跟踪到卫星。结果如表1所示，“√”为可用，“×”为故障，“-”为未跟踪到。
表1
由表1 可知，处理结果为三种状态：（1）单卫星与单接收机结果为故障；（2）单卫星与若干接收机结果为故障；（3）若干卫星与若干接收机结果为故障。
（1）状态为测量值为滤除状态； （2）状态为该单卫星测量值滤除状态；（3）状态为该单接收机测量值滤除状态； （2）、（3）同时出现为全部卫星和全部接收机测量值滤除状态。
利用EXM-I处理所得的可用卫星集合SC，使接收机时钟调节计算过程中使用相同SC集合。SC至少由两个可用接收机跟踪的至少四颗卫星组成。如三个接收机所跟踪的卫星数目少于四颗，则选择任意两个接收机组成的最大可用集合。如至少四颗卫星的可用集合不满足，则删除所有测量值，重置IMT。
EXM-II主要处理MRCC、？滓？滋和MRFT等监测算法产生的故障及报警信息，滤除存在较大误差的差分修信息，保障飞机接收导航数据完好性。
图4 EXM-II预筛流程图
图4为EXM-II 监测执行图，当B值存在故障状态，从可用集合SC中滤除对应通道，剩余SC数据再次计算B值，并进行MRCC 监测。当EXM-II返回为非0，将转至EXM-II故障排除。EXM-II循环重复处理最大为4次。当EXM-II返回为0，则执行？滓？滋及MFRT 检测，如通过，则结束EXM-II，如没有通过，则重复以上监测流程。如MRCC 返回状态为0，则结束EXM-II ；反之滤除可用集合，并再次计算B，重复MRCC和EXM-II故障排除流程。
4 结束语
文章对地基增强系统完好性技术及完好性监测的相关内容进行研究分析，解析各系统组成及算法流程。GBAS 在实际运行中存在的大部分误差及干扰，能有效的进行监测与过滤，时钟误差、星历误差、信号畸变误差、多径效应误差、差分数据误差等均得到有效控制，可以达到机场精密进近及着陆引导的各项指标要求。
GBAS 地基增强系统，目前仍为试运行阶段，针对系统完好性的各项技术功能，也在不断完善之中。现有系统中各完好性监测算法部分较为复杂，且不能完全排除干扰信息，有进一步改善空间，后续可继续进行分析研究。除去地面系统本身完好性技术外，亦可使用配套设施设备及相关技术，提高系统完好性，如抗多径宽频带天线的使用、地基增强系统环境评估技术、多频点处理技术应用，均能较好提高GBAS 系统完好性。相信在未来几年内，GBAS 将会得到更为广泛的应用。