基于码减载波和B值的GBAS精度性能分析

李 强，朱衍波，方 堃（民航数据通信有限责任公司，北京 0009；北京航空航天大学，北京 009）

基于码减载波和B值的GBAS精度性能分析

李 强1，朱衍波1，方 堃2
（1民航数据通信有限责任公司，北京 1000191；2北京航空航天大学，北京 100191）

对GBAS精度性能进行了分析。分别按照基于码减载波 （code minus carrier，CMC）和B值两种方法对GBAS基准站实际数据进行了分析。CMC分析结果和B值的分析结果一致表明，GBAS基准站的精度性能等级约为GAD-A2。CMC分析法与B值分析方法具有一些不同的特点。CMC需要使用双频观测量；B值只需要单频观测量。CMC消除了短周期的多路径效应，主要反映的是长周期的多路径效应；B值经过GBAS基准站接收机平均，反映了不同接收机组合的多路径综合效应，更能反映GBAS差分校正误差的实际影响。除此之外，CMC分析法与B值分析法的天空图可以直观地评估GBAS站址的多路径环境。

地基增强系统；地基增强系统精度性能评估；码减载波；B值；多路径

卫星导航地基增强系统（ground based augmenta tion system，GBAS）是满足民航业务需求的重要系统之一。GBAS系统向用户发播差分校正参数、校正标准差参数等。这些参数的准确度和可信度是用户保持定位精度和完好性的重要保证。为了保证GBAS正常工作，并提供高精度的差分数据和完好性参数，国际标准组织规定了GBAS基准站的运行性能标准。GBAS精度性能是其中的重要方面之一[1-3]。

Collins的Mc Graw博士详细讨论了LAAS精度的理论模型和相关假设[4]，并提出了LAAS地面系统精度和机载性能精度等级的参数化模型。除了理论分析外，GBAS精度性能也可通过长期监测其性能获得其统计数据进行评估。Braasch提出分析码多路径的方法分析了单接收机的多路径环境对接收机码精度的影响[5]。美国联邦航空局FAA的LAAS项目组建立了监测接收机长期分析LAAS基准接收机的运行性能[6]。

北京航空航天大学建立了试验型的GBAS基准站，自主研发了GBAS基准站软件，可实时监测GPS卫星状态和GPS差分校正值等，积累了实际数据。本文基于GBAS数据评估GBAS精度性能，采用了码减载波（CMC）和B值两种方法，分析了GBAS精度性能。并根据CMC和B值分析了GBAS基准站的多路径环境影响。

GBAS基准站多路径环境影响提供了GBAS基准站选址评估依据。GBAS精度性能分析可用于评估GBAS接收机的运行等级，提供确定GBAS差分值标准差的依据之一。

1 北航试验型GBAS站精度分析方法

1.1 北航试验型GBAS站

北航建立了试验型的GBAS基准站，如图1所示。如心楼GBAS处理器计算本地差分和完好性信息并实时发送给新主楼的GBAS性能监测处理器。

图1 北航试验型GBAS基准站系统框图（左）和天线（右）Fig.1 GBAS prototype at BUAA（left）and GPS receiver（right）

GBAS基准站包括3台基准型GPS接收机，连接至3副间距约为10 m的天线，分别为接收机A、B、C。新主楼的性能监测接收机距基准站距离约为200 m。

通过一段时间运行数据的积累，可通过原始数据和B值分析GBAS精度的性能。

国际标准组织RTCA根据GNSS接收机的技术现状和未来趋势，结合GBAS性能需求，定义了GBAS地面站系统的GPS性能标准的形式为[5]

其中：M为基准接收机数目；θi指第i颗测距源的仰角；a0、a1、a2、θ0是精度等级的参数，精度等级包括A、B、C，定义如表1所示。

表1 GBAS-GPS精度需求参数Tab.1 GBAS-GPS accuracy requirement parameters

1.2 GBAS精度分析方法

GBAS精度分析采用两种方法。第1种方法是基于码减载波进行计算。

GPS伪距和相位的基本公式如下，

伪距

相位

其中：D为卫星到接收机几何距离；I1为载频L1上的电离层延迟；URE为广播星历误差；MP1为伪距P1的多路径误差；N1为相位L1的载波相位模糊度；υ1为相位L1的多路径误差，可忽略。

码减载波（CMC）为CMC1包括电离层和L1相位模糊度的影响，可结合L2相位消除电离层影响

结合CMC1，可获得消除了相位模糊度参数和电离层延迟影响的P1上的多路径MP1估值。

第2种方法为B值分析方法。

GBAS的B值计算公式为

B值统计特征的理论值为

上述公式中的伪距为采用100 s长度的载波平滑伪距，短时间的B值具有相关性，因此在分析中按照200 s间隔采样，可基本保证B值样本是独立的。

2 GBAS数据结果与精度分析

采用了2012年6月1日—6月4日之间的数据。GBAS基准站在该时间段，接收机C由于故障没有接收数据，GBAS基准站接收和记录接收机A与接收机B的数据。这4天的结果类似，下文主要以6月1日的结果为例说明分析过程和结果。

接收机A的CMC包括了2012年6月1日1天所有可见卫星，随时间和仰角变化如图2所示，上图为CMC随时间变化，下图为CMC随仰角变化。可以看出，由于低仰角卫星受到多路径影响大，CMC在低仰角变化幅度较大，在高仰角变化幅度较小。

图2 接收机A的CMC随时间变化（上）和随仰角变化（下）Fig.2 CMC time series（top）and CMC variation with elevation angle（bottom）

按照仰角5°间隔对接收机A的CMC数据进行分区统计，统计结果如图3所示。上图中叠加的深实线为标准规定的GAD-A2曲线，浅实线为GAD-B2曲线。下图为每个仰角区间的样本数。CMC均值在各仰角区间约为0。CMC标准差略小于GAD-A2标准，略大于GAD-B2标准。低仰角样本数多于高仰角样本数。

图3 接收机A的CMC标准差随仰角变化（上）和各仰角区间的样本数（下）Fig.3 CMC standard variation with respect to elevation angle（top）and number of independent sample with respect to elevation angle（bottom）

统计2012年6月1日—6月4日接收机A的CMC标准差随仰角变化，得到表2。从表2中可以看出，CMC标准差在数日内的变化比较稳定。

接收机A的CMC标准差随仰角变化的1～4日均值与GAD-A2相应值的对比曲线如图4所示。从图4中可以看出，CMC标准差的均值均在GAD-A的相应值以下，并留有比较大的冗余。

将接收机A的CMC随仰角、方位角进行统计，可得CMC随仰角、方位角的天空图，如图5所示。CMC天空图直观地显示了多路径在不同视角方向的影响，低仰角卫星受到的多路径影响比高仰角的严重。

表2 接收机A的CMC标准差（6月1—4日）随仰角变化Tab.2 CMC standard variation with respect to elevation angle of receiver A in June 1-4 day，2012

图4 接收机A的CMC标准差均值（6月1—4日）随仰角变化Fig.4 CMC standard variation with respect to elevation angle of receiver A from in 1-4 day，2012

接收机B的CMC数据结果类似于接收机A，CMC标准差略低于GAD-A2标准，高于GAD-B2标准，不再赘述。

GBAS基准站计算的2012年6月1日的接收机A的所有卫星B值如图6所示。B值的标准差随仰角增大而减小。

按照5°仰角间隔，对B值统计，并根据B值理论标准差与GBAS精度的关系换算后的B值标准差如图7所示。上图显示，B值标准差同样位于GAD-B2 和GAD-A2之间；下图为B值样本在各仰角区间的样本数量。

图5 接收机A的CMC天空图Fig.5 Skymap of CMC statistics at receirer A

图6 接收机A的B值随时间变化（上）和随仰角变化（下）Fig.6 B values time series（top）and B values variation with elevation angle（bottom）

图7 接收机A的B值标准差随仰角变化（上）和各仰角区间的样本数（下）Fig.7 B values standard variation with respect to elevation angle（top）and number of independent sample with respect to elevation angle（bottom）

根据2012年6月1日—6月4日的B值数据统计得到标准差随仰角的变化如表3所示。

表3 B值统计的精度标准差表Tab.3 Accuracy from B values vs GAD-A2

3 结语

GBAS精度性能监测对评估GBAS运行性能具有重要意义，本文对此利用实际数据进行了分析。数据来源于北航试验型的GBAS基准站，该站对接收的GPS信号进行GBAS处理，记录原始数据和处理数据。本文利用2012年6月1日—6月4日的GBAS原始数据和处理数据分析了GBAS精度性能。

采取基于CMC和B值分析两种分析方法。这两种方法获得GBAS精度性能结果一致，并均能反映GBAS站址的多路径环境影响。两种方法的不同点：

1）B值只需要单频观测量，CMC需要使用双频观测量；

2）CMC消除模糊度后主要反映长周期的多路径效应；

3）B值经过更过的GBAS基准站的接收机平均后，综合了接收机组合后的多路径效应，更能反映GBAS差分校正误差的实际大小。

分析结果表明，北航的GBAS基准站接收机的精度性能介于GAD-B2和GAD-A2之间，按照保守取法，可认为精度性能为GAD-A2。

[1]Minimum Operational Performance Specification for Global Navigation Satellite Ground Based Augmentation System Ground Equipment toSupport CategoryⅠOperations，ED-114[S].2003.

[2] NERI P，MACABIAU C，AZOULAI L，et al.GBAS NSE Model for CATⅡ/ⅢAutoland Simulations[C]//Proceedings of IEEE/ION Plans. Indian Wells，CA，2010：694-707.

[3]SHIVELY C A，HSIAOT T.Availability of GAST D GBAS Considering Continuity of Airborne Monitors[C]//Proceedings of the 2010 international technical meeting of the institute of navigation.San Diego，CA，2010：365-375.

[4]GARY A MCGRAW.Development of the LAAS Accuracy Models[C]// ION GPS，2000.

[5]BRAASCH M.Global Positioning System：TheoryandApplications[M]. Washington D C：American Institute of Aeronautics and Astronautics，1996.

[6] FAA.Local Area Augmentation System Performance Analysis and Activities Report[R].

[7]Minimum Aviation System Performance Standards（MASPS）for the Local Area Augmentation System（LAAS），RTCA/DO-245[S].

（责任编辑：党亚茹）

Performance analysis of GBAS based on code minus carrier and B values

LI Qiang1，ZHU Yan-bo1，FANG Kun2
（1.Aviation Data Communication Corporation，Beijing 100191，China；2.Beihang University，Beijing 100191，China）

The paper assessed GBAS accuracy performance based on two methods.A GBAS prototype was developed and used to collect and process GPS data.Based on the raw data，two methods called CMC and B values were used to analysis to GBAS accuracy performance.The result of both methods showed consistently that the GBAS prototype accuracy was on the level of GAD-A2 class.Compared with each other，CMC needs to use observations of dual frequencies，however，B values rely on single frequency.Secondly，CMC suppressed short-term multipath errors，and long-term multipath effects remained.B values，however，mainly consist of composite effects of multiple receivers′errors after averaging across reference receivers，which reflect realistic errors of GBAS corrections as both occupied similar processes.Lastly，sky-maps of root mean squares of CMC and B values reflected surrounding multipath effects of GBAS sites.

GBAS；GBAS accuracy performance assessment；code minus carrier；B values；multipath

TN967.1

A

1674－5590（2013）01－0009－04

2012-05-04；

2012-08-10

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2011CB707004）；国家科技支撑计划（2011BAH24B02）；国家自然科学基金项目（61179054）

李 强（1981—），男，湖北荆门人，工程师，硕士，研究方向为卫星导航及其应用.