航空高精度高可用卫星导航接收机数据质量诊断软件

庞晗 杨懿松 徐丁海 蒋兴城

摘要：目前业界对于卫星导航接收机的专业化测试方法的研究处在不断探索和发展的阶段，其评价标准也因厂商和应用场景的不同而有所差异，接收机数据质量诊断的方法没有统一的标准。随着高精度导航接收机在民用航空领域应用的普及，急需一套有针对性的测试方法和诊断工具，立足于航空安全要求，对接收机功能和性能进行数据质量诊断。本文针对这一需求研制了一款“航空高精度高可用的卫星导航接收机数据质量诊断软件”（以下简称软件），通过软件来模拟和检验卫星导航接收机实际工作状态下的数据质量。

关键词：卫星导航接收机;评价标准;民用航空;诊断软件

中图分类号：TN967.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0066-04

0 引言

近几年我国民用航空事业已经进入黄金发展期，航空客货运输得到快速、持续以及大量的增长，需要加强空中和地面交通的安全管理，提升空中和地面交通的运行效率。[1]针对民用航空运输现阶段所出现的问题，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》已将“新一代空中交通管理系统”列为重点研究方向。现阶段的民用航空基于性能导航（performance based navigation，PBN）主要以GPS为代表的全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）为主，北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我国自主建设、独立运行的新型卫星导航系统，是国家重要的空间基础设施，怎样切实的使其在“新一代空中交通管理系统”中得到实施和运用，已经成为我国民用航空持续稳定发展的关键所在，也是实施民航强国战略的重要基础。

2019年7月为止，北斗系统的服务范围已经覆盖了全球，共计发射卫星46颗，其中包含北斗二号卫星24颗和北斗三号卫星22颗，具体分为地球同步轨道（geostationary earth orbit，GEO）衛星9颗、中地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星26 颗和倾斜地球同步轨道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）卫星11颗[2]。

1 接收机数据质量需求分析

根据民用航空在地面和空中的各种环境中运行所需条件，国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）在《航空电信》的“标准和建议措施（standards and recommended practices，SARPs）”中给出了对GNSS 精度、完好性、连续性和可用性等的性能指标要求。

针对机场场面活动，ICAO Doc9830《先进的场面活动引导和控制系统（A-SMGCS）手册》中给出了跑到入侵检测情形下的精度要求如图1所示，手册中指出，20米是飞行员获得信息并避免冲突的临界距离，考虑到信息传输延迟等情况，实际中的监视精度都会高于20米，允许有更多的时间来避免发生冲突。纵向精度推荐为6米。此外手册还给出来了不同机场位置点在WGS-84坐标下的精度要求[3]。

当能见度条件低至机场能见度运行等级时，航空器和车辆应当能够在A-SMGCS指定的速度下工作。当能见度条件低于机场能见度运行等级时，航空器和车辆应当降低其场面活动的速度达到A-SMGCS可以接收的水平[4]。为此，我们需要对卫星导航接收机数据质量进行诊断，参照表1位置点精度要求，对接收数据的精度、可用性等质量进行评估。

根据A-SMGCS对各种场景的要求，民用航空对机场场面定位的监控要求将随着我国民用航空产业的不断发展而提升，为了应对各种可能出现的机场场面情况，大范围的采用高精度导航定位接收机是必然趋势，所以对导航定位接收机数据质量的检验就显得极为重要，软件正是为此而研发的一款专用软件。

2 接收机数据质量评估方法

参照民用航空关于飞机场面活动的相关指标参数，制定出评估接收机数据质量的方案：通过软件对接收机的精度和可用性进行测量。

2.1 精度评估方法

卫星导航系统精度是指导航接收机生成的实时位置信息与其实际位置情况之间的接近程度，包括PVT精度（定位精度、授时精度、测速精度）、测距精度（伪距精度、载波相位精度）以及多普勒频移精度等，在一般情况下指的是定位精度。

置信度为95%的水平和垂向定位精度是民用航空应用对于卫星导航的定位的基本精度要求，通常对定位精度的估计是对所有的定位结果进行分析和排序，统计得到概率为95%的定位误差值来作为精度估计值[5]。

2.2 可用性评估方法

根据ICAO Doc9830《先进的场面活动引导和控制系统（A-SMGCS）手册》中所给出的指标，航空器或车辆的时速在55km/h（30节）时，两秒钟移动的距离大约为30米，这也是机场跑道两个中线灯的安放距离。所以在使用中线灯为航空器或车辆做引导时，两秒将是避免发生冲突的最长时间[3]。由此将地面延时标准T1定为2s。

3 软件总体设计

本论文软件为卫星导航接收机的系统功能级测试提供软件工具和环境，为后续研制基于卫星导航接收机的应用系统提供测试数据支撑和逻辑验证环境，从而形成面向航空器监视以及机场场面管理等实际应用需求的可复制可推广的产品和系统。

软件的总体应用环境是为卫星导航接收机提供数据汇聚融合以及转发平台，其总体结构图如图2所示。

根据图2所示，接收机发送数据给软件，软件支持单个接收机连续发送大量的数据，也支持大批量的接收机同时发送数据。向软件发送数据的接收机需要事先在软件内部进行注册，否则无法在软件上显示其位置信息。软件在收到传输信息之后会对数据进行校验，只有格式正确的数据才会进行后续操作否则直接报错处理。软件在处理数据时，除了会进行校验外还会对相同设备一定时间范围内的数据进行比较和融合（例如对相邻接收时间小于50ms内的数据包进行比较），并将融合之后的数据保存到数据库便于事后调取和分析。数据库可以方便记录存储数据，并且可以和软件搭配形成更多实用性的功能，这里我们通过软件测试得到的结果来对接收机的数据质量进行评估。

如图3所示，接收外部传输过来的实时定位数据，对数据进行分析处理，然后将处理后的数据结果融合转发并保存到数据库。

4 数据质量诊断

4.1 定位数据精度诊断

针对各种机场场面活动场景，根据表1参考点精度要求，机场场面安全需要能够达到亚米级的定位精度，所以我们通过软件对接收机数据进行测试，评估其是否能够达到亚米级的精度要求。

选用亚米级卫星导航接收机，在软件中注册接收机的ID信息，打开仪器进行数据的传输。为模拟实际机场场面定位，实验场地选在室外的空旷地带，并且选用4台设备分别来进行测试。实验接收机以秒为单位向软件不断的发送信息，经过软件融合后转发到数据库。通过记录接收机上报的位置信息和利用标定设备获取的参考位置信息进行比较，获得置信度在95%以上的精度指标，从而判断被测设备是否满足亚米级定位要求。

每一个实验都进行了至少20次测量，表2导航接收机精度测试结果中所出现的水平精度为结合试验次数计算出的平均值。以实际设备放置点为中心画一个圆，圆内包含95%的定位点，该圆的最小半径就是水平精度。

通过以上多次测试，如图4所示，证明被测接收机都能够达到0.5m精度，达到了亚米级定位精度目标且不同接收机之间的水平精度差异很小，证明所使用的导航接收机数据接收的一致性较好，能够应对民用航空各种场面应用场景的要求。

4.2 定位数据延时诊断

接收机在现实中进行运用时对延时的范围以及稳定性都有相应的标准，其中系统的延时的范围以及稳定性是判定接收机可用性的重要依据。

具体诊断过程如下：导航接收机通过捕获卫星信号，解算生成当前接收机定位信息以及对应的时间信息，然后再将这个数据实时回传给软件。

如图5所示，计算五次实验的延时时间平均值为1.195s，小于空中延时标准T0和地面延时标准T1，说明实验所使用的设备能够同时满足空中和地面的延时要求。

经过大量的实验统计系统延时时间会在1.195s±70ms的时间范围内变化，标准差平均值为0.168，如图6所示，平均数据丢失率为0.013%。

5 结语

本文基于“北斗二号”导航系统，结合民用航空A-SMGCS场面监管等运行要求，提出了面向民用航空应用的北斗系统导航接收机性能的测试和评估方法，结合自主研发的工具包软件，通过对精度和延时的范围以及稳定性等指标的分析，对接收机数据质量做了比较和研究，验证了软件具有通过定位数据精度和延时范围的以及稳定性等指标对接收机进行数据质量诊断的能力。

参考文献

[1] 任晖，辛洁，赵金贤，等.北斗系统广域差分性能评估技术研究[J].导航定位学报，2015，3（04）：7-10.

[2] 杨元喜，李金龙，王爱兵，等.北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].中国科学：地球科学，2014，44（01）：72-81.

[3] 先进的场面活动引导和控制系统（ASMGCS）手册（Doc 9830）[K].

[4] 翟显，刘瑞华，王剑，朱一龙.北斗卫星导航系统误差分析与评估[J].现代导航，2018，9（01）：10-15+17.

[5] 郭婧，王嫣然，薛广月，许伟村.面向民航应用的北斗系统导航性能评估[J].民航学报，2018，2（04）：43-46.

[6] 郭婧.多模多頻卫星导航系统 RAIM 技术研究[D].北京： 清华大学，2011.