海基精密进近完好性监测体系与算法

李晓宇，郑 坤，杨 洋，王 军

1. 装备学院，北京，101416；2. 北京卫星导航中心，北京，100094



海基精密进近完好性监测体系与算法

李晓宇1，郑 坤1，杨 洋2，王 军1

1. 装备学院，北京，101416；2. 北京卫星导航中心，北京，100094

基于GNSS的飞机精密进近着陆系统，除了要提供高精度的导航信息，还必须具有很高的完好性。海基精密进近对完好性有更严格的要求。本文研究了海基精密进近完好性监测的体系结构和处理流程，基于各异常监测模块和执行逻辑功能模型，对比分析了各模块对完好性监测的影响，给出了机载端保护限值计算方法。通过分析进一步完善了海基完好性监测的体系架构，展望了其应用前景。

海基精密进近着陆系统; 完好性监测；异常监测模块；机载保护限值

1 引 言

随着全球导航卫星系统GNSS的建设发展，FAA、ICAO等一些民航组织认为GNSS是用于民用航空导航的核心方法和手段。为了满足民用航空末端导航和着陆阶段导航的性能需求，建立了星基增强系统和地基增强系统[1]。为了将DGPS 用于Ⅱ类、Ⅲ类精密进近，FAA 建立了GPS 的局域增强系统(Local Area Augmentation System, LAAS)和广域增强系统(Wide Area Augmentation System, WAAS)，以改善GPS 的精度、完好性、服务的连续性和可用性，提高系统的导航容量和可靠性。

在GNSS着陆系统的应用中，美军目前正在实施类似LAAS的联合精密进近着陆系统(Joint Precision Approach and Landing System, JPALS)。JPALS是由美国国防部牵头，联合海军、空军、陆军等共同推进的军用高精度精密进近着陆系统。该系统通过增强GPS信号以满足美军军用飞机着陆/着舰引导质量要求[2]。JPALS 系统的目标是建设一个精确的、可快速部署的、抗天气和地形影响、易存活、易维护、具有互操作性的差分GPS 着陆系统，支持陆基着陆阶段和舰基全飞行阶段运行，支持CAT I/II/III 精密进近[3]。

根据美国空军和海军的不同需求，JPALS 发展了陆基(Land-based)和海基(Sea-based)两个不同的系统。海基型采用双向UHF数据链通信模式，着舰垂直精度优于0.3 m，满足航空母舰着舰引导精度要求；陆基型地面站又包括军用机场(配备JPALS系统)和民用机场(配备陆基增强系统(GBAS)系统)。军用陆基型地面站可以兼用单向UHF加密数据链和单向VHF不加密数据链，给进近的飞机发送差分GPS误差修正数据；民用机场只采用单向VHF不加密数据链通信，向进近的飞机发送差分GPS误差修正报文[4]。

在JPALS的研究中，文献[5]分别介绍了海基JPALS和陆基JPALS的性能需求、系统架构，并分析了二者的差异性。Dogra S[6]给出了海基JPALS的数据处理流程，详细分析了基于RTK的精密相对定位算法以及整周模糊度求解算法，采用仿真方法进行验证；Brown A[7]在分析海基JPALS以及陆基JPALS框架的基础上，给出了性能仿真模型。还有学者分别就JPALS中的信道选择[8]、天线相对运动[9]以及整周模糊度求解[10]中的完好性监测相关问题进行了分析。

本文主要针对在导航性能需求中，对安全性有严格要求的海基精密进近的完好性监测问题展开研究，分析了海基精密进近完好性监测的体系结构、各异常监测模块的功能模型以及机载端保护限值的计算方法。

2 海基JSIM体系结构

与陆基精密进近相比，海基精密进近为了满足高精度、完好性的需求，它采用实时动态载波相位观测量，因此，整周模糊度的快速求取以及周跳的探测修复是高精度和高完好性的基本保证。在海基精密进近着陆中，采用宽巷实数域平滑算法求取宽巷模糊度以及L1/L2模糊度的整数解，求得的整数解还要通过H0无故障进行确认[11]。

海基精密进近着陆系统的完好性监测包括两部分[12]：一是舰基端完好性监测系统JSIM(JPALS Sea-based Integrity Monitor)；二是机载完好性监测系统，两者相结合完成整个系统的完好性监测。JSIM原理与陆基JLIM基本相同，但区别在于由于舰船的移动使得海基JSIM更为复杂，因此需要考虑舰体移动误差、变性误差、虚拟参考点误差，此外还要考虑实时保持天线阵列相对位置的固定与相对一致性等。JSIM的改进办法是在每个天线单元安装惯导单元，采用GNSS/INS超紧组合方案估计天线相位中心的相对位移，这种能力是陆基JLIM不具备的。在舰基端通过GNSS接收机与惯导设备的组合观测量，采用改进RAIM算法检测与识别故障。

海基精密进近着陆在数据处理中采用宽巷RTK算法，舰载机在进近着陆过程中接收舰基端发播的原始观测量、宽巷组合观测值以及相应估计的误差范围。机载完好性监测系统主要在机载端完成。其中，空间信号完好性监测在射频前端完成，负责监测射频干扰、多径等误差信息；测距域完好性监测主要通过对GNSS/INS组合观测量进行故障检验和排除；模糊度域完好性监测通过对整周模糊度解算的成功率进行监测，保证解算的正确性。

JSIM完好性监测由一系列完好性监测模块和算法组成[13]，它对不同形式的故障和异常情形进行监测，这些模块共同作用，确保故障消除后的观测量继续用于差分以及平滑数据的计算中。海基JSIM进行完好性监测体系结构如图1所示[14]。

图1描述了JSIM完好性监测体系结构，从图中可以看出，JSIM完好性监测由不同的模块组成：包括空间信号接收和解码模块、惯导增强模块、信号质量监测模块、数据质量监测模块、观测质量监测模块、空间环境完好性监测评估模块、多参考站一致性检验模块、电文参数合理性检验模块以及执行逻辑模块等。以下主要对JSIM完好性监测各个模块的流程和算法进行分析。

图1 JSIM完好性监测体系结构

3 JSIM完好性异常监测模块分析

3.1 信号质量监测

信号质量监测(Signal Quality Monitoring, SQM)模块主要侧重信号层面、负责探测GPS测距信号异常，包括GPS卫星本身信号异常和本地环境干扰异常，如来自GPS卫星本身或从本地干扰源，包括信号本身的反射而产生的异常信号。SQM监测主要包括三个方面：(1)相关峰对称性检验；(2)信号功率检验；(3)伪码-载波偏差检验。

SQM还可以通过信号功率检验接收机载噪比分析来判断信号强度是否削弱。当接收到信号的载噪比低于阈值，则在一定程度会增加完好性风险概率。对于每一个信道的C/NO计算如下：

(1)

式中，C/N0表示载嗓比，K表示历元。

3.2 数据质量监测

数据质量监测(Data Quality Monitoring, DQM)模块主要负责确保卫星导航数据的准确性，通过跟踪站来检验每颗GPS卫星的星历和时钟数据。

当一个卫星首次对跟踪站可见时，由于不存在先前的卫星星历，DQM开始验证新接收的星历。当至少有两个接收机解码相同的导航数据时，DQM模块才开始进行检验处理。DQM验证包括几种不同的方法：一种方法是，对于新的星历数据，DQM以5分钟的时间间隔比较未来6个小时的星历数据和历书数据；另外一种方法是Ye-Te检验。这种方法通过计算两个周期卫星之差来检验新入观测弧段卫星星历的正确性。

3.3 观测量质量监测

观测量质量监测(Measurement Quality Monitoring, MQM)模块主要针对观测量异常情况进行监测，包括观测量异常中的接收机异常和星钟异常。该监测模块主要通过检验相近历元伪距与载波是否具有一致性来实行。MQM主要包括三部分：接收机锁定时间检验、载波加速步长检验、载波相位平滑伪距(Carrier-Smoothed Code, CSC)新息检验。其中，接收机锁定时间检验不会生成异常标识，但会对存储载波加速步长检验所使用的载波相位值缓冲区重新初始化；载波加速步长检验与载波相位平滑伪距新息检验均可以在检验超限时生成异常标识。

3.4 执行逻辑Ⅰ

以上对信号质量监测、数据质量监测以及观测质量监测模块进行了分析，每个监测模块检测不同的故障或异常因素，并用相应的异常标识来标明对应信道观测量的相应状态。对异常标识为“不可用”的信道，JSIM进行多步的逻辑判定，对故障信道进行定位。第一个阶段针对SQM、DQM、MQM产生的异常标识进行分析，称为执行逻辑Ⅰ(Executive Monitoring Logic,EXM-Ⅰ)。通过EXM-Ⅰ阶段分析后，观测值进入第二阶段的处理。

EXM-I在多个质量监测模块下运行，采用相对保守的方式保障用户。它分两步进行：“排除”和“包含”。在“排除”环节主要是排除故障信道；EXM-Ⅰ的“包含”部分主要选择哪些信道在MQM模块中计算接收机钟差修正，这些被选择的信道统称为“共用集合”。

3.5 多参考站一致性检测

多参考站一致性检测(Multiple Reference Consistency Check, MRCC)主要采用基于B值的统计检验方法检测接收机故障。对每一个信道，通过相同的方法计算载波相位和伪距改正数的B值。利用卫星高度角和接收机数量的函数计算各自阈值，将载波相位和伪距计算的B值与阈值进行比较，判断是否存在故障。与LAAS 不同，舰载GPS相对定位中B值的方差由四个部分组成：观测误差、杠杆臂误差、姿态误差和原始最小二乘定位误差。

MRCC检测的最后流程是进行故障信道的识别和隔离。在差分改正数计算之前排除故障，此过程称为“EXM-Ⅱ预处理”过程。算法根据值Status的大小来进行故障的判定：若Status=0，则说明所有信道均无故障；若Status=2，则说明最大Bρ和Bφ对应不同的信道，对于该情况需要在“EXM-Ⅱ”模块中进一步分析；若Status=lor3，则说明该信道存在故障，生成故障标识后排除最大B值对应的信道，返回Status。

3.6Sigma-Mean监测

σ-μ监测算法的目的是检测改正误差是否符合高斯白噪声分布，一般用MRCC中产生的B值进行约束，主要采用基于B值的σ异常监测算法。舰载设备向用户发播改正数误差范围的改正数，误差范围限定正常情况下的系统随机误差，若系统随机误差异常时，用户实际的σ可能会大于舰载端发播的σPR_ship，为了保证系统的完好性，需要对该情况及时排除。σ-μ监测算法主要包括：基于B值σ开方监测算法及给予B值σ累积和的监测算法。

3.7 电文参数合理性检验(MFRT)

电文参数合理性检验(Message Field Range Test, MFRT)是最后阶段的监测，它确保平均的伪距校正幅度小于75m，平均伪距校正率小于0.8m/s，它同时检验了校正数和校正率。对校正率的检测和约束是在应用时对实际改正数提供完好性的有效保证。

3.8 执行逻辑II(EXM-II)

EXM-I主要负责排除故障观测量信道，它并没有为后续的监测提供共用卫星集合。EXM-Ⅱ负责后续监测的分析、排除故障信道产生新的共用集合。后续监测模块包括MRCC监测模块、监测模块以及MFRT监测模块。MRCC通过循环检验进行“EXM-Ⅱ预处理”。与EXM-Ⅰ类似，EXM-Ⅱ确定一组共用集合，去除每个观测量的接收机钟差。经过迭代处理后EXM-Ⅱ检验结束，将伪距校正和伪距校正率广播给用户。

质量监测模块与EXM必须共同工作来识别、隔离和排除故障信道，以保证最小化危险误导信息(HMI)产生的概率。最后，VHF数据广播(VDB)链路通过硬件和算法将改正数发播给航空用户。表1给出各个异常监测模块监测模式、重要程度、对舰船天线移动和环境影响的敏感度。

表1 JSIM各监测模块影响分析

监测故障模式重要程度舰船移动敏感度天线移动敏感度舰载环境影响信号质量监测信号畸变中等很小中等高信号功率射频干扰、多径、低信号功率高很小小高数据质量监测导航数据中等很小很小无载波观测质量监测星钟误差/射频干扰/接收机跟踪高高高很小观测质量新息监测星钟误差/接收机码跟踪故障中等中等中等很小MRCCB值监测单接收机故障高很小高中等σ-μ监测差分改正数误差分布异常中等很小高中等电文参数监测星历误差中等中等小很小

与陆基精密进近相比，海基精密进近受舰船移动、接收机运动以及舰载环境更为复杂等因素的影响，使得JSIM监测要求更高，但不同监测模块功能不同，对这些影响因素的敏感度也不尽相同。从表1可以看出，各个监测模块中，信号功率监测模块、载波观测量质量监测及MRCC监测相对于JPALS重要程度更高；载波观测量质量监测影响对舰船移动的敏感程度最大；天线的移动对载波观测量质量监测、MRCC监测以及σ-μ检测敏感程度更高；而信号质量监测和信号功率监测对舰载环境影响更为敏感。

4 机载保护限值计算

在机载处理时，GNSS观测量要结合舰基端差分改正数和对流层改正数，采用加权最小二乘的方法进行计算。

(2)

得到接收机坐标后可用来计算残差向量。对于主天线m以及可视卫星n：

(3)

通过所有可视卫星N的平均可得到扣除接收机钟差的改正数：

(4)

通过所有舰载接收机的平均可以得到最终改正数：

(5)

最终改正数包括对流层、电离层延迟、舰载接收机位置误差等，与其他噪声误差一起计算得到σship。

机载位置估计的改正向量计算如下：

(6)

其中，H为卫星视线方向的几何矩阵，W是基于广播σship和σair的加权矩阵，y是观测残差向量。

通过迭代使改正向量最小化，通过几何矩阵和加权矩阵计算协方差矩阵P：

P=SW-1ST

(7)

采用协方差矩阵在三个方向的不确定性来计算保护限值。基本垂直保护限值如下：

VPL=Kffmd(σvert+σverttanθ)

(8)

其中，θ是下滑角，Kffmd是无故障漏检概率对应的比例因子。通过舰船稳定的参考位置可以计算相对位移。海基完好性保护限值的计算还要考虑垂直方向不确定传播数据链路中断问题。

5 结 论

海基精密进近完好性监测体系结构是由不同功能的完好性监测算法和执行逻辑组合而成，对卫星导航系统的各种故障和异常威胁进行有效监测；它们共同作用，对系统异常进行探测、定位和隔离，并确保消除故障后的观测量继续用于差分数据的计算。本文研究了海基精密进近完好性监测的体系结构和处理流程，基于各异常监测模块和执行逻辑功能模型，对比分析了各模块对完好性监测的影响，给出了机载端保护限值的计算方法。 通过分析进一步完善了海基完好性监测的体系架构，展望了其应用前景。

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Integrity Monitoring and Algorithm for Sea-based Precision Approach and Landing System

Li Xiaoyu1，Zheng Kun1，Yang Yang2，Wang Jun1

1.Equipment Academy, Beijing, 101416 2.Beijing Satellite Navigation Centre, Beijing, 100094

In addition to the high accuracy of navigation, high integrity is also a key performance for the precision approach and landing system based on GNSS. The sea-based precision approach has more strict requirements for the integrity monitoring in military operation. Firstly, this paper studies the architecture and processing flow of sea-based precision approach integrity monitoring. Then, according to the variety of anomaly monitoring and executing logics, the paper compares and analyzes the impact of each model on the integrity monitoring, and it presents an algorithm for airborne protection limit. Finally, the paper improves the architecture of sea-based precision approach integrity monitoring and gives a perspective to the application prospect.

sea-based precision approach and landing system; integrity monitoring; anomaly monitoring; airborne protection limit

2015-03-06。

李晓宇(1987—)，男，博士研究生，主要从事卫星导航与完好性监测方面的研究。

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