卫星导航差分系统和增强系统（七）

+ 刘天雄

3.2 地基增强系统

3.2.1 工作原理

地基增强系统（GBAS）通过多个位置确定的地面参考站监测导航信号，同时监测电离层和对流层等空间天气对导航信号传播时延的影响，生成导航信号的差分改正数和系统完好性信息，再由一部或多部地面发射机将增强信息播发给用户。GBAS通常都是对卫星导航系统的局部区域增强，利用差分技术，计算卫星导航信号的局域改正值以提高系统定位精度，同时通过完好性监视算法，给出系统的完好性信息。GBAS主要用于对实时定位精度和信号完好性指标较为苛刻的民航导航，为机场范围内提供精密进场、离场程序、和终端区作业服务，满足民用航空精密进近和着陆引导对定位精度、完好性和可用性的要求。

在民航飞机着陆和精密进近过程中，针对GNSS信号缺乏实时、快速的闭环健康监控手段，国际民航组织ICAO定义的GBAS是解决引导飞机精密进近过程中卫星导航系统的精度，特别是完好性指标不满足系统要求的问题，鉴于GBAS服务区域十分有限，美国联邦航空管理局将GBAS称为局域增强系统（Local Area Augmentation System，LAAS）。

GBAS一般利用甚高频（very high frequency，VHF）无线电地面通信链路向用户播发差分改正数和完好性信息，服务范围一般为30～50km。甚高频数据广播（VHF data broadcast，VDB）信息类型有信息类型1（MT1）、信息类型2（MT2）和信息类型4（MT4）三种，MT1主要包含可见卫星的差分信息，用于消除导航信号受到卫星星历数据影响、电离层延迟影响、大气层影响和多路径效应引起的飞机位置误差，从而使飞机位置偏差减小到1～2m甚至更低，RTCA/D0-246D给出MT1数据格式如表6所示。

MT2主要包含地面参考点数据，用于计算由于飞机位置与地面参考基准站位置不同而引起的电离层延迟和对流层延迟残余误差，此类误差不能由MT1的差分信息来消除，RTCA/D0-246D给出的MT1数据格式如表7所示。

MT4用于引导飞机的进近着陆阶段，包含飞机最终的最后进近段FAS数据和下滑角度信息，下滑角度一般为3°，同时定义了机场跑道的经纬度信息，用于计算飞机到机场跑道的距离，飞机根据卫星导航系统定位数据以及MT1信息和MT2信息可以获得精确的位置信息，通过与MT4信息中的FAS数据对比，可以得到相对于理想的最后进近段FAS的水平和垂直方向的偏差，此偏差可以实时显示在飞机驾驶座舱的主显示器中，同时飞机着陆系统将次偏差信号送给自动驾驶系统和飞控系统，从而控制飞机使其沿着理想的最后进近段FAS安全着陆，RTCA/D0-246D给出的MT1数据格式如表8所示。

表6 地基增强系统GBAS信息类型1数据格式（部分）

表7 地基增强系统GBAS信息类型2数据格式（部分）

表8 地基增强系统GBAS信息类型4数据格式（部分）

目前，美国GPS的LAAS系统已实现民航的I类精密进近（CAT-I）要求，即水平16m、垂直4～6m的定位精度，告警时间2s，允许的完好性风险2*10-7/进近，并已形成相应的地面设备和机载设备标准。LAAS系统在美国部分机场实现CAT-IIIB精密进近，目前尚未实现CATIIIC服务。经过改造的LAAS可实现舰载机着舰要求，由此产生JPALS系统。LAAS系统大幅度地提高了用户的定位精度，同时有效地改善了GPS的完好性，为用户提供WAAS所不能达到的导航服务。不足之处是，与其他所有基于射频信号的着陆系统一样，LAAS系统VHF频率数据链路容易受到无意信号干扰，同时多径效应也将恶化定位精度。

3.2.2 实现方案

LAAS系统由地基增强基站（基准接收机及其接收天线）、伪卫星、甚高频数传电台、地面数据处理设备和机载设备组成，系统组成如图19所示，增强基站包括位于跑道四周的四个基准站和一个位于跑道中部的系统数据处理中心，分别接收处理来自GPS导航信号，通过差分处理、完好性监测和执行监控，计算误差并识别系统完好性，生成差分数据和完好性监视数据，以31.5kbps的信息速率，采用时分多址技术TDMA，通过VHF甚高频率（108～118MHz）的数传电台向机场周围约45km半球范围内的飞机提供GPS增强信息，为飞机最后进近段（Final Approach Segment，FAS）精密进近提供导航服务。该频率与仪表着陆系统ILS以及甚高频全向(无线电)信标导航辅助系统VOR一致，机载LAAS接收机同时接收GPS基本系统信号、LAAS增强数据和安装在机场的伪卫星信号，实现0．5m(95%)定位精度，并使完好性满足以上三个阶段的要求，保障全天候飞机精密进近和着陆引导。

位于机跑道场附近的基准站（局域参考站）具有确定的位置坐标，基准站接收通过差分技术解算出测量的位置坐标与真值比较后得到伪距修正值，然后将伪距修正值实时送给系统数据处理中心，中心同时生成卫星导航系统和地面站自身的完好性信息，将伪距修正值和完好性信息按照规定的数据格式封装成机场局域增强信息，利用VHF频率数据链路将增强信息播发给用户。飞机上的机载航电设备同时接收卫星导航信号和GBAS增强信号，目前一般为多模接收机（Multi-Mode Receivers，MMR），得到飞机当前的精确位置数据和系统完好性信息，可以在能见度较低的情况下，仍然可以引导飞机精密进和着陆。

图19 LAAS系统组成及数据链路

地面数据处理包括差分处理、完好性监测和执行监控三个环节，差分处理是对导航信号进行解码，载波平滑伪距，产生伪距差分修正数，广播差分改正数等，同时为后续完好性监测算法提供数据。完好性监测是对导航信号以及地面设备本身可能出现的异常情况进行监视，保证导航系统的完好性，包括信号质量监测(SQM)，数据质量监测(DQM)、测量值质量监测(MQM)、多接收机一致性校验(MRCC)、均值和方差监测、导航电文字段测试(MessageField Range Test，MFRT)。这些监测算法针对不同的故障模式而设计，SQM监视导航信号相关峰、导航信号功率和测距码载波相位一致性，监测和识别导航信号的异常状态，包括导航信号自身的异常和监测接收机本地的干扰信号，保证导航信号没有发生畸变以及信号功率处于正常水平。卫星在轨姿态和轨道调整、广播星历参数计算误差和地面运控系统注入校正参数时数据链路故障等原因都有可能出现星历误差，DQM在有新的卫星出现在视界中和接收到新的导航电文时检查卫星星历和时间数据，保证接收到的导航数据足够可靠。MQM监测由于卫星星载时钟异常或参考接收机故障引起的瞬时跳变和其它快变误差，包括监测接收机锁定时间，监测载波信号上的脉冲、阶跃或者加速度等快变信号，监测载波平滑码更新，确定伪距和载波相位观测量在最近几个历元内的一致性。MRCC检查每颗卫星校正值在多接收机间的一致性，排除可能引起较大差分校正值误差的单接收机异常。均值和方差监测保证校正值的标准差包络实际误差。MFRT验证平均伪距校正值和校正值率符合电文有效格式。执行监控（Executive Monitoring，EXM）是一系列的复杂故障处理逻辑。每个完好性监视算法可能对一个通道或一颗卫星生成一个故障告警，EXM对所有的告警进行综合，然后隔离故障测量值。EXM第一阶段（EXM-I）将有告警的测量值排除，未被排除的测量值用于计算差分校正。EXM第二阶段（EXM-II）基于MRCC、均值和方差监测和MFRT进行一系列故障排除。地基增强系统完好性监测平台组成如图20所示。

图20 地基增强系统完好性监测平台组成

确保信息完好性是地基增强系统GBAS的重要目标，也是系统的核心功能之一，所谓完好性就是卫星导航系统提供的导航信息在多大程度上可以用于用户导航或者提供的警示或者警告信号是否真实可信，有无虚警信号；当系统不能用于用户导航服务时，系统及时发出告警或者警示信号的能力。在地基增强系统GBAS增强信号覆盖范围，飞机接收地基增强系统广播的VDB数据信息，可以精确计算出飞机的空间位置（经度、纬度和高程）。为了保证通过VDB数据信息计算得到的飞机位置的置信度，或者说得到的计算数据是完好的，首先计算出水平保护级和垂直保护级，然后分别与规定的水平保护门限和垂直保护门限比较，如果保护级处于告警级内部，则得到的信息是完好的，该信息可以用于飞机的着陆系统，否则，该信息不能用于飞机的着陆系统。