GNSS信号完好性增强方法研究

INFORMATION & COMMUNICATIONS 2019

(Sum. No 195)

GNSS信号完好性增强方法研究

葛声，缪炜涛，柯楠，王亮亮，米耘锋

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安710068 )

摘要:全球导航卫星系统(GNSS)的性能增强变得越来越重要,GNSS性能增强的包括四个关键方面：准确性、完好性[4]、

可用性和连续性，文章探讨了机栽完好增强(ABIA )系统与现有的空间（SBAS)和地面增强系统(GBAS 的方法。结果表明，该集成方案能够在GNSS作为导航数据的主要来源时，增强信号的完好性。关键词:GNSS; SBAS; GBAS;机载完整性增强(ABIA )系统

间的协同作用

中图分类号:TN967.1 文献标识码:A 文章编号:1673-1131(2019 )03-0069-02

0引言

GNSS将成为未来主要的导航方式，基于GNSS的进近和

着陆程序也逐步发展。为了满足精确进近和着陆信号的完好

性、准确性、连续性和可用性的要求，将地面增强系统(GBAS) 和空间增强系统(SBAS)用于各个飞行阶段。

ABAS, GBAS和SBAS这三个系统处理了 GNSS性能

増强的四个关键方面。在GNSS数据丢失的情况下，ABIA系 统的应用，可以快速恢复RNPoABIA系统解决了 GNSS完好 性的四个关键原则:预测(警告标志)、规避(最佳飞行路径引

导)、反应(警告标志)和修正(恢复飞行路径指导)》

SBAS在所有阶段都提供精确定位服务，而GBAS只在进 近阶段提供精确的定位服务。ABIA系统特别适合于显著提 高GNSS在各种任务和安全关键应用中的完好性和准确性。 本文研究ABIA系统与SBAS和GBAS之间的协同作用。1 ABIA系统 1.1系统介绍

卫星不规则的几何形状、低载波噪声比、多普勒频移、干 扰等问题容易造成导航数据的丢失或信号衰减。在进场程过 程中防止上述问题的发生比较困难。ABIA系统通过分析飞 机飞行与GNSS精度下降之间的关系，对飞行中的GNSS完 好性水平进行持续监测。如果发现超过完好性阈值，ABIA系 统向飞机和地面网络提供警报。在ABIA系统中，机载传感器 将飞行参数信息提供给完整性标志生成器(IFG)。IFG也连 接到机载GNSS接收机。利用算法对遮挡、多径等导致GNSS 信号中断的原因进行建模,ABIA系统能够向飞行员提供相关 信息，在GNSS数据丢失的情况下快速恢复RNP。1.2替告完整性标志

完好性信号可以发送到飞行员、无人机系统、地面控制站、 飞行路径优化模块。通过发出警告(预测)和警告(反应)完整 性标志以提高导航性能。

(1)警告完整性标志(CIF):预测信号，表明发送给航空电 子系统的GNSS数据将超过当前和计划飞行操作任务(警报状 态)指定的RNP阚值。

⑵警告完整性标志(WIF):发送到航空电子系统的GNSS 数据超过当前飞行操作任务(故障状态)指定的RNP阚值的反 应性提示。

(3) ABIA警告时间（TTC):在导致不安全状态的GNSS 故障发生之前，蝥告标志允许提供给用户的最小时间。(4) ABIA time -to- warning (TTW):从检测到导致不安全 状态的GNSS故障到ABIA系统向用户提供警告标志所允许 的最大时间。

2 ABIA,SBAS和GBAS的协同作用

GNSS的准确性取决于许多参数，除对天线遮挡、DOP和

信号干扰进行建模外，本文还对GNSS重要的误差来源多路 径进行了建模•通过对不同类型的衰减情况分析，可以推导

出一种通用判据作为几何约束，从而避免WIFS13的产生。在 进行多普勒频域飞行时，需要考虑初始速度矢量。

SBAS是指利用地球静止轨道搭载导航增强信号发生器， 以提髙精度、可用性和完好性。通过测量一颗或几颗GNSS卫 星，创建信息并发送到一颗或多颗SV，最后广播给最终用户。 为了降低电离层误差，SBAS与ABIA系统协同使用。电流 WAAS采用二维网格模型表示垂直电离层延迟分布。该方法

用于计算用户电离层垂直误差和用户电离层范围误差。消息

类型28 (MT28)包含与星历和时钟错误相关的单个SV的协 方差矩阵。MT28广播信息来源于SBAS地面基准站的观测 数据-观测参考站的分布及其测量质量可用于确定向特定用 户位置投影置信度的协方差矩阵。

基于SBAS的水平保护等级(HPL)。对于海洋、航路、终 端机或横向/垂直导航(LNAV/VNAV)进近。LNAV/VNAV进 路采用GNSS和/或GBAS提供的横向导航和气压高度计或 GBAS提供的纵向导航。

表1 GNSS信号水平和垂直告瞥限制w

典型运行水平告警限制

垂直告蓍限制

海洋/陆地7408mNA航路（陆地）3704mNA航路、终端区

1852mNANPV

556mNA有垂直引导进近（APV-I)40m50m有垂直引导进近CAPv-n)

40m20mCATI ffi密进近

40m

15m

不使用GBAS作为垂直引导飞机必须具有垂直引导能力 的高度表，该髙度表通常与飞行管理系统(FMS)集成。LPV 方法是一种非精确方法(Non-Predsion Approach，NPA)，在操 作上与传统的仪表着陆系统(ILS)相似。利用LPV的高精度 进行横向引导，利用气压髙度计进行垂直引导。LPpl方法只能 由装备WAAS/EGNOS接收器的飞机飞行。SBAS和GBAS 完好性模型的目的是引入计算垂直和水平保护级别所需的系 统功能，并将其与指定的垂直和水平警报限值(VAL和HAL) 进行比较。

根据当前的WAASMOPS，采用算法对系统的完好性进行 评估。因此，当HPL/VPL超过HAL/VAL时，（下转第73頁）

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信息通信

接口类型不一致，如一端为trunk 口，另外一端是hybrid 口，其 实问题一样,不管是什么端口类型，只要进行合理配置都能实 现PC间的互通。只需要注意到不同接口在处理数据时候的 差异即可。Access接口发出的数据帧肯定不带Tag标签， Trunk接口发出的数据帧只有一个VLAN的数据帧（Tag与 PVID相同)不带Tag标签，其他都带VLAN标签，Hybrid接

李永芳:基于ENSP跨交换机不同VLAN二层互通仿真实验

[2] [3] [4]

华为技术有限公司.HCNA网络技术实验指南[M].北京: 王文龙.在仿真环境下虚拟局域网的划分与通信[J].实验 孟祥成.基于eNSP的二层VLAN虚拟仿真实验[J].实验

人民邮电出版社,2014.

室研究与探索，2018,37〇):80~84_室研究与探索,2017,36(9):102-106_

[5] 杨姝.VLAN技术实验的设计与仿真实现研究[J].实验技

术与管理，2014,31(3):114-117.[6] [7]

李永，甘新玲，王海燕.不同VLAN之间通信实验设计与实 陈潮，靳慧云，黄安安.VLAN间路由实验在仿真器中的设 现[J]•实验技术与管理2014,31⑷:106-108.计与实现U].实验技术与管理>2016(8) :129-132.

[8] 廉佐政，王海珍.大型局域网中VLAN间可靠通信的仿真

设计[J].李坚.组建局域网综合实验的设计[J].实验室研究

与探索，2016,35(7): 96-101.[10]廉佐政，王海珍.大型周域网中VLAN间可靠通信实验设

计与实现[J].实验室研究与探索》2015,4(12): 119-123.基金项目:铁路数据网的规划与技术应用研究(YZ18011)。作者简介:李永芳(1982-)，女，江苏连云港人，硕士，讲师，主要研究方向:无线通信和计算机仿真。

口发出的数据帧可根据需要设置某些VLAN的数据帧带Tag 标签，某些VLAN的数据帧不带Tag标签（配置port hybrid

untagged vlan) 〇

4结语

借助ensp仿真软件，设计实验拓扑，利用抓包软件分析数 据通信过程，对交换机不同端口模式、VLAN互通过程，端口 处理tag标签等方面进行了深入地分析研究，让学生更加直观 深刻地理解交换机不同端口对VLAN数据的处理情况，加深 了对VLAN技术原理的理解，帮助学生在今后的网络学习中 更好地运用VLAN技术，正确地配置和使用VLAN这项基础 技术。

参考文献：

[1]华为技术有限公司.HCNA网络技术学习指南[M].北京:

人民邮电出版社,2015.

(上接第69页）只生成WIF(reactiVe)瞀报,除所有GLS类所 需的VPL和LPL外，还实现了髙性能GLS的PVPL和PLPL 特性。如果VPL或LPL超过阐值(g|J，则生成一个WIF)。如 果其中一个PVPL和PLPL超过阈值,则生成CBF。

对多架载人和无人飞机平台的进一步仿真案例研究，得出了ABIA系统与SBAS和GBAS协同工作的方法，提髙了从初始

爬升到最终进近的所有飞行阶段的完好性水平。ABIA算法 能够在SBAS和GBAS设计运行的相同飞行阶段生成合适的 预测和响应标志(CIFs和WIFs)。

3仿真实验

为了验证ABIAIFG模块的设计，探索ABIA系统与GBAS/SBAS之间的协同作用，进行仿真实验研究。仿真飞机轨迹包

4结语

本文对基于完好性增强（ABIA)系统体系结构进行了研 究，给出了 GNSS信号衰减或丢失时用于生成螫告和瞀告完 整性标志的阈值。研究了 ABIA与SBAS和GBAS集成所带 来的协同效应。可以得出：在相同飞行阶段使用ABIA和 SBAS/GBAS之间的协同效应可以在所有飞行阶段获得完好

括以下飞行阶段:起飞:直线爬升(SC)阶段;路径捕获插入;转 弯爬升（TC)阶段；巡航阶段:直线和水平（SL)和域水平转弯 (LT)阶段;初始下降:转弯下降(TD)和域下降(SD)阶段和 最终下降:直线下降阶段接近(AP)。假设对于给定的飞行轮廓, 每个卫星的位置是恒定的。通过在MATLABTM Jdg行ABIA 模拟器，可以获得所有六段飞行的CIF和WIF。SC到SD飞行 阶段的CIFs,进近飞行阶段的CIFs和WIFs如表2所示^

性更好的信号。

参考文献：

[1]

陈明强，张光明.GBAS在终端区的应用U].中国民航飞行 学院学报，2011，(6):P22-P55

[2] R. Sabatim, T. Moore, C. Hill and S. Ramasamy, ^Assessing

Avionics~Based GNSS Integrity AugmraitatiaQ Petfcmnance ia UASMissioii-aiidSa&ty~Cri1icalI^siks”，ProceedingsoflDter- natian^ICOn&xenceonUnmanned Airoaft Systrans(ICUAS 2015)， Denver, CX), USA, 2015.DOI: 10.1109/iaJAS2015.7152347[3] RTCA, KGNSS-Based Precision Approach Local Area Aug­

mentation System (LAAS) Sigoal-in-Space Interface Con­trol Document (ICD),M Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA) Lie., Special Ccnimuttee No. 159,Docu­ment RTCA DO-246D, Washington DC(USA), 2008.[4]

表2进近阶段的CIF和WIF

FLIGHT LEG

LNAV

/VNAVLPVI

Approach(AP)

(Descent 1&2)

LPVnCATICATQCAT in

ABIA1689 - 2000 s GBAS1689-2000 s

CIF

WIFABIA1790 ~ 2000 sSBAS1501-1712 1800-2000 sABIA1790 ~ 2000 s GBAS1790-1800 s, 15>92 - 2000s

ABIA1501-2000 s

Jb述仿真实验研究的过程中，CEFs总是在连续WIFs之前

至少2秒触发。所有CIFs之后是WIFs，导致DRCIF为100%。 此外,大多数CIF之后是WIF。总共生成了 17个CIFs,其中 4个CIFs与WIFs无关。因此,误报率(FAR)为FARCEF=23.5%。 验证了为CEF/WIF阈值建立的模型的通用性和有效性。通过

牛飞.GNSS完好性增强理论与方法研究[D].解放军信息

工程大学博士毕业论文，2008.

作者简介:葛声(1988-)，男，研究生，研究方向:航电系统与设备。

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