基于WAAS模拟飞行实验的LPV可用性分析

张天阳

摘要：美国的广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）目前已能在WAAS服务区的绝大部分空域支持从航路到具有垂直引导满足航向信标性能（Localizer performance with vertical guidance，LPV）进近的所需导航性能（Required navigation performance，RNP）。为评估基于WAAS的LPV-200进近期间的可用性，首先使用实际监测数据解析了BILL站点的LPV可用性，其次，使用R&S信号源、NovAtel接收机以及相应软件构成LPV-200进近模拟系统，实验了正常情况、1颗卫星故障和2颗卫星故障下的美国比灵斯洛根国际机场LPV-200进近的整个运行过程，获得并分析了进近动态过程中的精度、完好性及可用性。实验结果表明，正常情况和1颗卫星故障下的WAAS对比灵斯洛根国际机场LPV-200运行支持良好，且与监测数据解析结果吻合。对LPV进近及其可用性的研究，可为今后评估某一机场基于我国建设的北斗星基增强系统（BeiDou Satellite Based Augmentation System，BDSBAS）的LPV進近运行的可用性提供理论和实验支持。

关键词：SBAS;WAAS;LPV;RNP;可用性;模拟飞行实验

中图分类号：TN967.1/V19 文献标识码：A

引言

本文结合实测GPS导航数据和WAAS广播报文，首先阐述WAAS的精度和完好性增强机理，其次基于监测数据解算了BILL站点的LPV-200可用性，并搭建模拟实验系统解算了正常情况、1颗卫星故障和2颗卫星故障下的LPV进近可用性。对基于WAAS的LPV可用性的研究，可为我国基于北斗星基增强系统（BeiDou Satellite Based Augmentation System，BDSBAS）的LPV建设提供一定的参考和借鉴。

1 精度和完好性增强机理

用户通过解码WAAS报文对GPS定位的精度进行增强，DO-229中详细阐述了解码WAAS报文对卫星钟差、电离层误差和观测伪距进行改正的算法和流程。

完好性是飞行安全中的关键指标，而保护级则是衡量完好性的重要参数。保护级分为水平保护级（Horizontal protection level，HPL）和垂直保护级（Vertical protection level，VPL），它们分别为

式中，KH，NPA=6.18，KH，PA=6.0，KV，PA=5.33，dmajor为误差椭圆半长轴的标准差，dU为天向误差的均方差。

dmajor和dU均为协方差矩阵d中的元素

式中，G为几何矩阵，只与用户和卫星的几何位置有关，权重矩阵W是保护级计算中的关键参数，可按DO-229中的算法结合WAAS报文解算得到。

2 基于监测数据的LPV可用性解算

取国际地球动力学GPS服务（International GPS service for geodynamics，IGS）位于比灵斯的BILL观测站点2018年3月9日1 Hz实测观测数据（包含伪距和载波相位测量值等信息），按本文第1节所述算法解析相应GPS导航数据和WAAS报文，设置卫星截止仰角为5°，截止信噪比为33dBHz，进行精度和完好性解算，得其用于LPV-200进近时的水平和垂直斯坦福图，水平和垂直方向上满足精度和完好性的可用性（斯坦福图中所示正常运行的百分比）分别为100.00%和98.34%。

3 模拟LPV-200进近实验

3.1 实验设备及设置

模拟LPV-200进近实验使用R&S SMBV 100A信号源和NovAtel FlexPak6接收机。信号源产生并发射射频（Radio frequency，RF）信号，通过RF传输线与接收机相连，接收机通过数据线和NovAtel Connect软件与PC连接，在Connect软件端用户可以对接收机进行设置并选择存储数据。信号源支持用户自定义数据，下载并解析NSTB网站上2018年3月9日的数据作为信号源输入。接收机带有SBAS功能，但需要在Connect软件端输入“SBAS CONTROL ENABLE WAAS”命令开启WAAS功能。

模拟进近选择比灵斯洛根国际机场的10L跑道，此跑道发布LPV-200进近程序。10L跑道入口的经度、纬度和高度已知，高度上加51ft即为最后进近航段上一点，设此点为（10Llon，10Llat，10Lalt）。为贴近实际运行，进近阶段的速度设置为自240节到125节的匀减速，设最后进近航段上任一点x的速度为v，则x的位置可由（10Llon，10Llat，10Lalt）和v确定。具体的航路点解算及实验设置在图1中阐释，在Connect软件端选择图1所示的log语句作为输出，即可转换为所需的RINEX文件。

使用图1中方法解算得到的航路点文件理论上是无限长的，在高度上截取6000～200ft的数据作为信号源的航路输入，如图2所示，其中第一行为时间分辨率（ms），以逗号分隔的三列数据分别为经度（°）、纬度（°）和高度（m）。

搭建好实验系统后，在Connect软件端记录数据。飞机于2018年3月9日18点08分左右开始进近，在相同设置的情况下，共接收了15组数据。由于每次实验中信号源和接收机的反应时间各不相同，而在不同时刻卫星位置不同，故选取18：10：00至18：13：45的数据（1991周497400秒至1991周497625秒），统一各组实验时间。数据接收完毕后，转换得到RINEX格式观测文件，正常情况下可观测到11颗GPS卫星和PRN 135、PRN 138两颗GEO卫星信息。在飞机进近过程中，随着用户位置和卫星位置的变化，PRN 14卫星的仰角变化至低于5°时，参与定位的GPS卫星数量由11颗变为10颗。

假設PRN 23卫星故障，其余设置不变，进行15组重复实验。假设PRN 23和PRN 26卫星故障，其余设置不变，进行15组重复试验。

3.2 实验结果及分析

1、正常情况下的飞机进近性能

由于参与定位解算的GPS卫星数量对定位性能有直接影响，故结合参与定位的卫星数量绘制模拟进近过程中东、北和天向误差（图3～图5）。进近过程中的保护级变化则如图6所示。

由于15组实验是在相同条件下进行的，其余实验结果与图3～图6所得数据波动趋势基本一致，故只选取一组数据进行图像展示。

对3种情况下的模拟进近实验所得精度和完好性数据进行统计分析，结果如表1和表2所示。

由实验所得图形和统计数据分析可得，正常情况下飞机进近过程中LPV可用性为100.00%，LPV-200可用性为97.35%。本文第2节中基于监测数据解算的BILL站点2018年3月9日一天内的LPV-200可用性为98.342%。

1颗卫星故障时，飞机进近过程中LPV可用性为99.12%，LPV-200可用性为96.46%。2颗卫星故障时，飞机进近过程中LPV可用性为96.46%，LPV-200可用性为68.58%。

4 总结与结论

本文在结合GPS导航数据分析WAAS系统精度和完好性的基础上，解算了LPV可用性。首先以BILL站点的水平和垂直斯坦福图分析LPV-200可用性，其次，使用信号源和接收机模拟飞机进近，证明了正常情况下和1颗卫星故障时WAAS对比灵斯洛根国际机场LPV-200运行支持良好。当有2颗卫星发生故障时，WAAS不足以支持飞机完成LPV-200进近，但仍可支持LPV进近。对LPV进近及其可用性的研究，可为今后评估某一机场基于我国建设的BDSBAS的LPV进近运行的可用性提供理论和实验支持。

参考文献

[1]DO-229E，Minimum Operational Performance Standard for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment[S].Washington，DC：RTCA SC-159，2016.

[2]FAA.LPVs[EB/OL].https：//www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/approaches/media/lpvs.xlsx.

[3]Skyvector.Billings Logan International Airport[EB/OL].https：//skyvector.com/airport/ BIL/Billings-Logan-International-Airport.