GBAS数据回放系统技术研究及实现

褚映红，胡耀坤，张敏敏

GBAS数据回放系统技术研究及实现

褚映红，胡耀坤，张敏敏

（中电科星河北斗技术（西安）有限公司，西安 710068）

随着全球导航卫星系统（GNSS）地基增强系统（GBAS）在机场的长期使用，能够实现回溯历史数据、模拟卫星系统故障、进行GBAS运行性能的验证分析和问题定位，就显得很有必要，而如何使用GBAS系统记录的历史数据是实现以上功能的先决条件。通过研究实现了一套针对于GBAS原始数据的数据回放系统，方便了GBAS系统后期历史场景复现、问题定位和系统的性能验证和分析。

地基增强系统；数据回放；时序；秒脉冲

0 引言

卫星导航精密进近着陆系统被民航界认为是提高繁忙机场运行效率、保障复杂机场运行安全、解决机场全天候起降和终端区高密度运行难题的关键。全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）地基增强系统（Ground Based Augmentation System，GBAS），在通过差分定位提高卫星导航精度的基础上，增加了一系列完好性监视算法，提高系统完好性、可用性、连续性的指标，使机场覆盖空域范围内的配置相应机载设备的飞机获得到达精密进近服务。现阶段国外基于GPS L1 C/A 信号的精密进近着陆技术已基本成熟，支持I类（CAT I）精密进近着陆运行的系统已经在欧美多机场使用。

随着GBAS在机场的稳定应用，为更好地回溯历史数据、模拟卫星系统故障、进行GBAS运行性能的验证分析和问题定位，对GBAS系统离线数据的使用就显得格外地重要。

本文结合GBAS系统接口和数据的特性设计一套GBAS数据回放工具，实现GBAS系统历史数据的回放，配合GBAS仿真系统软件，实现历史场景的重现，以支撑GBAS系统问题定位和运行性能的验证分析。

1 系统逻辑架构

GBAS数据回放系统逻辑架构如图1所示，时钟驱动器产生标准的1 pps秒脉冲，为系统内设备提供标准时钟，数据回放软件读取GBAS系统记录的原始数据，并依据1 pps秒脉冲，模拟GBAS系统时序将GBAS原始数据通过串口发送出去，以便于GBAS系统仿真实现历史场景复现。

图1 GBAS数据回放系统逻辑架构

2 系统硬件组成

GBAS数据回放系统由时钟驱动器和数据处理服务器组成。

2.1 时钟驱动器

时钟驱动器使用GNSS时间信号，进行信号匹配选择，并转换成4路RS 422授时（1 pps）信号提供给系统内其它设备使用。

2.2 数据处理服务器

数据处理服务器为工业级处理机，配备：

1）串口：至少16路三合一（RS232/485/422）串口（带隔离）；

2）网口：至少4路独立网口RJ45，100/1000 M自适应。

数据处理服务器上部署数据回放软件，对外输出符合GBAS地面设备时序的历史信号数据。

3 系统软件组成

GBAS数据回放系统软件为数据回放软件。该软件为Windows桌面程序，采用多线程方式，实现文件的读取以及发送。根据软件架构该软件划分为以下几个模块，如图2所示。

图2 功能分解图

1）界面控制模块：实现界面的绘制，提供用户设置GBAS历史数据文件存储路径、历史数据出口以及外部时钟源等功能。

2）原始数据文件读取模块：实现根据用户配置，读取文件目录下GBAS历史数据文件功能。

3）校时模块：实现根据用户配置，读取外部秒脉冲信号，根据秒脉冲信号校正系统整秒。

4）原始数据发送模块：根据用户选择的发送数据，依据用户配置将GBAS历史数据发送至指定串口的功能。

3.1 界面控制模块功能

该功能模块实现界面的绘制以及用户配置数据的读取功能。其中界面分为时钟源配置和数据源配置两个模块。

时钟信号源设置界面设计如图3所示。

图3 界面设计图

1）“秒脉冲串口号”为下拉菜单选择项。软件通过读取所处系统串口配置信息，将系统使用的串口号作为下拉菜单的可选信息，以供用户选择秒脉冲读入的串口号。

2）“波特率”为串口传输速率，提供用户选择串口传输速率的选择菜单。

3）“发送间隔”提供用户选择数据发送时间间隔的功能。

数据源配置界面设计如图3所示。

1）“串口号”为下拉菜单选择项。软件通过读取所处系统串口配置信息，将系统使用的串口号作为下拉菜单的可选信息，供用户选择，作为该路数据的发送串口号。

2）“数据源”为文件目录对话框，提供用户选择需要在相应串口发送的GNSS接收机原始数据的存储路径。

点击“确定”按钮后，对配置信息的有效性进行验证。确保用户在“秒脉冲串口号”选择了有效的串口号；验证用户在“数据源”界面，至少正确选择了一路数据源路径和需要发送的串口号；在用户设置了多路数据源时，需要验证各路数据的发送串口号不重复。当配置信息验证通过后进行后续操作。

3.2 原始数据文件读取模块

在用户配置了有效的配置信息后，开始该模块的执行。

模块根据用户在“数据源配置”界面设置的多个数据源信息，启动多个线程，在线程内对目录下文件进行预处理，并根据预处理结果依次读取该文件目录下的GNSS接收机原始数据。读取过程如下：

1）用户点击“数据配置信息”界面“确定”按钮，且参数验证通过后，启动多个线程。线程1负责读取数据源1数据，依次类推。

2）数据源有效性判断。若以下两条有一项不符合，则表示数据源不需发送数据，线程结束。

3）用户选择的文件目录路径不为空，且该路径下的文件不为空；数据发送的串口号不为空。

4）数据有效性验证通过后，对数据进行预处理。若文件路径下只有一个数据文件，则直接读取数据文件；若有多个文件，则解析文件内容并依据文件的第一包有效的数据包，并以该数据包中的GPS时间作为该文件的时间标记，依据各个文件的时间标记，按时间先后进行文件的排序，并依据此顺序依次读取数据文件。等待数据发送。

数据流程如图4所示。

图4 原始数据文件读取流程

3.3 校时模块

校时模块处理流程如下：

1）读取用户选择：若秒脉冲配置有效，则启动校时功能，若没有配置有效的秒脉冲配置则不启动校时功能。

2）校时功能：根据用户配置的串口号和串口速率，打开秒脉冲串口，并依据收到秒脉冲信号设置系统时。

3.4 原始数据发送模块

原始数据发送模块在原始数据文件读取模块处理完成后，初始化串口。等待用户设置的发送间隔，读取这一个时间片（注1）至下一时间片之间的所有原始报文（注2），按照报文先后顺序发送；等待用户设置的发送间隔，发送下周期数据。依次执行直至数据发送完成。

注1：时间片是指数据包的GPS周、秒为标记的一个时间周期。该时间从接收机时间数据包或者伪距数据包获取。

注2：报文包含时间、伪距、星历、历书和甚高频数据广播（VHF Data Broadcast，VDB）所有数据包。

处理流程如图5所示。

图5 原始数据包发送流程

4 系统运行分析

使用本系统将GBAS现场运行记录的24小时原始数据，通过8路串口同时向GBAS系统持续发送。系统运行完成后对系统发送的数据报文数、数据发送时长、数据丢包率和数据发送延迟进行了分析统计，统计结果如表1所示。

经分析本系统能够依据GBAS的系统运行的时序向GBAS系统准确完整地发送所有的报文数据。

5 结语

GBAS数据回放系统能够很好地模拟GBAS系统数据时序，并完整、按时地将GBAS历史原始数据通过串口发送出去，为GBAS仿真系统提供了真实和可靠的数据源，为GBAS系统的历史场景复现、卫星系统故障模拟、进行GBAS运行性能的验证分析和问题定位提供了有用的帮助。

[1] 国际民航组织标准与建议措施（ICAO SARPs）附件10. 航空电信，第I卷无线电导航设备[S]. 7版，国际民航组织，2018.

[2] RTCA DO-253D. 机载全球定位本地增强系统装置最低性能标准[S]. 航空无线电技术委员会，2017-07-13.

[3] RTCA DO-246E. 基于GNSS精密进近局域增强系统（LAAS）信号在空间接口控制文件（ICD）[S]. 航空无线电技术委员会，2017-07-13.

[4] FAA-E-3017. CAT I地基增强系统（GBAS）地面设施[S]. 美国运输部联邦航空管理局，2009-09.

[5] MH/T 4045-2017. 民用航空地基增强系统（GBAS）地面设备技术要求——I类精密进近[S]. 中国民航局，2017-04-01.

[6] MHT4051-2018. 民用航空地基增强系统（GBAS）地面设备测试方法——I类精密进近[S]. 中国民航局，2019-04-01.

[7] ED-114B. 支持I类操作的全球导航卫星地基增强系统地面设备最低运行性能规范[S]. 欧洲民用航空设备组织，2019.

[8] IS-GPS-200K. GPS空间信号接口控制文件：L1和L2[S]. 2019.

[9] IS-GPS-705F. GPS空间信号接口控制文件：L5[S]. 2019.

[10] 北斗卫星导航系统空间型号接口控制文件——公开服务信号B1I（3.0版）[S]. 中国卫星导航系统管理办公室，2019.

[11] 北斗卫星导航系统空间型号接口控制文件——公开服务信号B1C（1.0版）[S]. 中国卫星导航系统管理办公室，2017.

[12] 北斗卫星导航系统空间型号接口控制文件——公开服务信号B2a（1.0版）[S]. 中国卫星导航系统管理办公室，2017.

Research and Implementation of GBAS Data Playback System

CHU Yinghong, HU Yaokun, ZHANG Minmin

With the long-term use of the Global Navigation Satellite System（GNSS）Ground Based Augmentation System (GBAS) at the airport, it is necessary to be able to track historical data, simulate satellite system failures, verify and analyze GBAS operational performance and locate problems. How to use the historical data recorded by the GBAS system is a prerequisite for achieving the above functions. A set of data playback system for GBAS original data is implemented, which is convenient for the historical scene recurrence, problem location and performance verification and analysis of GBAS system in the later period.

Ground Based Augmentation System; Data Playback; Time Series; Pulse Per Second

TN967.1

A

1674-7976-(2023)-06-391-04

2023-08-15。

褚映红（1979.03—），陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向为卫星导航增强技术。