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摘 要：北斗地基增强系统GBAS作为我国自主研发的导航系统，已经完成基本系统的研制建设，具备为用户提供广域实施米级、分米级、厘米级和后处理毫米级定位精度的能力。本文在分析基本加固系统的完整性及相关理论知识的基础上，结合民航未来发展应用，将理论知识通过计算和相关过程直接表达，对系统完整性理论进行了充分探索，为今后提高民航导航系统的安全性和可靠性铺平道路。
关键词：GBAS;地基增强系统;进近着陆;卫星导航
中图分类号：TN967.1 文献标识码：A
0 ????前言
美国GPS定位系统，俄罗斯GLONASS系统，中国北斗卫星导航系统和欧盟伽利略定位系统被公认为是全球四大卫星导航系统。目前，我国民航航班在满足精度、完整性、连续性、可用性等导航性能要求的定位中使用GPS定位。随着我国北斗卫星导航系统的日趋成熟，民航事业意识到国际变化，或将及时更新卫星导航定位系统。这一改变将有效促进我国民航及相关产业发展，提高空域资源使用率，降低飞行成本，提高飞行速度和质量[1]。使用由我国自主研发的以GBAS为代表的地基增强系统，不仅可以促进民航事业和经济发展，更在保障国家战略安全方面起着至关重要的作用。北斗卫星导航系统把差分技术作为提高精度的最重要途径。北斗国家级增强系统一般采用差分技术和精密点定位技术，省级增强系统一般采用实时网络RTK技术[2]。地基增强系统GBAS精度预期能达到Ⅲ类着陆水平，现在已经可以达到Ⅰ类水平，完好性和连续性满足Ⅰ类的要求[3]。
1 北斗系统应用的基本概述
1.1 定位方程
北斗系统为用户提供了两种测量方法：一种是伪距测量，伪距（PR）指的是由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过大气层（电离层和对流层）的延迟，实际测量出的距离与卫星到接收机由星历确定的几何距离R存在误差，因此称测量出的距离ρ为伪距（ρ伪距=R+Δρ）。伪距值是传播时间和光速的乘积，也就是说，所测量的卫星到用户的距离，是通过记录卫星信号传播到用户所经历的那段时间，再乘以光速所得（ρ伪距=C·Δt）。
1.2 北斗系统用于精密进近的导航性能需求
在飞行过程中，精密进近是整个过程中最为关键的阶段，表1描述了精密进近的三个阶段：CATⅠ、CATⅡ和CATⅢ，精密进近是三个阶段所要求的导航性能（RNP），飞行员或飞机必须在决断高度作出重要决策，继续或停止着陆，取决于跑道可视区域（RVR）在适当的决断高度，由于北斗系统的定位精度高于垂直方向，垂直方向的完整性更难实现[5]。因此，本文主要以竖向保护为研究对象。
为了提高飞行中飞机的安全性，当其位置故障超过一定限度时，飞机导航系统应发出警报。我们称这个边界为警戒边界。因此，水平方向称为水平报警边界（HAL），垂直方向称为垂直报警边界（VAL），左右方向称为横向报警限值（LAL）。导航系统的故障必须在该区域内进行调节，水平方向为水平保护水平（HPL），垂直防护等级（VPL）和左右方向被指定为横向防护等级（LPL），导航系统的定位精度决定了其防护等级。
1.3 完好性概念
完整性是指当系统因错误而不能用于导航定位时，能够及时向用户发出报警的能力，完整性是一个重要参数，确保用户安全和导航系统所提供信息的可信性。北斗基础增强技术的完整性监测如下：
平滑滤波技术：实时高精度载波相位消除了电离层和对流层对平滑滤波的影响，同时降低了观测噪声。实际观测值，即计算保护度，形成误差包络，实施完整性保护[6]。
2 基于民用航空的计算模型
GBAS完好性计算：
我们知道，只有当保护级小于告警极限时，在防护等级低于警戒限值的情况下才能用于导航[7]。对于地基增强系统而言，它最重要的作用是能够减少定位误差，并实时提供定位误差的边界，称这些边界为保护级，我们只研究VPL和LPL。即垂直方向的定位误差的边界称为垂直保护级（VPL），左右方向的定位误差的边界称为横向保护级（LPL）。
假设：对于正常测量，即所有参考装置和源都能正常工作，垂直保护水平和水平保护水平的定义公式确定如下：
式中：
结合伪距测量误差公式由误警率和接收机的数目确定的已知系数??。
其中。
m【i】地面参考接收机的数量，该接收机是用来测量第i颗卫星和第j个接收机差分修正的伪距的。
表示由第i颗卫星的伪距误差推导出的x方向的定位误差分量;表示由第i颗卫星的伪距误差推导出的y方向定位误差分量;表示由第i颗卫星的伪距误差推导出的z方向定位误差分量;GPA表示最终进近航路的下滑角;N表示用于定位的卫星的数量;i表示第i个用于定位的卫星;加权的最小二乘投影矩阵S定义为：
式中：Gi=[cosElicosAzicosElisinAzisinElil]-G的第i行。
3 完好性仿真
为了评估GBAS是否存在完整性风险，对保护级别进行了定性分析。如果防护等级能将位置误差控制在其范围内，即防护等级低于警戒限值，则计算出的防护等级是可信的。然后就可以评估系统的完整性和可用性。
如果使用12颗卫星进行完整性模拟试验，则样本数据应为50小时内所有可见卫星的数量，这些卫星的高度角应大于5度（包括每颗卫星的方位角和高度角）。由图1试验中可知，北斗卫星星座中参与计算的卫星个数最多为12颗，最少为5颗，因此，满足至少4颗卫星才能定位的要求。
3.1 卫星及参考接收机均无故障时的仿真试验
假設12颗卫星均无故障，参考接收机也无故障。
结合可见卫星数（图1）分析得出：在卫星和参考接收机正确的前提下，北斗系统满足CATⅠ精密进近着陆要求（即VPL<10 m），但不满足CATⅡ和CATⅡ的要求（即VPL<5.3 m），如果将样本数据与仿真图进行比较，我们可以看到，可见卫星数量越多，VPL值越小。相反，可见卫星数量越少，VPL值越大。例如，如果卫星数全部可见，即12颗可见卫星，则VPL最小，说明垂直定位精度较高，测量误差较小;此外，对于相同数量的卫星，VPL值不能相同，因此它也与卫星的几何分布有关。
3.2 结果分析
（1）如果卫星和参考接收机没有故障，系统可以满足CATⅠ精密进近（VPL<VAL）的要求，但不能满足CATⅡ和CATⅡ的要求，说明基于北斗的地面加固系统完整性好，可以使用;如果地面参考曲线出现故障，则系统无法实现精密进近，完整性较差，系统不可用。
（2）VPL值与可见卫星的数量有关系。可见卫星数量越多，定位精度越高，误差越小，VPL值也就越小;相反，可见卫星数量越少，定位精度越低，误差相对较大，VPL值也就越大。
4 结束语
本论文以北斗地基增强系统GBAS完好性监测关键技术为主要研究目的，以完好性监测技术为核心进行介绍。通过对GBAS完好性的详细讲解，研究了以VPL为指标的算法，对北斗卫星导航在不同情况下进行了仿真及结论分析。为地基增强系统GBAS在精密进近中的应用提供理论依据。
参考文献：
[1]郑金华，杨明，王晓旺.地基增强系统（GBAS）飞行验证方法研究[J].现代导航，2011（5）：313-320.
[2]李斌，杨明.一种多系统地基增强系统（GBAS）B值的分析与处理技术[C].第四届中国卫星导航学术年会论文集-S5卫星导航增强与完好性监测，2013.
[3]覃坤，孙淑光.BD-Ⅱ在民航PBN中的应用[D].中国民航大学，2011.
[4]郑金华，任小伟，李斌，等.地基增强系统（GBAS）中对流层修正方法研究[C].第四届中国卫星导航学术年会，2017.
[5]张也.论GBAS技术在中国民航的应用[J].数字技术与应用，2019（9）：63-65+67.
[6]程松.Ⅲ类GBAS发展现状和趋势[J].电子技术与软件工程，2019（12）：127-128.
[7]王瀛东.北斗卫星地基增强系统完好性监测技术研究[D].沈阳航空航天大学，2016.
关键词：GBAS;地基增强系统;进近着陆;卫星导航
中图分类号：TN967.1 文献标识码：A
0 ????前言
美国GPS定位系统，俄罗斯GLONASS系统，中国北斗卫星导航系统和欧盟伽利略定位系统被公认为是全球四大卫星导航系统。目前，我国民航航班在满足精度、完整性、连续性、可用性等导航性能要求的定位中使用GPS定位。随着我国北斗卫星导航系统的日趋成熟，民航事业意识到国际变化，或将及时更新卫星导航定位系统。这一改变将有效促进我国民航及相关产业发展，提高空域资源使用率，降低飞行成本，提高飞行速度和质量[1]。使用由我国自主研发的以GBAS为代表的地基增强系统，不仅可以促进民航事业和经济发展，更在保障国家战略安全方面起着至关重要的作用。北斗卫星导航系统把差分技术作为提高精度的最重要途径。北斗国家级增强系统一般采用差分技术和精密点定位技术，省级增强系统一般采用实时网络RTK技术[2]。地基增强系统GBAS精度预期能达到Ⅲ类着陆水平，现在已经可以达到Ⅰ类水平，完好性和连续性满足Ⅰ类的要求[3]。
1 北斗系统应用的基本概述
1.1 定位方程
北斗系统为用户提供了两种测量方法：一种是伪距测量，伪距（PR）指的是由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过大气层（电离层和对流层）的延迟，实际测量出的距离与卫星到接收机由星历确定的几何距离R存在误差，因此称测量出的距离ρ为伪距（ρ伪距=R+Δρ）。伪距值是传播时间和光速的乘积，也就是说，所测量的卫星到用户的距离，是通过记录卫星信号传播到用户所经历的那段时间，再乘以光速所得（ρ伪距=C·Δt）。
1.2 北斗系统用于精密进近的导航性能需求
在飞行过程中，精密进近是整个过程中最为关键的阶段，表1描述了精密进近的三个阶段：CATⅠ、CATⅡ和CATⅢ，精密进近是三个阶段所要求的导航性能（RNP），飞行员或飞机必须在决断高度作出重要决策，继续或停止着陆，取决于跑道可视区域（RVR）在适当的决断高度，由于北斗系统的定位精度高于垂直方向，垂直方向的完整性更难实现[5]。因此，本文主要以竖向保护为研究对象。
为了提高飞行中飞机的安全性，当其位置故障超过一定限度时，飞机导航系统应发出警报。我们称这个边界为警戒边界。因此，水平方向称为水平报警边界（HAL），垂直方向称为垂直报警边界（VAL），左右方向称为横向报警限值（LAL）。导航系统的故障必须在该区域内进行调节，水平方向为水平保护水平（HPL），垂直防护等级（VPL）和左右方向被指定为横向防护等级（LPL），导航系统的定位精度决定了其防护等级。
1.3 完好性概念
完整性是指当系统因错误而不能用于导航定位时，能够及时向用户发出报警的能力，完整性是一个重要参数，确保用户安全和导航系统所提供信息的可信性。北斗基础增强技术的完整性监测如下：
平滑滤波技术：实时高精度载波相位消除了电离层和对流层对平滑滤波的影响，同时降低了观测噪声。实际观测值，即计算保护度，形成误差包络，实施完整性保护[6]。
2 基于民用航空的计算模型
GBAS完好性计算：
我们知道，只有当保护级小于告警极限时，在防护等级低于警戒限值的情况下才能用于导航[7]。对于地基增强系统而言，它最重要的作用是能够减少定位误差，并实时提供定位误差的边界，称这些边界为保护级，我们只研究VPL和LPL。即垂直方向的定位误差的边界称为垂直保护级（VPL），左右方向的定位误差的边界称为横向保护级（LPL）。
假设：对于正常测量，即所有参考装置和源都能正常工作，垂直保护水平和水平保护水平的定义公式确定如下：
式中：
结合伪距测量误差公式由误警率和接收机的数目确定的已知系数??。
其中。
m【i】地面参考接收机的数量，该接收机是用来测量第i颗卫星和第j个接收机差分修正的伪距的。
表示由第i颗卫星的伪距误差推导出的x方向的定位误差分量;表示由第i颗卫星的伪距误差推导出的y方向定位误差分量;表示由第i颗卫星的伪距误差推导出的z方向定位误差分量;GPA表示最终进近航路的下滑角;N表示用于定位的卫星的数量;i表示第i个用于定位的卫星;加权的最小二乘投影矩阵S定义为：
式中：Gi=[cosElicosAzicosElisinAzisinElil]-G的第i行。
3 完好性仿真
为了评估GBAS是否存在完整性风险，对保护级别进行了定性分析。如果防护等级能将位置误差控制在其范围内，即防护等级低于警戒限值，则计算出的防护等级是可信的。然后就可以评估系统的完整性和可用性。
如果使用12颗卫星进行完整性模拟试验，则样本数据应为50小时内所有可见卫星的数量，这些卫星的高度角应大于5度（包括每颗卫星的方位角和高度角）。由图1试验中可知，北斗卫星星座中参与计算的卫星个数最多为12颗，最少为5颗，因此，满足至少4颗卫星才能定位的要求。
3.1 卫星及参考接收机均无故障时的仿真试验
假設12颗卫星均无故障，参考接收机也无故障。
结合可见卫星数（图1）分析得出：在卫星和参考接收机正确的前提下，北斗系统满足CATⅠ精密进近着陆要求（即VPL<10 m），但不满足CATⅡ和CATⅡ的要求（即VPL<5.3 m），如果将样本数据与仿真图进行比较，我们可以看到，可见卫星数量越多，VPL值越小。相反，可见卫星数量越少，VPL值越大。例如，如果卫星数全部可见，即12颗可见卫星，则VPL最小，说明垂直定位精度较高，测量误差较小;此外，对于相同数量的卫星，VPL值不能相同，因此它也与卫星的几何分布有关。
3.2 结果分析
（1）如果卫星和参考接收机没有故障，系统可以满足CATⅠ精密进近（VPL<VAL）的要求，但不能满足CATⅡ和CATⅡ的要求，说明基于北斗的地面加固系统完整性好，可以使用;如果地面参考曲线出现故障，则系统无法实现精密进近，完整性较差，系统不可用。
（2）VPL值与可见卫星的数量有关系。可见卫星数量越多，定位精度越高，误差越小，VPL值也就越小;相反，可见卫星数量越少，定位精度越低，误差相对较大，VPL值也就越大。
4 结束语
本论文以北斗地基增强系统GBAS完好性监测关键技术为主要研究目的，以完好性监测技术为核心进行介绍。通过对GBAS完好性的详细讲解，研究了以VPL为指标的算法，对北斗卫星导航在不同情况下进行了仿真及结论分析。为地基增强系统GBAS在精密进近中的应用提供理论依据。
参考文献：
[1]郑金华，杨明，王晓旺.地基增强系统（GBAS）飞行验证方法研究[J].现代导航，2011（5）：313-320.
[2]李斌，杨明.一种多系统地基增强系统（GBAS）B值的分析与处理技术[C].第四届中国卫星导航学术年会论文集-S5卫星导航增强与完好性监测，2013.
[3]覃坤，孙淑光.BD-Ⅱ在民航PBN中的应用[D].中国民航大学，2011.
[4]郑金华，任小伟，李斌，等.地基增强系统（GBAS）中对流层修正方法研究[C].第四届中国卫星导航学术年会，2017.
[5]张也.论GBAS技术在中国民航的应用[J].数字技术与应用，2019（9）：63-65+67.
[6]程松.Ⅲ类GBAS发展现状和趋势[J].电子技术与软件工程，2019（12）：127-128.
[7]王瀛东.北斗卫星地基增强系统完好性监测技术研究[D].沈阳航空航天大学，2016.