民航GPS 地基区域完好性监视系统设计与实现

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摇2006 年7 月
第32卷第7期
北京航空航天大学学报
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics
July摇2006
Vol. 32摇No郾7
-
摇收稿日期: 2005鄄08鄄18
摇作者简介: 朱衍波(1970-),男,浙江舟山人,博士生, zyb@ adcc. com. cn.
民航GPS 地基区域完好性监视系统设计与实现
朱衍波摇摇张晓林摇摇薛摇瑞摇摇张淼艳
(北京航空航天大学电子信息工程学院, 北京100083)
摇摇摘摇摇摇要: 结合中国地域和空中交通流量分布的特点,提出了中国民航全球卫星定位
系统GPS(Global Positioning System) 地基区域完好性监视系统GRIMS( Ground鄄based Regional
Integrity Monitoring System) 的概念. 一个包含7 个监测站的地面监测网监测视界内的GPS 卫
星,判断其可用状况,并将判断结果和重要的监测数据发送到主控站. 主控站计算中国范围内
的接收机自主完好性监测RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)空洞,同时推算全国
民航飞机的实时位置,并向所有位于RAIM 空洞中的飞机及时发送完好性告警信息. 从卫星出
现故障到飞机收到告警信息之间的告警延迟小于7 s. 该系统已经应用于中国民航,在保证飞
行安全的同时提高了飞行效率.
关摇键摇词: 卫星导航; 故障检测; 全球定位系统
中图分类号: P 228. 4
文献标识码: A摇摇摇摇文章编号: 1001鄄5965(2006)07鄄0797鄄05
Design and implementation of GPS ground鄄based regional
integrity monitoring system for China civil aviation
Zhu Yanbo摇Zhang Xiaolin摇Xue Rui摇Zhang Miaoyan
(School of Electronics and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)
Abstract: A GPS(global positioning system) GRIMS(ground鄄based regional integrity monitoring system)
was established by considering the particularities of Chinese terrain and the distribution of air traffic flow. A
ground鄄based monitoring network composed of 7 monitoring stations gathered data of all GPS satellites in view
and made primitive judgments of GPS satellites忆health from all the data gathered. The judgments and impor鄄
tant original data were then sent to master station. All RAIM(receiver autonomous integrity monitoring) holes
in Chinese airspace, as well as positions of all airplanes of Chinese airlines, were calculated in master station.
All airplanes that were considered to be in any RAIM hole would receive a notification message. The time limi鄄
tation of the whole process from gathering monitoring data to the notification be received was 7 s. GRIMS is
used in China civil aviation and improvs both safety and efficiency.
Key words: satellite navigation aids; fault location; global positioning system
摇摇目前,中国民航客机已经基本装备了全球卫
星定位系统GPS(Global Positioning System)卫星
导航设备. 将GPS 用于中国民航,在东部地区作
为辅助导航系统,可提高导航精度,避免再对陆基
导航系统进行投资;在西部地区可作为主用导航
系统,提高导航精度、航行安全和飞行效率,克服
在西部边远地区建台困难和依靠惯性导航系统误
差大的难题.
但民用航空是对安全性要求极高的部门,无
论将GPS 作为辅助航空导航系统还是作为主用
航空导航系统,除了导航精度外,还必须满足完好
性要求[1-2] . GPS 系统在航路和进近阶段能满足
民航所规定的精度要求,但远不能满足民航对完
好性的要求. 因此必需建立GPS 卫星完好性监视
系统,满足民用航空对卫星导航系统的需求.
目前,国际上已经建成和正在建设中的GPS
完好性监视和增强系统有: WAAS ( 美国)[3] 、
LAAS(美国)[4] 、EGNOS(欧盟)[5] 、GRAS(澳大利
亚)、MSAS(日本)和GAGAN(印度)等. 由于星基
完好性增强系统的建设和维护费用相当高,且中
国的空中交通流量主要集中在东部经济发达地
区,东西部空中交通流量的差别相当大,因此一个
可灵活部署、扩展的地基系统将更适用于中国民
航. 为此,本文研究了中国民航GPS 地基区域完
好性监视系统概念,提出了具体方案,考虑了中国
区域特点和民航需求,解决了系统中应用的关键
算法和关键技术,具有重要应用价值.
1摇GRIMS 系统设计
在接收机内,仅依靠接收机自身获取的定位
信号进行完好性监视的方法,称为接收机自主完
全好监测RAIM ( Receiver Autonomous Integrity
Monitoring)[6-7] . 但是RAIM 算法依赖于所观测卫
星的几何分布,在卫星几何分布不好的地区(即
RAIM 空洞),结果有较大误差. 因此必须在RAIM
基础上附加地基完好性监视系统,在两个系统的
共同作用下,使GPS 系统在边远地区达到用作主
用导航系统的性能要求;在航路、终端区达到用作
辅助导航系统的性能要求.
中国民航地基区域完好性监测系统GRIMS
(Ground鄄based Regional Integrity Monitoring Sys鄄
tem)的原理就是通过地基监测网监测航路上飞行
的所有飞机视界内的GPS 卫星状态,并按照美国
航空无线电技术委员会RTCA(Radio Technical
Commission for Aeronautics)公布的GPS 完好性要
求,对不同的飞行阶段给出卫星可用/ 不可用信
息,并利用适当的数据链向飞机发布.
中国民航GRIMS 系统包括3 部分:地面监测
网、主控中心和地空数据链. 如图1 所示.
地面监测网监视视界内所有GPS 卫星的健
康状况,当有GPS 卫星发生故障或从故障中恢复
时,向主控中心发送完好性信息. 主控中心计算并
预测一段时间(10 min)内全国各地区GPS 卫星导
航服务的可用/ 不可用状况; 同时,主控中心接收
并处理通过飞机通信寻址报告系统ACARS(Air鄄
craft Communication, Addressing and Reporting Sys鄄
tem)数据链下传的全国民航飞机的起降和位置报
文,以此推算全国民航飞机的实时位置,通过
ACARS 数据链向飞机发送告警信息.
图1摇GRIMS 系统组成框图
1. 1摇地面监测网
地面监测网由7 个地面监测站、一个主控站
和地面通信网络组成(见图2). 7 个地面监测站
分别位于哈尔滨、上海、三亚、昆明、拉萨、乌鲁木
齐和北京;主控站位于北京. 主控站、监控站系统
之间通过民航地面通信网络连通.
图2摇地面监测网站址
为了保证系统的时间同步,在系统设计中采
用单向时间同步方法. 主控站用GPS 授时接收机
将主控站的时钟精确地同步到世界协调时UTC
(Universal Time Coordinated)时间. 各监测站将时
钟信息传送到主控站,主控站将各个监测站与主
控站时钟进行比对,计算出各监测站与主控站之
间的钟差,并将钟差返回到各监测站修正监测站
时钟,从而使监测站与主控站统一时钟. 主控站向
系统内所有其它设备或系统(如信息发布站等)
发布校时报,使整个系统时间同步.
1. 2摇主控中心
地面监测网主控站、信息发布站和ACARS
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网络中心均位于主控中心. 地面监测网主控站将
GPS 卫星的可用性信息发送给信息发布站;同时,
ACARS 网络中心将接收到的全国民航飞机的起
降和位置报文也发送给信息发布站. 信息发布站
计算全国范围内的RAIM 空洞,推测全国民航飞
机的实时位置,向所有位于RAIM 空洞内的飞机
发送告警信息.
信息发布站软件系统结构如图3 所示.
图3摇信息发布站软件系统逻辑结构图
1. 3摇地空数据链
中国民航已经建立了一个ACARS 地空数据
链网络. ACARS 系统通过一个覆盖全国的甚高频
地面站网络与飞机通信.
机载的多功能控制显示单元MCDU(Multi鄄
function Control Display Unit)可以显示地面上传
的文本信息;ACARS 数据通信速率可以满足完好
性信息数据的上传要求;主控站输出的卫星完好
性信息可以通过民航的通信专线连接到ACARS
数据链的网控中心. 因此,在不改变飞机的任何设
备和飞行程序的情况下,使用ACARS 数据链上
传卫星完好性信息将使飞机驾驶员能尽快地利用
GPS 完好性信息.
2摇系统关键技术与算法
2. 1摇卫星完好性判断算法
GPS 系统的水平位置误差滓Hor为:滓Hor =dHDOP
伊滓Pr. 其中,dHDOP为GPS 星座的水平几何因子;滓Pr
为伪距测量误差. 由此可见滓Hor 与dHDOP 成正比.
因此,必须限定一个最大水平几何因子dmax. 当用
户视界内卫星的dHDOP >dmax时,则认为不能用GPS
进行导航.
每个监测站对视界内的可视卫星的伪距误差
驻籽进行测量,并按照误差大小排序,即驻籽1 >驻籽2 >
驻籽3 >…>驻籽n . 最坏的情况是用户使用误差为驻籽1,
驻籽2,驻籽3 和驻籽4 的4 颗卫星来定位. 在dHDOP =dmax
的情况下,如果此时定位误差仍不超出其飞行阶
段的误差门限,那么便判定所有卫星信号对该飞
行阶段可用;反之,为了安全,判定误差为驻籽1 的
卫星信号不可用. 接下来,判断误差为驻籽2,驻籽3,
驻籽4 和驻籽5 的4 颗卫星在dHDOP = dmax 定位时的
滓Hor是否超差:如果不超差,则除误差为驻籽1 的卫
星外的所有卫星可用;反之,如滓Hor 仍然超差,则
判定误差为驻籽2 的卫星不可用. 这样进行下去,判
定其他所有卫星是否可用,直至卫星数少于4 颗
为止.
这种序列计算在GAIMS 监测站中每秒完成
一次,只有当在连续3 次计算结果都判定某颗或
某些卫星不可用时,才宣布这颗或这些卫星为不
可用.
2. 2摇GPS 卫星运行覆盖区域计算
卫星覆盖区域推测主要功能是根据卫星星历
计算所有GPS 在轨卫星对地面仰角大于8毅的覆
盖区域. 该模块以1 min 为间隔推算卫星覆盖区
域,计算未来10 min 内每个卫星的覆盖区域.
GPS 卫星广播星历的坐标系是世界大地坐标
系WGS鄄84,星历参数包括开普勒轨道参数、轨道
摄动参数和时间参数,根据这些参数可以计算第
k 颗卫星在WGS鄄84 坐标系中的坐标.
首先根据星历中给出的轨道长半轴平方根
A 和平均角速度修正量驻n 计算平角速度n:
n = 滋/ ( A ) 3 + 驻n
其中,滋=3. 986005伊1014 m3 / s2,为地球引力常数.
然后根据参考时刻Toe的平近点角M0 计算观
测时刻t 的平近点角Mk :
Mk = M0 + n 伊(t - Toe)
按式(1)迭代计算近点角Ek :
Mk = Ek - esin Ek (1)
其中,e 为卫星轨道偏心率.
然后计算真近点角vk 和卫星矢径rk :
vk = arctan 1 - e2 sin Ek
cosEk - e
rk = ( A ) 2(1 - ecosEk)
摇摇根据星历中给出的近地点角距棕计算升交
点角距准k :
准k = vk + 棕
摇第7 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇朱衍波等:民航GPS 地基区域完好性监视系统设计与实现799
摇摇得到卫星在轨道平面内的坐标(x忆k ,y忆k ):
x忆k = rk cos准k
y忆k = rk sin 准}
k
摇摇再根据星历中给出的准经度赘0 和赤经变化
率驻赘计算改正升交点的经度赘k :
赘k = 赘0 + (驻赘- 棕e)tk - 棕eToe
其中,棕e =7. 2921151467伊10-5 rad/ s,为地球自转
角速度.
根据星历中给出的轨道倾角变化率驻i 计算
轨道倾角ik :
ik = 0. 96 + 驻i·tk
摇摇求出卫星在WGS鄄84 坐标系中的坐标(xk ,
yk ,zk )为
xk = x忆k cos赘k - y忆k cosik sin 赘k
yk = x忆k sin 赘k + y忆k cosik cos赘k
zk = y忆k sin 赘
ü
þ
ý
ïï
ïï
k
摇摇据此可计算卫星星下点位置(xsk ,ysk ,zsk ):
xsk = xk 伊R / rk
ysk = yk 伊R / rk
zsk = yk 伊R / r
ü
þ
ý
ïï
ïï
k
其中,R =6378137 m 为地球椭球长半径.
当仰角下限为啄0 时,卫星的覆盖区域相应的
地球中心角茁为:
茁= arccos Rcos啄0
r
æèç
öø÷
k
摇摇若地球上某点与卫星星下点的地心角小于茁
值,则判定此点在此卫星覆盖区内.
2. 3摇飞机航迹模拟算法实现
GRIMS 系统通过ACARS 系统,可以实时接
收中国空域内所有飞机的起降和位置报文,以
1 min为间隔, 实时对未来10min 内飞行中飞机的
轨迹进行模拟和预测.
在进行飞行模拟时,不是完全依赖航空公司
的当日航班计划,只有当收到飞机的起飞报和落
地报后,才开始模拟. 每当到达进行航迹模拟的时
间间隔(1 min)点,系统会自动对所有飞机的未来
10 min 的位置进行一次计算. 每接收到一份位置
报文,将对该航班的模拟航迹进行校正. 具体实现
见图4.
航迹模拟算法实现过程为:从航班计划表里
读取某架航班的当日航班计划,按照其航路信息
即可确定此航班必经的导航台,以这些导航台为
基准进行推测. 收到飞机起飞报,则以其起飞机场
位置为起始位置,沿着指向第一个导航台的直线
方向,按照飞机飞行速度模拟飞机在未来10 min
图4摇航迹模拟实现过程
内的位置;当收到飞机位置报时,立即以实际位置
更改当前时间的模拟位置,沿着当前位置指向此
时飞机的目的导航台的直线方向,按照飞机速度
模拟飞机在未来10 min 内的位置;当飞机距离降
落机场50 km 以内时,飞机受机场导航设备的控
制,不再需要卫星导航信息,将停止对此架飞机的
模拟,收到落地报后将其从动态飞机列表中删除.
经实际运行证明,在没有特殊情况时,如航班
的突然改航或由于天气变化引起的绕飞等,按照
此算法模拟出的航班位置与实际位置偏差可以忽
略. 按照整个系统的同步时间,在每个分钟点将中
国空域内所有航班的当前位置及未来10 min 的
位置发给覆盖分析模块.
2. 4摇卫星导航服务可用/ 不可用信息计算
由于飞机位置和卫星覆盖区域均是实时变化
的,需要计算出受不可用卫星影响的飞机,对其进
行告警,实时发送卫星是否完好的信息.
覆盖分析模块每次收到航迹模拟信息时,计
算一次每架飞机每个位置点的可见星状态,航迹
模拟和卫星轨迹推算都预测未来10 min 的情况,
所以覆盖分析可以计算出未来10 min 内,每架航
班的每分钟的卫星覆盖情况,得出处于RAIM 空
洞范围内的航班. 一旦收到卫星故障信息,该模块
立即计算该故障卫星的覆盖区域,并求出当前或
未来10 min 内处于RAIM 空洞内的航班,通过
ACARS 数据链向其发送卫星故障告警信息. 当飞
机飞出RAIM 空洞后,将发送告警解除信息.
3摇系统模拟运行
系统分别仿真模拟了27 颗、24 颗、20 颗和
16 颗GPS 卫星运行时,单架飞机或25 架飞机飞
行,产生RAIM 空洞和完好性问题进行报警的情
形,从接收到卫星星历数据和飞机位置报文,系统
可以在5 s 之内完成计算、处理和发送完好性信
800 北京航空航天大学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2006 年摇
息,达到了民航对告警能力的要求.
为了验证系统运行结果,采用AGI 公司STK
(Satellite Tool Kit) 和本系统的程序分别进行计
算. 两者的结果是基本一致的,证实了系统设计的
正确性.
图5 显示了分别采用STK 软件和本系统程
序进行可见卫星数目模拟的结果比较,取2004 年
9 月1 日9 点0 分0 秒卫星历书数据(24 颗GPS
卫星)和5 条航迹数据,比较结果为两者最大时
间偏差不超过5 min.
图5摇STK 和GRIMS 系统结果比对
4摇结束语
本文首次提出将卫星完好性信息上传飞机显
示的具体算法,特别是实现了针对卫星与飞机都
在实时运动这种动态情况下的行之有效的实时计
算及预测算法. 系统现已初步运行,反映良好. 本
系统的建立增强了民航的飞行安全,对中国民航
合理、可靠使用卫星导航系统,补充现有导航设备
的不足有重要意义.
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(责任编辑:娄摇嘉)
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