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摘要：GAST C GBAS传统的电离层监视方法,是码载波分歧监测(CCD)采用一阶线性时不变低通滤波器对电离层异常进行监测,被广泛用于检测GBAS电离层梯度的变化。然而,由于该方法滤波采用固定的时间常数,很难平衡GBAS系统的响应时间和定位精度。为了消除这一局限性,本文提出了GAST D GBAS两种电离层梯度异常监视方法,第一种将CCD算法优化为采用两个低通滤波器进行电离层异常监测；第二种方法为电离层梯度监视算法（IGM）通过监视基准接收机的载波相位观测量来实现,两种方法能够及时快速准确地检测电离层异常,有效避免发生GBAS完好性风险。
关键词：GAST D；电离层异常；CCD；IGM
GAST D GBAS Ionospheric Monitoring Algorithm
LV Lin,HAN Ming,ZHANG Jianjun,LV Zipeng
（Tianjin 712 Communications Broadcasting Limited by Share Ltd.,Tianjin 300462）
【Abstract】：GAST C GBAS traditional ionospheric monitoring method is code carrier divergence monitoring(CCD),which uses afirst-order linear time invariant low-passfilter to monitor ionospheric anomalies.It is widely used to detect the change of ionospheric gradient in GBAS.However,due to thefixed time constant offiltering,it is difficult to balance the response time and positioning accuracy of GBAS system.In order to eliminate this limitation,two ionospheric gradient anomaly monitoring methods,GAST D GBAS,are proposed in this paper.Thefirst one optimizes the CCD algorithm to use two low-passfilters for ionospheric anomaly monitoring;The second method is ionospheric gradient monitoring algorithm(IGM),which is realized by monitoring the carrier phase observation of the reference receiver.The two methods can detect ionospheric anomalies in time,quickly and accurately,and effectively avoid the integrity risk of GBAS.
【Key words】：GAST D;ionospheric anomaly;CCD;IGM
0引言
快速检测和准确诊断故障是GAST D地基增强系统（GBAS）的主要要求之一。GBAS通过广播差分校正值以及基准站的完好性数据,以提高GNSS定位系统的准确性和安全性,特别是在安全关键应用领域,如果机载用户从含有异常的GNSS卫星信号中获得了不正确的定位,那么不可接受的定位错误可能会对空中导航产生极端的影响,从而造成巨大的灾难。因此,当导航系统进入异常操作状态时,必须向用户及时告警[1]。
威胁GNSS信号测量的一个重要误差源是由沿GNSS信号路径的自由电子引起的,与介质相关的电离层延迟。
电离层通常被认为是大气中海拔高度约50～1000公里的一部分,其中GNSS信号的传播取决于电子密度和信号频率。电离层延迟被认为是对GBAS最严重的威胁。在太阳活跃期和某些其他情况下,电离层延迟可从1m变化到100m以上。
GNSS卫星到GBAS地面设备、GBAS用户的路径可能会发生不同的电离层延迟,电离层梯度可能会在载波平滑码差分校正中产生危险的误导性信息。因此GBAS需要监视空间电离层梯度,有效排除电离层异常的影响,从而避免产生较大的用户位置误差,危及用户安全[2]。本文针对GAST D GBAS提出了两种电离层监视算法,能够快速、准确地检测电离层异常。
1电离层威胁模型
电离层作为空间大气环境的一个重要组成部分,电离层异常可能对GBAS安全关键服务构成潜在威胁,必须使用GBAS完好性监视器进行监测。对于GBAS,电离层异常模型总是可以建模为如图1所示的模型。模型曲线由最大电离层延迟、推进速度和电离层宽度三个参数描述为分段线性模型。如果发生电离层陡峭梯度延迟,会发生巨大的精度下降[3]。
2码载波分歧监测
码载波分歧(CCD)故障可由电离层活动等引起,电离层异常是CCD的主要威胁,GBAS设备需要提供CCD监测,CCD监测的主要目标是跟踪电离层梯度。通过监测码载波分歧监测量,可以检测到卫星故障和电离层误差分量。
GBAS从GAST C发展到GAST D,地面设备内CCD监测器的电离层梯度检测速度应显著提高,因为在地面设备中分配给GAST D GBAS的告警时间从GAST C的3s减少到1s左右[4]。这一更严格的要求迫使现有CCD监测器的异常检测速度需要提高,且不会损害其在连续性方面的性能。
为了满足更快的告警时间要求,本文对现有GAST C GBAS信号质量监测中的码载波分歧监测算法进行了优化。目前GAST C使用单个一阶滤波器（滤波时间100s）[5]。为了加快电离层梯度异常的检测,GAST D CCD算法优化使用两个一阶滤波器（滤波时间30s）,减少了测量噪声引起的估计误差,可以使用较短的时间常数滤波,进而更快地检测CCD故障,具体流程图如图2所示。
ρm,n(k)是码伪距测量值,由接收机直接给出；
φm,n(k)是载波相位伪距测量值,由接收机给出。需要使用整周和小周值；
Dvgcm,n(k)表示k时刻的码-载波分离参数；τ1和τ2为30s；
Ts为用户设定的常数,此处默认为为0.5s；
若CCD监视器监测到Dvgc2m,n(k)大于告警阈值,地面设备则需要告警,隔离故障。
3电离层梯度监视算法
GAST D GBAS电离层梯度监视算法（IGM）能够监测异常的电离层环境,通过监视基准接收机的载波相位观测量来实现,两个基准接收机之间的载波相位不同,二者之间存在电离层梯度；在GAST D中,如果在进近方向上空间电离层延迟梯度超过1.5m/D时的电离层影响超过1×10-9,则此时地面电离层监视器可以监测到此电离层梯度异常。D为地面设备的基准点与跑道入口之间的距离,一般限制为5km,进近的方向定义为跑道头的方向。
IGM通过监视接收机的载波相位观测量来实现,两个接收机之间的载波相位不同,二者之间存在电离层梯度。基本理论是利用两颗卫星和两个基准接收机之间的载波相位双差测量值产生可用于探测电离层梯度的测试统计量。IGM生成接收机基线上的测试统计数据,以检测大空间电离层梯度的影响[6]。计算IGM监测量的过程如下：
某颗卫星的载波相位为：
同一时期两个基准接收机的载波相位观测量之差为：
其中,eTxb是几何术语,包括基准天线与卫星的视线向量e和两个基准接收机天线之间的基线向量xb；λ为所用频率波长。
假设所分析的卫星受到电离层梯度的影响,则可以找到另一个假设为无故障的卫星。用该无故障卫星计算双测量差值可以去除上式的接收机钟差。双倍测量差值可写为：
最终,IGM监测统计量为
在给定无故障误警率和漏检率下,计算相应的Kffa和Kmd,从而计算检测阈值：
MDE1=(Kffa+Kmd)σΔ2φ
其中,Kffa为3.89,Kmd为3.72。考虑到机场环境影响,将σΔ2φ设置为6mm。
4结论
本文提出了两种电离层梯度监测方法,因为电离层梯度朝向是多向的,所以在所有的方向上,至少需要监测两个非共线基线的电离层,与目前GAST C中的码载波分歧（CCD）监视器相比,GAST D IGM实现电离层方向监测的优势在于不受电离层延迟变化的影响。GAST D CCD和IGM算法能够快速准确地对电离层异常做出响应,且能保证良好的定位精度,以防止发生导致导航错误的故障,从而确保GBAS用户导航的完好性。
参考文献
[1]马奔.地基增强系统完好性监测关键算法设计与软件开发[D].北京:北京交通大学,2021.
[2]Pullen S,Park Y S,Enge P.Impact and mitigation of ionospheric anomalies on ground-based augmentation of GNSS[J].Radio Science,2009,44(1):1-10.
[3]牛飞,韩春好,张义生.局部电离层异常对局域增强系统的影响及其监测方法[J].武汉大学学报(信息科学版),2009,34(4):444-448.
[4]RTCA.Minimum Aviation System Performance Standards fortheLocalAreaAugmentationSystem(LAAS)[J].RtcaDo,2004.
[5]杨思敏.基于北斗的GBAS差分和完好性算法研究与实现[D].西安:西安电子科技大学,2016.
[6]Samer Khanafseh,Fan Yang,Boris Pervan,et al.Carrier Phase Ionospheric Gradient Ground Monitor for GBAS with Experimental Validation[C].//Proceedings of the 23rd International Technical Meeting of Satellite Division of the Institute of Navigation:Institute of Navigation(ION),2010:1852-1859.
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