留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

BDS/GPS组合的H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估

葛奕杉 王志鹏

葛奕杉, 王志鹏. BDS/GPS组合的H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(6): 1254-1263. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0477
引用本文: 葛奕杉, 王志鹏. BDS/GPS组合的H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(6): 1254-1263. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0477
GE Yishan, WANG Zhipeng. Availability evaluation of PBN and ADS-B application for BDS/GPS combined H-ARAIM[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(6): 1254-1263. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0477(in Chinese)
Citation: GE Yishan, WANG Zhipeng. Availability evaluation of PBN and ADS-B application for BDS/GPS combined H-ARAIM[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(6): 1254-1263. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0477(in Chinese)

BDS/GPS组合的H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0477
基金项目: 

国家自然科学基金 61501010

航空科学基金 2015ZC51035

北京市自然科学基金 4154078

详细信息
    作者简介:

    葛奕杉,女, 硕士研究生。主要研究方向:先进接收机自主完好性监测(ARAIM)

    王志鹏,男, 博士, 讲师, 硕士生导师。主要研究方向:卫星导航民航/军航/通航应用的完好性监测技术, 包括地基增强系统(GBAS)完好性监测技术、星基增强系统(SBAS)完好性监测技术、空基增强系统(ABAS)完好性监测技术, 以及广播式自动相关监测(ADS-B)技术

    通讯作者:

    王志鹏, E-mail: wangzhipeng@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V221+.3;TB553

Availability evaluation of PBN and ADS-B application for BDS/GPS combined H-ARAIM

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61501010

Aeronautical Science Foundation of China 2015ZC51035

Beijing Natural Science Foundation 4154078

More Information
  • 摘要:

    水平-先进接收机自主完好性监测(H-ARAIM)属欧美大力发展的新型机载自主卫星导航完好性监测技术。从H-ARAIM的基于性能的导航(PBN)和广播式自动相关监视(ADS-B)应用方法出发,基于美国全球卫星导航系统(GPS)和中国自主北斗卫星导航系统(BDS)组合系统,综合考虑不同卫星故障概率、不同星座故障概率、不同星钟星历误差配置以及不同星座配置,全面仿真评估了H-ARAIM的PBN和ADS-B应用全球可用性,结果表明:卫星和星座故障概率变化,对水平保护级(HPL)结果的影响不足0.1%,PBN和ADS-B均可实现全球100%可用性;星钟星历误差变化,会导致较大幅度的HPL变化,最大值可达20 m,但对PBN和ADS-B应用可用性没有显著影响;不同星座配置会对全球和亚太区域平均99.9%HPL结果及PBN和ADS-B应用可用性产生显著影响,HPL变化幅度达到32 m,可用性随星座配置不同而变化,最差可降低到96%。所取成果可为北斗民航应用提供坚实的理论参考和可靠的技术支撑。

     

  • 图 1  H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估界面

    Figure 1.  Availability evaluation interface for H-ARAIM applications in PBN and ADS-B

    图 2  现实情境,PsatBDS/PsatGPS为10-5PconstGPS为10-3PconstGPS为10-8,99.9%HPL用户点分布图

    Figure 2.  Realistic case, PsatBDS/PsatGPS:10-5, PconstBDS :10-3, PconstGPS :10-8, 99.9% HPL as a function of user location

    图 3  3种不同URA运行情景下99.9%HPL

    Figure 3.  99.9%HPL under three cases of operation with different URA

    图 4  对URA/URE与Psat/Pconst的敏感性对比

    Figure 4.  Comparison of sensitivity of URA/URE and Psat/Pconst

    图 5  GPS星下点轨迹

    Figure 5.  Ground track of satellite for GPS

    图 6  区域BDS星下点轨迹

    Figure 6.  Ground track of satellite for regional BDS

    图 7  BDS移除GEO5时RNP 0.1可用性

    Figure 7.  RNP 0.1 availability when BDS removes GEO5

    表  1  导航完好性类别

    Table  1.   Navigation integrity category

    NIC水平与垂直范围边界描述
    0Rc≥37.04 km(20 n mile)未定义完好性
    1Rc<37.04 km(20 n mile)RNP-10包含范围
    2Rc<14.816 km(8 n mile)RNP-4包含范围
    3Rc<7.408 km(4 n mile)RNP-2包含范围
    4Rc<3.704 km(2 n mile)RNP-1包含范围
    5Rc<1 852 m(1 n mile)RNP-0.5包含范围
    6Rc<1 111.2 m(0.6 n mile)RNP-0.3包含范围
    7Rc<370.4 m(0.2 n mile)RNP-0.1包含范围
    8Rc<185.2 m(0.1 n mile)RNP-0.05包含范围
    9Rc<75 m且VPL<112 m例如WAAS HPL, VPL
    10Rc<25 m且VPL<37.5 m例如WAAS HPL, VPL
    11Rc<7.5 m且VPL<11 m例如LAAS HPL, VPL
    下载: 导出CSV

    表  2  导航位置精度类别

    Table  2.   Navigation accuracy category-position

    NACp水平与垂直范围边界描述
    0EPU≥18.52 km(10 n mile)未定义完好性
    1EPU<18.52 km(10 n mile)RNP-10包含范围
    2EPU<7.408 km(4 n mile)RNP-4包含范围
    3EPU<3.704 km(2 n mile)RNP-2包含范围
    4EPU<1 852 m(1 n mile)RNP-1包含范围
    5EPU<1 111.2 m(0.6 n mile)RNP-0.5包含范围
    6EPU<370.4 km(0.2 n mile)RNP-0.3包含范围
    7EPU<185.2 m(0.1 n mile)RNP-0.1包含范围
    8EPU<92.6 m(0.05 n mile)例如带SA的GPS
    9EPU<30 m且VEPU<45 m例如不带SA的GPS
    10EPU<10 m且VEPU<15 m例如WAAS
    11EPU<3 m且VEPU<4 m例如LAAS
    下载: 导出CSV

    表  3  不同飞行阶段对导航和监视系统的性能需求

    Table  3.   Performance requirements of navigation and monitoring system at different stages of flight

    需求标准导航(可用性>99.0%)监视(可用性>99.9%)
    精度(95%)限值/10-7间隔NACp(95%)NIC/10-7
    航路*10 n mile20 n mile5 n mile308 m(7)1 n mile(5)
    *4 n mile8 n mile
    *2 n mile4 n mile
    终端区*1 n mile2 n mile3 n mile171 m(8)0.6 n mile(6)
    LNAV*0.3 n mile0.6 n mile
    RNP(AR)*0.1 n mile**0.1 n mile2.5 n mile DPA171 m(8)0.2 n mile(7)
    LPV16 m/4 m40 m/50 m2.5 n mile DPA171 m(8)0.2 n mile(7)
    LPV-20016 m/4 m40 m/35 m
    GLS Cat-Ⅰ16 m/4 m40 m/10 m2.0 n mile IPA121 m(8)0.2 n mile(7)
    GLS Cat-Ⅲ16 m/2 m40 m/10 m
     注:*—运行需求由总系统精度定义,主要为飞行技术误差,这些运行的定位精度可以忽略; **—RNP AR的容限定义为全系统需求,所给值基于当前的运行批准;表格中()内的数字5,6,7,8表示对应的NACp级别。
    下载: 导出CSV

    表  4  基本仿真参数设置

    Table  4.   Basic simulation parameter setting

    参数 设置
    星座 24+35
    信号 L1/E1+B1/B2
    URA/URE(GPS) 1/0.5
    URA/URE(BDS) 1.5/0.75
    bnom 0.75
    PsatBDS/PsatGPS 10-5
    PconstBDS/PconstGPS 10-5
    下载: 导出CSV

    表  5  不同Psat/Pconst情景仿真参数设置

    Table  5.   Simulation parameter setting for different Psat/Pconst cases

    参数设置
    星座24+35
    信号L1/E1+B1/B2
    URA/URE(GPS)1/0.5
    URA/URE(BDS)1.5/0.75
    bnom0.75
    情景描述基础情景PsatBDS/PsatGPS:10-5
    PconstBDS/PconstGPS:10-5
    退化Pconst情景PsatBDS/PsatGPS:10-5
    PconstBDS/PconstGPS:10-4
    退化BDS情景PconstGPS/PsatGPS:10-5
    PconstBDS/PsatBDS:10-4
    现实情景PsatBDS/PsatGPS:10-5
    PconstBDS:10-3
    PconstGPS:10-8
    下载: 导出CSV

    表  6  不同Psat/Pconst情景仿真结果

    Table  6.   Simulation result for different Psat/Pconst cases

    运行情景99.9%
    HPL/m
    RNP 0.1
    可用性/%
    全球ADS-B
    可用性/%
    基础情景13.34100100
    退化Pconst情景13.53100100
    退化BDS情景13.81100100
    现实情景14.93100100
    下载: 导出CSV

    表  7  不同URA/URE情景仿真参数设置

    Table  7.   Simulation parameter setting for different URA/URE cases

    参数设置
    星座24+35
    信号L1/L5+B1/B2
    bnom0.75
    PsatBDS/PsatGPS10-5
    PconstBDS/PconstGPS10-5
    情景描述基础情景URA=1 m/URE=0.5 m(GPS)
    URA=1.5 m/URE=0.75 m(BDS)
    现实情景URA=2.4 m/URE=2 m(GPS)
    URA=3 m/URE=1.5 m(BDS)
    退化情景URA=2.4 m/URE=2 m(GPS)
    URA=6 m/URE=3 m(BDS)
    下载: 导出CSV

    表  8  不同URA/URE情景仿真结果

    Table  8.   Simulation results for differentURA/URE cases

    运行情景 99.9%
    HPL/m
    RNP 0.1
    可用性/%
    全球ADS-B
    可用性/%
    乐观情景 13.34 100 100
    现实情景 23.71 100 100
    退化BDS情景 36.43 100 100
    下载: 导出CSV

    表  9  不同星座配置仿真结果

    Table  9.   Simulation results for different constellation configuration

    运行情景99.9%
    HPL/m
    RNP 0.1
    可用性/%
    全球ADS-B
    可用性/%
    亚太ADS-B
    可用性/%
    亚太24GPS+14BDS34.18100100
    31GPS+14BDS34.02100100
    23GPS+13BDS
    移除MEO34.61100100
    移除GEO146.4198.3599.96
    移除GEO340.62100100
    移除GEO550.9497.3998.65
    移除IGSO143.0199.8399.65
    移除IGSO244.6499.6599.65
    全球24GPS+35BDS13.21100100
    31GPS+35BDS13.19100100
    23GPS+34BDS
    移除GEO514.22100100
    移除MEO14.86100100
    下载: 导出CSV

    表  10  移除关键星时仿真结果

    Table  10.   Simulation results when removes key satellites

    运行情景99.9%
    HPL/m
    RNP 0.1
    可用性/%
    亚太ADS-B
    可用性/%
    24GPS+14BDS34.18100100
    31GPS+14BDS34.02100100
    GPS+BDS:GDOP
    方式移除2颗星
    65.519697.74
    下载: 导出CSV
  • [1] ICAO. Global air navigation plan 2013-2028:Doc9750AN[S].Montreal:ICAO, 2013:1-32[2016-06-01].http://www.ibac.org/air-navigation/icao-global-air-navigation-plan.
    [2] GEAS.GNSS evolutionary architecture study:PhaseⅠ-Panel report[S/OL].Washington, D.C.:FAA, 2008:2-9[2016-06-01].https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/library/documents/media/geasphaseii_final.pdf.2008.
    [3] GEAS.GNSS evolutionary architecture study:PhaseⅡ-Panel report[S/OL].Washington, D.C.:FAA, 2010:42-45[2016-06-01].https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/library/documents/media/geasphaseii_final.pdf.
    [4] WG-C.EU-U.S.Cooperation on satellite navigation:Interim report issue 1.0[S/OL].Washington, D.C.:FAA, 2012:13-19[2016-06-01].http://www.gps.gov/policy/cooperation/europe/2013/working-group-c/.
    [5] WG-C.EU-U.S.Cooperation on satellite navigation:Milestone 2 report[S/OL].Washington, D.C.:FAA, 2015:28-33[2016-06-01].http://www.gps.gov/policy/cooperation/europe/2015/working-group-c/.
    [6] WG-C.EU-U.S.Cooperation on satellite navigation:Milestone 3 report[S/OL].Washington, D.C.:FAA, 2016:37-42[2016-06-01].http://www.gps.gov/policy/cooperation/europe/2013/working-group-c/.
    [7] ICAO. Performance-based navigation(PBN) manual:Doc9613AN[S].Montreal:ICAO, 2013:I-A-1-1-I-A-1-7.
    [8] RTCA. Minimum operational performance standards for 1090 MHz automatic dependent surveillance-broadcast (ADS-B):DO-242A[S].Washington, D.C.:RTCA, Inc., 2000:37-41.
    [9] 中国民用航空局. 中国民用航空ADS-B实施规划[S]. 北京: 中国民用航空局空管行业管理办公室, 2016: 5-20.

    Civil Aviation Administration of China.China civil aviation ADS-B implementation planning[S].Beijing:Air Traffic Control Industry Management Office, Civil Aviation Administration of China, 2016:5-20(in Chinese).
    [10] BLANCH J, WALTER T, ENGE P.Advanced RAIM user algorithm description:Integrity support message processing, fault detection, exclusion, and protection level calculation[C]//Proceedings of the ION GNSS 2012.Nashville:Curran Associates, Inc, 2012:2818-2828.
    [11] BLANCH J, WALTER T, ENGE P.RAIM with optimal integrity and continuity allocations under multiple failures[C]//Proceedings of IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System.Piscataway, NJ:IEEE Press, 2003:1020-1023.
    [12] RTCA.Minimum aviation system performance standards for airborne supplemental navigation equipment using global positioning system:DO-208[S].Washington, D.C.:RTCA, Inc., 1991:87-96.
    [13] ICAO.Manual on required navigation performance(RNP):[S].Montreal:ICAO, 1999:12-29.
    [14] 张青竹. TIS-B数据精度与完好性研究及应用[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2008: 1-16.

    ZHANG Q Z.Research and application of data accuracy and integrity for traffic information service-broadcast[D].Beijing:Beihang University, 2008:1-16(in Chinese).
    [15] RTCA.Minimum aviation system performance standards for aircraft surveillance applications (ASA):DO-289[S].Washington, D.C.:RTCA, Inc., 2000:37-41.
    [16] LTER T, ENGE P.Statistical characterization of GPS signal-in-space errors[C]//Proceedings of the International Technical Meeting of the ION.San Diego, CA:Curran Associates, Inc., 2012:312-319.
    [17] RTCA.Minimum aviation system performance standards for GPS local area augmentation system airborne equipment:DO-253A[S].Washington, D.C.:RTCA, Inc., 2001.
    [18] RTCA. Minimum aviation system performance standards for global positioning system/wide area augmentation system airborne equipment:DO-229D[S].Washington, D.C.:RTCA, Inc., 2008:223-327.
    [19] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统公开服务性能规范: BDS-OS-1. 0[S]. 北京: 中国卫星导航系统管理办公室, 2013: 4-14.

    China Satellite Navigation Office.Beidou satellite navigation system in public service performance specifications:BDS-OS-1.0[S].Beijing:China Satellite Navigation Office, 2013:4-14(in Chinese).
    [20] TONG H, ZHAO J W, ZHANG G Z, et al.Performance analysis of two RAIM methods for multiple faults[C]//The 3rd China Satellite Navigation Electronic Corpus Academic Conference.Beijing:China Academic Journal Electronic Magazine Co., Ltd, 2012:5-15.
    [21] 胡志刚. 北斗卫星导航系统性能评估理论与试验验证[D]. 武汉: 武汉大学, 2013: 96-102.

    HU Z G.BeiDou navigation satellite system performance assessment theory and experimental verification[D].Wuhan:Wuhan University, 2013:96-102(in Chinese).
    [22] 从丽, AHMED I A, 谈展中.卫星导航几何因子的分析和仿真[J].电子学报, 2006, 34(12):2206-2207. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXU200612016.htm

    CONG L, AHMED I A, TAN Z Z.Analysis and simulation of the GDOP of satellite navigation[J].Acta Electronica Sinica, 2006, 34(12):2206-2207(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXU200612016.htm
  • 加载中
图(7) / 表(10)
计量
  • 文章访问数:  563
  • HTML全文浏览量:  3
  • PDF下载量:  465
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-03
  • 录用日期:  2016-10-01
  • 刊出日期:  2017-06-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答