技术领域
[0001] 本
发明涉及卫星导航
数据处理，尤其涉及卫星导航地基增强系统(GBAS)性能评估方法。
背景技术
[0002] 在对GBAS进行性能评估时，系统的完好性、可用性和准确性是非常重要的评估指标。系统完好性、可用性和准确性的评估和系统环境的真实性以及用于评估数据的量有关。系统测试运行时间越长，则可用于评估的数据量就越大，系统测试运行所处的环境与真实运行环境越相近，则评估的结果越准确，评估的可信度也就越高。
[0003] 对于民航GBAS设备传统的评估方法有两种，一种是处在技术研究阶段时，主要采用
模拟器产生的GNSS
信号搭建仿真实验环境，采取注入人工模拟各种误差场景的方式，计算出
定位误差和保护级进而验证和评估新的方法和设备性能；另一种方法是在适航取证阶段，通过实际设备在现实运行环境中的长期运行(一般大于1年)，通过监测设备收集足够数据，测量的误差和保护级统计评估系统性能。
[0004] 上述常规评估方法有其自身的缺点。第一种使用模拟器的方法虽然采用人工各种误差场景，但真实运行环境更为复杂，人工模拟的误差场景不能对实际情况做到全面
覆盖，使得仿真评估的结果和真实环境中运行的结果存在差异，无法有效的对所采用方法和设备的实际运行情况做出评估。第二种使用实际设备在现实运行环境中长期运行收集数据进行评估的方法，虽然结果可信度较高，但在适航取证阶段一般不能对设备进行更改，所以如果需要对方法和设备进行调整和改进，就需要重新开始收集数据。这种方法由于需要外场安装设备，并进行长期监测，所以测试评估成本在百万元左右每年，而且评估周期极其漫长，时间成本高昂。不适用于对需要快速
迭代和改进的新技术新方法进行评估。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法，既使用真实运行环境下的测量数据建立误差模型，也节省了外场设备安装和长期持续监测的经济成本和时间成本。能够满足新方法和新设备在GBAS研究中有效进行性能评估并进行快速迭代和改进的需求。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0007] 步骤1：提取距离在5-40公里范围内的两个GNSS观测站的同时间段内1年以上接收到的的所有观测数据，观测数据包括伪距观测数据、载波观测数据、星历数据和历书数据，为了保证对于后续处理的一致性和通用性，提取的观测数据均应为RENIX格式；
[0008] 步骤2：将步骤1中提取的两个GNSS观测站的观测数据作为输入，统计计算和卫星仰
角相关的误差函数，建立误差模型；具体实施步骤为首先计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)，用于接收机噪声和多径噪声的估计；然后通过归一化的方法，去除卫星仰角变化对SCMC的影响，通过系数膨胀的方法确保归一化的SCMC数据被0均值高斯分布包络并确定接收机误差模型；
[0009] 步骤3：将步骤1中其中一个GNSS观测站的数据作为GBAS地面设备接收到的数据，通过星历和时间进行卫星
位置定位解算，得到与观测时间相对应的卫星位置，载波平滑伪距，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑，然后利用平滑后伪距通过加权最小二乘的方法计算作为GBAS地面设备的GNSS观测站的位置，利用RTCA DO-245A标准中规定的差分伪距校正
算法仿真计算出播发的伪距修正量；
[0010] 步骤4：而没有作为GBAS地面设备的GNSS观测站，其数据则作为飞机用户收到的机载接收机的观测数据，通过卫星定位解算和载波平滑(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)，利用步骤3中作为GBAS地面设备的观测站数据得到的伪距修正值依据RTCA DO-253D标准进行伪距修正，然后依据RTCA DO-253D标准利用修正后伪距进行定位计算，与被作为飞机用户的GNSS观测站已知精确位置比较，得到定位误差，依据RTCA DO-253D标准并通过步骤2中得到的误差模型得到保护级计算结果；
[0011] 步骤5：统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果；
[0012] 所述步骤2中详细步骤为：
[0013] 所述计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)方法如下：
[0014] a.用步骤1中提取的伪距观测数据和载波测量数据，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑计算出平滑伪距；
[0015] b.使用步骤a中平滑后伪距减去步骤1中提取的载波测量值得到平滑后伪距和载波距差值；
[0016] c.计算出步骤b中平滑后伪距和载波距差值的均值；
[0017] d.使用步骤b中平滑后伪距和载波距差值减去步骤c中得到的均值，得到结果就是平滑后的码伪距减载波距(SCMC)；
[0018] 归一化的方法如下：
[0019] a、用步骤1中提取的星历数据计算每个
采样时刻的卫星位置；
[0020] b、用已知的观测站位置数据和步骤a中的卫星位置计算与观测站位置和采样时刻相对应的卫星仰角；
[0021] c、将卫星仰角以5度为一个区间分开，然后将平滑后的码伪距减载波距分配到对应的卫星仰角区间中，并计算每个区间中的平滑后的码伪距减载波距的标准差，然后用多项式拟合每个区间得到的标准差，得到角度和码伪距减载波距的标准差的函数关系。
[0022] 系数膨胀的方法如下：
[0023] a、计算所有平滑后的码伪距减载波距的概率
密度分布；
[0024] b、使用标准高斯分布乘以膨胀系数的方法，以1为起始值，0.01为步长增加膨胀系数，直到膨胀后的高斯分布将所有平滑后的码伪距减载波距的概率密度包络，此时的膨胀系数为最终需要的膨胀系数；
[0025] c、将乘以最终需要的膨胀系数的标准差作为新的标准差，
修改归一化的步骤c中得到角度和标准差的函数关系，得到最终的角度角度和标准差的函数关系，该函数关系为所需的误差模型。
[0026] 所述步骤5中的计算步骤为：
[0027] 所述准确性指标测试值计算方法为，取步骤4得到的所有提取数据的定位误差集合，将定位误差集合内的定位误差值升序排序，取排序后定位误差集合内95％
置信度所对应的定位误差值，该定位误差值即准确性指标测试值，垂直定位误差表示为VPE；
[0028] 所述可用性指标测试值是运行区间内的可用服务数据百分比，计算方法如下：
[0029] a、步骤4中得到的所有提取数据的垂直保护级VPL；
[0030] b、将保护级与ICAO附件十标准中规定的保护级
门限VAL比较，如果满足VPL≤VAL条件，则认为服务可用，否则服务不可用；
[0031] c、取步骤4中得到的所有提取数据的，分别统计数据总包数、服务可用包数及服务不可用包数，通过下式计算可用性指标测试值：
[0032] P_avail＝1-Pa_unavail/Pa_total
[0033] 其中P_avail为可用性指标测试值，Pa_unavail为服务不可用包数，Pa_total为数据总包数；
[0034] 完好性指标测试值指通过危险误导信息统计来判断设备的服务性能是否满足完好性指标要求，其计算方法如下：
[0035] d、步骤4中得到的所有提取数据垂直保护级VPL；
[0036] e、当满足同一时刻的数据，有VPL＜VAL＜VPE条件时，则认此数据为落在危险误导信息(HMI)区域内；
[0037] f、取步骤4中得到的所有提取数据，统计落在HMI区域的点的百分比，即误差、保护级、保护级门限三者的关系来反应当前的完好性指标；其中VPL为垂直保护级，VPE为垂直定位误差，VAL为垂直告警门限，HMI为危险误导信息；通过下式计算完好性指标：
[0038] P_integ＝1-P_HMI/P_total
[0039] 其中P_integ为完好性指标，P_HMI为落在HMI区域内的点数，P_total为总点数。
[0040] 本发明的有益效果是通过实际采集的长期GNSS观测数据，对方法和设备在GBAS预期安装的区域内进行实际误差模型的建立，对GBAS系统运行时的定位误差和保护级进行仿真计算，根据仿真定位误差和保护级结果对系统进行快速有效的性能评估。避免了花费大量经济成本和时间成本进行外场设备安装测试，提高了对新方法和设备进行迭代和改进的效率。
[0041] 在常规GBAS技术和设备评估中，在技术研究阶段，无法针对实际运行环境的真实数据进行定位误差计算和保护级计算进行性能评估。根据本发明方法，在预期安装GBAS的区域环境下可以依据实际观测数据建立反映当地环境的较为准确的误差模型。避免常规方法中人工设定误差对人为经验和主观判断的依赖。由于外部环境复杂性的影响，人为经验设定误差容易遗漏关键误差因素或者误判某些误差因素出现的量级和
频率。利用已有观测站的长期观测数据建立误差模型，可以避免对某些误差因素遗漏，可以较为准确的反映实际环境影响。
[0042] 在常规模拟仿真评估中，必须要使用到
星座模拟器，星座模拟器的购置成本也非常昂贵，特别是支持多频多星座的星座模拟器。在本发明方法中，仿真过程完全避免了星座模拟器的使用，只需要已有观测站GNSS接收机的数据，就可以进行仿真评估，简化了实验室的环境搭建，增加了仿真模拟的灵活性，提高了仿真评估效率。
[0043] 相比较常规实测评估方法，本发明增加了可利用的实际数据来源，避免了昂贵的外场设备安装和长期监测。利用已有的GNSS观测站，可以获得低成本的长期实测数据。基于这些数据，通过本发明中的方法，可以在技术研究阶段快速方便的进行新技术新方法的性能评估。有利于及时通过评估结果对新方法和新技术进行改进，有效缩短研发周期，并提高研发效果。
[0044] 本发明可以较少外场试验次数，大大节约实测成本。在适航取证阶段，如果出现方法和技术上的修改，会大大拖延适航取证的周期，甚至造成适航取证的失败。利用本发明中的方法，可以在实验室中，有效的预先评估实际长期运行中的性能，减小实际测试中出现问题的概率。
附图说明
[0045] 图1是本发明的基于真实GNSS接收机数据的卫星导航地基增强系统(GBAS)仿真性能评估系统连接示意图；
[0046] 图2是本发明的基于真实GNSS接收机数据的卫星导航地基增强系统(GBAS)仿真性能评估方法的
流程图。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0048] 本发明所设计实现的基于真实GNSS接收机数据的卫星导航地基增强系统(GBAS)仿真性能评估系统，实现对在GBAS研究中使用的新方法和新设备后的效果有效进行性能评估。系统组成如图1所示。本发明提供了一种基于真实GNSS接收机数据的卫星导航地基增强系统(GBAS)仿真性能评估方法，其特征在于包括以下步骤：
[0049] 提取距离在5-40公里范围内的两个GNSS观测站的同时间段内长期(1年以上)观测数据，数据包括伪距观测数据、载波观测数据、星历数据、历书数据，以上数据均为通用的RENIX格式；
[0050] 将这两个GNSS观测站的数据作为输入，统计计算和卫星仰角相关的误差函数，建立本地区误差模型；
[0051] 将其中一个GNSS观测站的数据作为GBAS地面设备接收到的数据，通过卫星定位解算，载波平滑、已知GNSS观测站的精确位置和伪距校正算法仿真计算出播发的伪距修正量；
[0052] 以第二个GNSS观测站的数据作为飞机用户收到的机载接收机的观测数据，通过卫星定位解算、载波平滑、利用第一个观测站数据得到的伪距修正值进行伪距修正、利用修正后伪距进行定位计算、与已知GNSS观测站精确位置比较得到定位误差以及通过误差模型得到保护级计算结果；
[0053] 统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果；
[0054] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0055] 步骤1：提取距离在5-40公里范围内的两个GNSS观测站的同时间段内1年以上接收到的的所有观测数据，观测数据包括伪距观测数据、载波观测数据、星历数据和历书数据，为了保证对于后续处理的一致性和通用性，提取的观测数据均应为RENIX格式；
[0056] 步骤2：将步骤1中提取的两个GNSS观测站的观测数据作为输入，统计计算和卫星仰角相关的误差函数，建立误差模型；具体实施步骤为首先计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)，用于接收机噪声和多径噪声的估计；然后通过归一化的方法，去除卫星仰角变化对SCMC的影响，通过系数膨胀的方法确保归一化的SCMC数据被0均值高斯分布包络并确定接收机误差模型；
[0057] 所述计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)方法如下：
[0058] a.用步骤1中提取的伪距观测数据和载波测量数据，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑计算出平滑伪距；
[0059] b.使用步骤a中平滑后伪距减去步骤1中提取的载波测量值得到平滑后伪距和载波距差值；
[0060] c.计算出步骤b中平滑后伪距和载波距差值的均值；
[0061] d.使用步骤b中平滑后伪距和载波距差值减去步骤c中得到的均值，得到结果就是平滑后的码伪距减载波距(SCMC)；
[0062] 归一化的方法如下：
[0063] a、用步骤1中提取的星历数据计算每个采样时刻的卫星位置；
[0064] b、用已知的观测站位置数据和步骤a中的卫星位置计算与观测站位置和采样时刻相对应的卫星仰角；
[0065] c、将卫星仰角以5度为一个区间分开，然后将平滑后的码伪距减载波距分配到对应的卫星仰角区间中，并计算每个区间中的平滑后的码伪距减载波距的标准差，然后用多项式拟合每个区间得到的标准差，得到角度和码伪距减载波距的标准差的函数关系。
[0066] 系数膨胀的方法如下：
[0067] a、计算所有平滑后的码伪距减载波距的概率密度分布；
[0068] b、使用标准高斯分布乘以膨胀系数的方法，以1为起始值，0.01为步长增加膨胀系数，直到膨胀后的高斯分布将所有平滑后的码伪距减载波距的概率密度包络，此时的膨胀系数为最终需要的膨胀系数；
[0069] c、将乘以最终需要的膨胀系数的标准差作为新的标准差，修改归一化的步骤c中得到角度和标准差的函数关系，得到最终的角度角度和标准差的函数关系，该函数关系为所需的误差模型；
[0070] 步骤3：将步骤1中其中一个GNSS观测站的数据作为GBAS地面设备接收到的数据，通过星历和时间进行卫星位置定位解算，得到与观测时间相对应的卫星位置，载波平滑伪距(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)(，然后利用平滑后伪距通过加权最小二乘的方法计算这个作为GBAS地面设备的GNSS观测站的位置，利用RTCA DO-245A标准中规定的差分伪距校正算法仿真计算出播发的伪距修正量；
[0071] 步骤4：而没有作为GBAS地面设备的GNSS观测站，其数据则作为飞机用户收到的机载接收机的观测数据，通过卫星定位解算和载波平滑(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)，利用步骤3中作为GBAS地面设备的观测站数据得到的伪距修正值依据RTCA DO-253D标准进行伪距修正，然后依据RTCA DO-253D标准利用修正后伪距进行定位计算，与被作为飞机用户的GNSS观测站已知精确位置比较，得到定位误差，依据RTCA DO-253D标准并通过步骤2中得到的误差模型得到保护级计算结果；
[0072] 步骤5：统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果；
[0073] 所述准确性指标测试值计算方法为，取步骤4得到的所有提取数据的定位误差集合，将定位误差集合内的定位误差值升序排序，取排序后定位误差集合内95％置信度所对应的定位误差值，该定位误差值即准确性指标测试值，垂直定位误差表示为VPE。
[0074] 所述可用性指标测试值是运行区间内的可用服务数据百分比，计算方法如下：
[0075] a、步骤4中得到的所有提取数据的垂直保护级VPL；
[0076] b、将保护级与ICAO附件十标准中规定的保护级门限VAL比较，如果满足VPL≤VAL条件，则认为服务可用，否则服务不可用；
[0077] c、取步骤4中得到的所有提取数据的，分别统计数据总包数、服务可用包数及服务不可用包数，通过下式计算可用性指标测试值：
[0078] P_avail＝1-Pa_unavail/Pa_total
[0079] 其中P_avail为可用性指标测试值，Pa_unavail为服务不可用包数，Pa_total为数据总包数；
[0080] 完好性指标测试值指通过危险误导信息统计来判断设备的服务性能是否满足完好性指标要求，其计算方法如下：
[0081] d、步骤4中得到的所有提取数据垂直保护级VPL；
[0082] e、当满足同一时刻的数据，有VPL＜VAL＜VPE条件时，则认此数据为落在危险误导信息(HMI)区域内；
[0083] f、取步骤4中得到的所有提取数据，统计落在HMI区域的点的百分比，即误差、保护级、保护级门限三者的关系来反应当前的完好性指标；其中VPL为垂直保护级，VPE为垂直定位误差，VAL为垂直告警门限，HMI为危险误导信息；通过下式计算完好性指标：
[0084] P_integ＝1-P_HMI/P_total
[0085] 其中P_integ为完好性指标，P_HMI为落在HMI区域内的点数，P_total为总点数。
[0086] 一种基于真实GNSS接收机数据的卫星导航地基增强系统(GBAS)仿真性能评估方法，如图2所示，实施例的步骤如下：
[0087] 步骤1：提取距离在5-40公里范围内的两个GNSS观测站(例如陆态网观测站或者国际GNSS服务观测站)的同时间段内1年以上的观测数据101，观测数据包括伪距观测数据、载波观测数据、星历数据、历书数据，观测数据均为通用的RENIX格式文件；
[0088] 步骤2：将步骤1中提取的两个GNSS观测站的观测数据作为输入，统计计算和卫星仰角相关的误差函数，建立误差模型；具体实施是，首先计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)，用于接收机噪声和多径噪声的估计。然后通过归一化的方法，去除卫星仰角变化对SCMC的影响。然后通过系数膨胀的方法确保归一化的SCMC数据被0均值高斯分布包络并确定接收机误差模型。
[0089] 步骤3：将步骤1中其中一个GNSS观测站的数据作为GBAS地面设备接收到的数据，通过星历和时间进行卫星位置定位解算，得到与观测时间相对应的卫星位置(，载波平滑伪距(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)，然后利用平滑后伪距通过加权最小二乘的方法计算这个作为GBAS地面设备的GNSS观测站的位置，利用RTCA DO-245A标准中规定的差分伪距校正算法仿真计算出播发的伪距修正量；
[0090] 步骤4：而没有作为GBAS地面设备的GNSS观测站，其数据则作为飞机用户收到的机载接收机的观测数据，通过卫星定位解算和载波平滑(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)，利用步骤3中作为GBAS地面设备的观测站数据得到的伪距修正值依据RTCADO-253D标准进行伪距修正，然后依据RTCA DO-253D标准利用修正后伪距进行定位计算，与被作为飞机用户的GNSS观测站已知精确位置比较，得到定位误差，依据RTCA DO-253D标准并通过步骤2中得到的误差模型得到保护级计算结果；
[0091] 步骤5：统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果，流程结束。
