专利名称：Laas地面设施便携式测试仪的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及基于卫星的着陆导航系统，更具体地说，涉及设计用于验证基于卫星的着陆导航系统地面设施运行状态的便携式测试仪。
背景技术：
飞行员在飞机着陆时一般使用着陆导航系统。这些系统帮助飞行员沿着与特定着陆带或跑道相关的一条预定下滑道驾驶飞机。一般说，要使用基于地面的导航系统。当前普遍使用的二个基于地面的导航系统是仪表着陆系统(ILS)和微波着陆系统(MLS)。
由于ILS和MLS系统的局限，包括成本和单次降落的局限，联邦航空局(FAA)目前正在将国家航天系统(NAS)从基于地面的导航系统转移到卫星导航系统。在该努力中，FAA受到来自业界的支持，正在开发局域增强系统(LAAS)，以提供专为在飞机降落和着陆时支持飞行员的基于卫星的着陆方案。
LAAS使用差分全球定位系统(DGPS)。DGPS包括全球定位系统(GPS)和至少一个地面站。GPS使用多个个轨道卫星和飞机上接收机，确定飞机相对于地面的位置。接收机根据卫星的信息，可以确定飞机的位置、速度和高度。通过增加地面站，DGPS可以校正数据从卫星发送到接收机时可能发生的错误。因此，DGPS可以高精度地确定飞机的位置。
在1998年FAA启动为开发和配置LAAS地面设施(LGF)的发展计划。LGF监测卫星群，提供LAAS修正和综合数据以及与空中交通管制的接口。作为这一发展计划的结果，FAA在2002年4月17日发布I类LGF的FAA-E-2937A技术规范(其内容以参照方式结合于本申请)。这一技术规范建立了对LGF的性能要求。
在LAAS安装在机场后，在飞行员可以依靠LAAS提供降落和着陆指引之前，该系统须经认证为可运行。需要多次试验飞行认证该系统。在试飞时试飞员着陆的飞机不是当前正在商业运行(例如运货和/或载入)的、利用LAAS的飞机。从试飞中获得的LAAS数据与从FAA认可的真实系统获得的数据比较，以确认试飞员收到精确的下滑道信息。
这些试飞成本昂贵，如果飞行员收到错误信息可能还是危险的。假如试飞指示LAAS有问题，则还需要增加试飞。因此，希望有一种便携式测试仪可以在进行试飞之前验证LGF可运行性。一旦LAAS经过认证用在飞机上可运行后，也希望有一种便携式测试仪可以做LGF的日常保差测试。
发明内容
提出一种测试卫星导航系统地面设施的便携式测试仪。在优选实施例中，便携式测试仪包括一个接收机和一台计算机。接收机用于接收从多个卫星发送的全球定位系统(GPS)信号和从地面设施来的甚高频(VHF)广播。计算机用于调谐接收机和对特定跑道选择下滑道。通过将接收机获得的GPS信号和VHF广播和预期结果比较，计算机可以确定地面设施是否可运行。
以下结合附图详述本发明的优选实施例。其中相同标号表示各图中相同部件，附图如下
图1是一个示范实施例的LAAS的框图；图2是一个示范实施例的LGF的框图；图3是一个示范实施例的LGF便携式测试仪的框图；
图4是一个示范实施例的测试LGF方法的流程图。
详细说明图1是增强全球定位系统(GPS)的局域增强系统(LAAS)100的框图。LAAS 100包括多个卫星102和LAAS地面设施(LGF)106，向飞机104提供精确的下降和着陆数据。LAAS 100最好包括四个或更多的卫星。虽然图1画出四个卫星102，LAAS 100可以包括多于或少于四个的卫星。
多个卫星102可以向飞机104和LGF 106提供GPS距离信号和轨道参数。飞机104和LGF 106都可各自使用GPS接收机，接收从卫星102发来的数据。LGF 106在分析卫星102发来的数据后，向飞机104提供微分校正值，综合参数和精确降落下滑道数据。飞机104可以使用甚高频(VHF)接收机接收LGF 106发来的数据。飞机104对从卫星102来的GPS距离信号加以微分校正值，从而精确确定其位置。
位置和下滑道数据可以传送到飞机自动驾驶仪上。自动驾驶仪可以在驾驶员座舱显示器上显示下滑道(glidepath)。下滑道(或者称为最后降落段)是飞机104下降和着陆在跑道时最好应该沿着的一条飞行线路。下滑道一般设计成使飞机104降落在跑道中心线上。调制深度差(DDM)就是飞机位置和下滑道在水平方向和垂直方向上的差值。假如飞机104精确跟踪下滑道，DDM等于零，飞机104降落在中心线上。
此外，LGF 106可以通过空中交通管制单元(ATCU)向控制交通管制器108传送状态信息。例如，LGF 106可以向控制交通管制器108传送LAAS状态、LAAS结构、LAAS复盖区、在此复盖区域内服务等级以及卫星102状态。LGF 106也可以向控制交通管制器108提供其他状态信息。LGF状态信息也可以在LGF 106上的局部状态屏(LSP)上看到。
图2表示LGF 200框图。LGF 200的性能要求列在2002年4月17日发布的I类LGF的FAA技术规范FAA-E-2937A中(其内容以参照方式结合于本申请)。LGF 200可以包括多个基准接收机202、DGPS机柜204、一个或多个VHF数据广播(VDB)机柜206以及与之相连的天线。LGF 200可以接收环境传感器212的输入。此外，LGF 200可以接收来自国家航空系统(NAS)基础设施管理系统(NIMS)214和ATCU 210的输入，并向NIMS 214和ATCU 210传送数据。LGF 200可以包括图2中未示出的其他部件。
每个基准接收机202可以包括GPS接收机，GPS接收机使用天线208从多个卫星102获取信息。基准接收机202也可以包括电源和其他部件。LGF技术规范要求在LGF 200中使用四对基准接收机202/天线208。通过使用在LGF 200中多余基准接收机，可以进行对有故障的基准接收机的故障检测和隔离。此外，多余基准接收机的使用可以增强LGF 200的精度。
DGPS机柜204可包括维护数据终端(MDT)、LSP、数据记录仪、计算机处理资源(例如微处理器、存储器、输入/输出控制电路)以及例如电源的其他运行设备。DGPS机柜204也可以包括其他部件。
DGPS机柜204可以与基准接收机202、VDB机柜206、ATCU210、环境传感器212以及NIMS 214通信。DGPS机柜204可以从基准接收机202接收卫星数据，并计算微分校正值。这些微分校正值然后可以传送给VDB机柜206，以将校正值发送给飞机104。DGPS机柜204也可以向VDB机柜206传送其他信息，例如综合参数和精确降落下滑道数据，从而发送给飞机104。此外，DGPS机柜204可以通过ATCU 210向控制交通管制器108提供状态信息。
数据记录仪可以记录由LGF 200接收和发送的信号。例如，数据记录仪可以记录从卫星102接收的数据和向飞机104发送的数据。数据记录仪可以使用非易失性存储器存储数据。数据记录仪可以记录一段时间内数据，例如48小时。但是，该时间周期可以多于或少于48小时，这取决于数据记录仪的容量和/或设计技术规范。当需要历史信息，例如在卫星102、飞机104或LGF 200经历了问题时，可以使用来自数据记录仪的数据。
NIMS 214使得遥控监测和维修活动的优先排序成为可能。假如NIMS 214检测到LGF 200中有故障，FAA维修人员可能受派遣来调查问题。
MDT可能是FAA维修人员与LGF 200互动的主要装置。MDT可以是设计用于工业设定的计算机。MDT可以与LSP连接。LSP可以提供LGF 200运行状态的可视指示。例如，当LGF 200处于正常运行模式时，LSP可以亮示绿色指示灯。环境传感器212可以用于检测LGF 200内外的侵扰、烟味、电力损耗和温度。
VDB机柜206可以包括发射机、接收机、多路器、状态屏和电源系统。VDB机柜206也可以包括其他部件。LGF 200可以包括一个以上的VDB机柜206。所用VDB机柜的数量可由特定的机场或跑道所需的复盖面大小确定。
VDB机柜206可以与DGPS机柜204和飞机104通信。VDB机柜206可以用VDB天线216与飞机104通信。可使用VHF数据广播发射通信内容。LGF技术规范要求VDB天线216提供全向信号。此外，该技术规范包括VDB信号的其他发射要求，例如强度和频率要求。
图3是可用于测试LGF 200的LGF便携式测试仪300的框图。该携式测试仪300包括一个接收机302和一台计算机304。接收机302可包括VHF天线306和GPS天线308两者。便携式测试仪300也可以包括电池或其他自含的电源，使得便携式测试仪300可以不接外部电源而能自由移动。例如，外部电源可以包括安装在建筑物和车辆内的电源或者是不属于便携式测试仪300一部分的便携式电源。然而，便携式测试仪300可利用测试之间的时间连接到这种电源，使电池或其他自含电源充电。
便携式测试仪300可以设计成可以方便地在飞机、跑道或卫星导航系统可以使用的其他区域移动，以验证LGF 200运行状态。例如，便携式测试仪300可以装入背包或手提箱的集成包装中。也可以使用使便携式测试仪300能方便移动的其他包装。
带有便携式测试仪300的人员可以从跑道的一侧到另一侧和沿着跑道中心线移动。当该人员从跑道的一侧移到另一侧时，便携式测试仪300可以显示在水平方向的DDM辐度和极性变化。同样，当该人员沿着跑道中心线移动，便携式测试仪300可以显示在垂直方向的DDM辐度和极性变化。
上述人员可以例如是LGF 200安装人员、承包人员、FAA雇员或机器人。理想的情况是，可以一个人操作便携式测试仪300；然而，另外一些人员也可以参与测试。例如，承包人员可以操作便携式测试仪300，而FAA雇员可对结果进行监测。多于一人进行测试对于安全是有益的。
接收机302可包含能接收来自多个卫星102和LGF 200的数据的硬件、固件和/或软件的组合。从多个卫星发来的数据可以包括GPS数据。从LGF 200发来的数据可以包括VHF广播。接收机302可以是综合了VHF数据传输器和GPS的接收机。例如，可以使用包含GPS导航单元(GNU)的多模接收器(MMR)来实现接收机302的功能。此外，便携式测试仪300可用于军事应用。在军事装置中，接收机302可用于接收加密信息。
接收机302可用VHF天线306获取LGF 200发来的数据。从LGF200接收的数据可以包括一般由LGF 200向飞机104发送的关于VHF数据广播质量的数据。例如，接收机302可以获得由LGF 200发送的关于VHF信号的频率、完整性和功率的数据。此外，接收机302也可以截获一般由LGF 200发送给飞机104的微分校正值和下滑道数据。
接收机302可以使用GPS天线308获取从多个卫星102发来的数据。便携式测试仪300可以将从卫星102接收的数据与由LGF 200发送的数据进行比较。此外，便携式测试仪300可以确定LGF 200正在从哪一个卫星获取数据。
接收机302可以将卫星数据和LGF数据发送给计算机304。计算机304最好是手提电脑，手提电脑重量轻体积又小，可便于便携式测试仪300的移动。然而，其他计算机也可以使用。
计算机304可以用于调谐接收机302的频率和对特定跑道选择下滑道。对于一条跑道可以有一个以上的下滑道。例如，对于不同类型飞机104可以使用不同的下滑道。作为另一个例子，可以根据气候和大气条件选择下滑道。计算机304也可用于模拟飞机104的飞行。模拟可以显示在与计算机304相连的监视器上。
计算机304可用卫星和LGF数据来显示对于一跑道的理想下滑道。当人员移动离开理想的下滑道时，便携式测试仪300可以显示该测试仪离下滑道在垂直方向和水平方向上有多远。这个差值可以量化为DDM。显示器以类似于飞行员在飞机座舱显示器上看到的格式显示水平和垂直偏离。此外，计算机304可以显示差分模式、DGPS位置与已知位置的比较、VHF数据消息和VHF误差率。可以用计算机304中的软件来建立上述显示。
接收机302和计算机304可以用数字通信标准ARINC 429进行通信。ARINC 429是在航空电子系统之间传输数字数据的工业标准，事实上用于所有商用飞机。ARINC 429规定电子界面、标签和地址指定以及数字数据的字格式说明。其他数字通信标准也可以使用，例如在军用飞机上广泛使用的MIL-STD-1553。
便携式测试仪300可以验证以下LGF信号VHF频率、VHF数据完整性、VHF功率、跟踪的GPS卫星、DGPS精度、DGPS位置完整性和下滑性。其他LGF 200信号也可以测试。将从LGF 200和多个卫星102接收的数据与测试标准对比就可以进行验证。该测试标准可以包括所测试的每个LGF信号可接受数据的规定范围。例如，可以只有对特定的LGF信号可接受值的上限和下限。或者，也可以仅有可接受值的上限或下限。测试标准可以根据I类LGF技术规范FAA-E-2937A的要求制订。或者，测试标准可以包括其要求超过上述技术规范要求的可接受值的限值，以确保LGF 200最佳运行。
测试结果可能指示LGF信号的一种或几种不在预定范围内，这可以看作是测试故障。例如，技术规范写明最低可选择频道是108,025MHz，最高可选择频道是117,950MHz。因此，假如便携式测试仪300检测到的VHF频率信号低于108,025Mhz或高于117,950MHz，则便携式测试仪300可指示VHF频率测试故障。
作为另一个例子，该技术规范提供了VHF信号的水平和垂直场强的上限和下限。在测试VHF功率信号时，便携式测试仪300可以检测到VHF信号的场强。当便携式测试仪300移向LGF 200时，可以测试场强的上限。同样，当便携式测试仪300移离LGF 200时，可以测试场强的下限。
便携式测试仪300也许能够确定LGF的哪一部分产生故障测量信号。例如，便携式测试仪300可以确定故障位置，例如在VDB机柜206内。此外，便携式测试仪300可以确定故障类型，例如在LGF200内的连接松脱。
可以在飞机周围各种位置或其他测试位置验证信号。可以对便携式测试仪300进行校正，以对位置和环境条件进行调节。
便携式测试仪300所测试的结果可存储在计算机304中。此外，这些结果可以在作为便携式测试仪300一部分的打印机上打印，或者在不属于便携式测试仪300一部分的独立打印机上打印。可供选择的方案是，测试结果也可用有线或无线传输上载到其他系统。
所述结果可以包括所做的测试、测试结果、故障类型和故障位置。所述结果也包括有关测试情况的细节，例如日期、时间、位置、气候和进行测试人员的姓名。
图4是测试LGF方法400的流程图。如框402所示，可以获得GPS数据。接收机302使用GPS天线308获得从多个卫星102发来的GPS数据。便携式测试仪300可以确定正在传输数据给LGF 200的是哪一个卫星。
如框404所示，接着获得VHF数据。接收机302可以使用VHF天线306从LGF 200获得VHF数据。VHF数据可以包括有关LGF 200发送的VHF数据广播信号的频率、完整性和功率的数据。此外，接收机302也可以截获LGF 200本来一般传输给飞机104的微分校正值和下滑道数据。
获取GPS和VHF数据几乎可以同时进行。此外，获取GPS和VHF数据可以在一段时间内进行，以收集数据。例如，GPS和VHF数据可以在整个测试期间或者在一固定时间段内收集。
如框406所示，可以验证LGF的运行。便携式测试仪300可以至少验证下列LGF信号VHF频率、VHF数据完整性、VHF功率、所追踪的GPS卫星、DGPS精度、DGPS位置完整性和下滑道。可以在机场周围各位置或其他测试位置验证这些信号。
如框408所示，可以提供测试结果。便携式测试仪300的测试结果可以存储在计算机304中。所述结果可在本属于便携式测试仪300一部分的打印机上打印，或者在不属于便携式测试仪300一部分的独立打印机上打印。此外/或者，可使用有线或无线传输将所述测试结果上载到其他系统。
所述结果可包括所作的测试、测试结果、故障类型和故障位置。所述结果也包括有关测试情况的细节，例如日期、时间、位置、气候和进行测试人员的姓名。
假如LGF 200运行不正常，飞机104就不可能收到适当的微分校正值和下滑道信息。因此，飞行员就不可能收到有关飞机位置的精确信息。这可能造成着陆时不很好地沿着预定的下滑道，会产生灾难。通过使用便携式测试仪300，可以在LGF 200安装以后和在进行保养检查时对LGF 200进行测试。因为便携式测试仪300可以在飞机周围方便移动，可以对机场所有跑道测试LGF 200。在便携式测试仪300验证LGF为可运行后，就可以进行飞行测试，验证LAAS的运行状态。这可以限制所需的飞行测试次数，降低成本并限制LAAS的停机时间。
要理解所述实施例仅用作示例，不应视为对本发明范围的限制。虽然所述实施例使用商用着陆系统加以说明，本实施例可以用于任何卫星导航系统。例如，LGF便携式测试仪可以结合国防部正在开发的联合精确降落和着陆系统(JPALS)一起使用。作为另一例，LGF便携式测试仪可以使用于将飞机降落在航空母舰上的卫星导航系统。作为又一例，LGF便携式测试仪可以与基于空间的增强系统(SBAS)一起使用。而且，除GPS以外其他卫星定位系统也可以使用，例如俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)。除非另有说明，本权利要求书不应理解为受到所述次序和元件的限制。因此，进入后续的权利要求书及其等价物的范围和精神的所有实施方式均为本发明所要求之权利。
权利要求
1.一种用于测试卫星导航系统地面设施的便携式测试仪，其中包括一个接收机，用以从多个卫星接收信号和从地面设施接收广播；以及一台计算机，用以通过将所述接收机获得的所述卫星信号和所述广播与测试标准比较来确定地面设施是否可运行。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述便携式测试仪装入一个集成包装中。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述接收机是综合数据链路和全球定位系统(GPS)接收机。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述广播是甚高频(VHF)广播。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述接收机和所述计算机使用数字通信标准ARINC 429进行通信。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述计算机是手提电脑。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述计算机可用于调谐接收机。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述计算机可用于选择下滑道。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述计算机模拟飞机上的航空电子设备。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述计算机显示由差分模式、差分全球定位系统(DGPS)位置与已知位置的比较、甚高频(VHF)数据消息以及VHF误差率构成的一组信息中选择的信息。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述便携式测试仪将从由频率、数据完整性、功率、所跟踪卫星、精度、位置完整性和下滑道构成的一组中选择的测试信号与测试标准比较。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于所述测试标准包括每种测试信号的可接受数据的规定范围。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述便携式测试仪可用来确定一部分造成测试故障的地面设施。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述便携式测试仪提供从由所作的测试、测试结果、故障类型和故障位置构成的一组中选择的结果。
15.一种用于测试基于卫星导航系统地面设施的便携式测试仪，包括如下一条数据链路，用于接收地面设施数据广播；一个接收机，用于从多个卫星接收数据；以及一台计算机，用于通过将从频率、数据完整性、功率、所跟踪卫星、精度、位置完整性和下滑道构成的一组中选择的测试信号与测试标准比较，来确定地面设施是否可运行。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述便携式测试仪装入一个集合包装。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述广播是甚高频(VHF)广播。
18.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述接收机和所述计算机使用数字通信标准ARINC 429进行通信。
19.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述计算机是手提电脑。
20.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述计算机可用于调谐接收机。
21.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述计算机可用于选择下滑道。
22.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述计算机模拟飞机上的航空电子设备。
23.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述计算机显示从由差分模式、差分全球定位系统(DGPS)位置与已知位置的比较、甚高频(VHF)数据消息以及VHF误差率构成的一组信息中选择的信息。
24.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述测试标准包括每种测试信号的可接受数据的规定范围。
25.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述便携式测试仪确定一部分造成测试故障的地面设施。
26.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述便携式测试仪提供从由所作的测试、测试结果、故障类型和故障位置构成的一组中选择的结果。
27.一种测试基于卫星导航系统地面设施的方法，包括如下步骤接收来自多个卫星的数据；接收来自地面设施的数据；通过将从多个卫星和地面设施接收的数据与测试标准比较，验证地面设施可运行。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于验证地面设施可运行的步骤包括将从由频率、数据完整性、功率、所跟踪卫星、精度、位置完整性和下滑道构成的一组中选择的测试信号与测试标准比较。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于所述测试标准包括每种测试信号的可接受数据的规定范围。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于还包括确定一部分造成测试故障的地面设施的步骤。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于还包括提供从由所作的测试、测试结果、故障类型和故障位置构成的一组中选择的测试结果的步骤。
全文摘要
一种便携式测试仪验证卫星导航系统地面设施的运行状态。该便携式测试仪包括一台接收机和一台计算机。在一个优选实施例中，接收机和接收来自多个卫星的全球定位系统(GPS)信号和来自地面设施的甚高频(VHF)广播。计算机将接收机获得的数据与预期结果比较，并确定地面设施是否可运行。假如地面设施运行不正常，就会不发送适当的微分校正值和下滑道信息给飞机。因此，飞行员就不能收到有关飞机位置的精确信息。这可能造成着陆时不沿着预定的下滑道，会酿成灾难。通过使用便携式测试仪可以测试地面设施，确保其发送正确的数据。
文档编号G01S1/00GK1739041SQ200380108956
公开日2006年2月22日 申请日期2003年11月17日 优先权日2002年11月18日
发明者R·L·斯坦格兰德, G·J·沃拉宁 申请人:霍尼韦尔国际公司