复杂机场环境下GBAS系统及应用方法

复杂机场环境下gbas系统及应用方法
技术领域
1.本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种复杂机场环境下gbas系统及应用方法。


背景技术：

2.gbas系统由地面设备、机载设备组成，地面设备通过vhf电台将伪距修正量、下滑航经和完好性等信息发送到机载设备，提高机载设备卫星导航精度，使飞机获得达到i类精密进近（cat-i）甚至更高标准的精密进近精度，为飞机提供起降引导服务。
3.在某些复杂机场环境条件下，比如山地、海岛机场，受机场周边地形影响，vhf通信信号受山峰等障碍物遮挡，造成覆盖范围和飞行高度受到限制，影响飞行安全。在某些电磁环境复杂条件下，比如城市边缘、设在大型渔场或密集航道附近的机场；由于周边无线通信设备较多，gnss卫星信号和vhf信号，易受电磁环境中其它信号干扰，导致gbas系统工作异常，严重时甚至影响飞行安全。


技术实现要素：

4.因此，本发明的目的在于提供一种复杂机场环境下gbas系统及应用方法；针对vhf信号遮挡和信号干扰问题，完成gbas系统机场部署，提高gbas系统运行完好性、连续性。
5.为了实现上述目的，本发明的一种复杂机场环境下gbas系统，包括：gbas地面设备、gbas监视设备、干扰监测设备以及gbas扩展设备；gbas监视设备用于接收gbas地面设备发出的电文数据和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，监视gbas地面设备运行状态，计算性能指标，当性能指标超出预设门限时，向gbas地面设备发送告警信息；所述干扰监测设备，用于接收工作频段内的电磁信号和gnss信号，生成干扰监测信息；所述gbas扩展设备，用于接收vhf信号并对vhf信号进行扩展，并按照与gbas地面设备发射信号的错峰时隙发送接收的信息；所述gbas地面设备，用于接收所述告警信息、干扰监测信息和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，根据所述卫星观测数据进行计算，得出导航数据，所述导航数据包括差分数据、完好性数据、航路数据，并将导航数据以vhf信号形式，进行全网广播，引导飞机安全着陆。
6.进一步优选的，所述gbas地面设备包括基准接收装置、数据处理装置、vhf通信装置；所述基准接收装置包括多套基准接收机和接收天线，所述接收天线用于gnss信号的接收，所述基准接收机用于根据接收到的gnss信号，输出码伪距、星历、历书以及载波相位数据到数据处理装置；数据处理装置，根据接收到的数据，进行差分分析、完好性分析、航路分析，并将分
析后得到的导航数据发送给vhf通信装置；vhf通信装置，用于将数据处理装置产生的导航数据，通过vhf发射电台发送到覆盖区域。
7.进一步优选的，所述gbas监视设备，包括监视接收机、监视处理机、vhf接收天线和卫导天线；所述vhf接收天线，用于接收gbas地面设备广播的电文数据；所述卫导天线，用于接收空中的gnss信号；监视接收机，用于将接收的gnss信号以及获取的电文数据发送给监视处理机；监视处理机，根据gnss信号解算出的卫星观测数据以及获取的电文数据，监视gbas地面设备运行状态，计算性能指标，若性能指标超出预设门限，则输出相应的告警信息给gbas地面设备。
8.进一步优选的，所述gbas扩展设备，结合机场地形以及测绘情况选择安装位置。
9.本发明还提供一种复杂机场环境下gbas系统的应用方法，包括如下步骤：s1、接收电文数据和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，监视gbas地面设备运行状态，计算性能指标，当性能指标超出预设门限时，发送告警信息；s2、接收工作频段内的电磁信号和gnss信号，生成干扰监测信息；s3、接收所述告警信息、干扰监测信息和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，根据所述卫星观测数据进行计算，得出导航数据，所述导航数据包括差分数据、完好性数据、航路数据，并将导航数据以vhf信号形式，进行全网广播，引导飞机安全着陆。
10.进一步优选的，还包括按照如下步骤对gbas地面设备、gbas监视设备、gbas扩展设备以及干扰监测设备进行布设：s01、对机场及周围地形进行测绘，并对测绘数据进行仿真分析；所述对机场及周围地形进行测绘时，飞行测试科目至少包括以下几种：地面滑行测试、圆周飞行测试、圆弧飞行测试、水平飞行测试、进近飞行测试；s02、按照分析结果，选取对应位置，部署gbas地面设备、gbas监视设备、gbas扩展设备以及干扰监测设备。
11.进一步优选的，所述对测绘数据进行仿真分析包括：以vhf发射天线为中心，计算各种飞行测试科目下360
°
范围内的vhf信号遮蔽角和遮挡区域；以遮挡区域最小为优选原则，选择最优站址，部署gbas地面设备、gbas监视设备、gbas扩展设备以及干扰监测设备。
12.进一步优选的，还包括按照以下方法，根据部署在最优站址的gbas地面设备、gbas监视设备以及干扰监测设备，优化飞行程序：根据遮蔽角判断是否存在飞行遮挡，如果存在遮挡，按照如下公式提升飞行高度：其中，为飞行高度；为障碍物距离天线的水平距离；为障碍物高度；为飞机距离天线水平距离；为天线的高度。
13.进一步优选的，在s2中，接收工作频段内的电磁信号和gnss信号，生成干扰监测信
息；包括以下步骤：根据接收到的电磁信号生成vhf频段的噪声强度和占用度；判断vhf频段的噪声强度是否正常，若正常，继续判断占用度，若不正常，则生成干扰监测信息；判断vhf频段的占用度是否正常，若正常，跳转为判断根据gnss信号解析出的卫星观测数据是否正常，否则生成干扰监测信息；所述卫星观测数据包括收星数量、dop值、相关峰；依次判断卫星观测数据中的各项数据是否正常，若出现异常数据则生成干扰监测信息。
14.进一步优选的，还包括s4，接收vhf信号并对vhf信号进行扩展，并按照与gbas地面设备发射信号的错峰时隙发送接收的信息。
15.本技术公开的一种复杂机场环境下gbas系统及应用方法，相比于现有技术，至少具有以下优点：1、本发明提供的复杂机场环境下gbas系统，除了gbas地面设备外，还提供了gbas监视设备、北斗gbas信号干扰监测设备和gbas扩展设备。用于gbas地面设备工作状态和信号质量监测，并与gbas地面设备实现了闭环控制，可显著提高gbas系统的完好性、连续性。必要时，可在机场内或附近位置部署gbas扩展设备，结合机场地形以及测绘情况选择安装位置，减少或避免vhf信号遮挡，扩大vhf信号覆盖区域，进一步提高了gbas地面设备的应用范围，降低gbas设备对地形的要求。
16.2、本发明提供的复杂机场环境下gbas系统的应用方法，采用测绘和仿真分析，并依此进行选址和飞行程序设计，并与校验飞行结果进行相互验证，对设备和飞行程序进行优化，可显著提高部署效率和飞行安全性。
17.3、本发明干扰信号监测采用相关峰、卫星dop值、收星数量、噪声强度、占用度等信号质量监测来进行综合判断，可显著提高干扰监测可靠性。支持以太网、光纤和北斗二号、三号短报文等多种通信方式，适用于没有有线通信的机场，提高了通信可靠性和灵活性。
附图说明
18.图1为本发明的一种复杂机场环境下gbas系统的结构示意图。
19.图2为本发明的一种复杂机场环境下gbas系统应用方法的流程图。
20.图3为本发明的一种复杂机场环境下gbas系统的工作流程图。
21.图4为本发明的测绘障碍物遮蔽角度计算图。
具体实施方式
22.以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
23.如图1所示，本发明一方面实施例提供的一种复杂机场环境下gbas系统，包括：gbas地面设备、gbas监视设备、干扰监测设备以及gbas扩展设备；gbas监视设备用于接收gbas地面设备发出的电文数据和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，监视gbas地面设备运行状态，计算性能指标，当性能指标超出预设门限时，向gbas地面设备发送告警信息；进一步，优选的，所述gbas监视设备，包括监视接收机、监视处理机、vhf接收天线和卫导天线；所述vhf接收天线，用于接收gbas地面设备广播的电文数据；所述卫导天线，用
于接收空中的gnss信号；监视接收机，用于将接收的gnss信号以及获取的电文数据发送给监视处理机；监视处理机，根据gnss信号解算出的卫星观测数据以及获取的电文数据，监视gbas地面设备运行状态，计算性能指标，若性能指标超出预设门限，则输出相应的告警信息给gbas地面设备。
24.所述干扰监测设备，用于接收工作频段内的电磁信号及gnss信号，生成干扰监测信息；每套北斗gbas信号干扰监测设备主要包括：主机、干扰接收天线。干扰接收天线用于接收工作频段内的电磁信号，主机用于信号接收、处理、分析，并将分析结果通过有线和无线通信方式发送给gbas地面设备。
25.所述gbas扩展设备，用于接收vhf信号并对vhf信号进行扩展，并按照与gbas地面设备发射信号的错峰时隙发送接收的信息。
26.所述gbas地面设备，用于接收所述告警信息、干扰监测信息和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，根据所述卫星观测数据进行计算，得出导航数据，所述导航数据包括差分数据、完好性数据、航路数据，并将导航数据以vhf信号形式，进行全网广播，引导飞机安全着陆。
27.进一步，优选的，所述gbas地面设备包括基准接收装置、数据处理装置、vhf通信装置；所述基准接收装置包括多套基准接收机和接收天线，所述接收天线用于gnss信号的接收，所述基准接收机用于根据接收到的gnss信号，输出码伪距、星历、历书以及载波相位数据到数据处理装置；数据处理装置，根据接收到的数据，进行差分分析、完好性分析、航路分析并将分析后得到的导航数据发送给vhf通信装置；vhf通信装置，用于将数据处理装置产生的导航数据，通过vhf发射电台发送到覆盖区域。
28.如图2所示，本发明还提供一种复杂机场环境下gbas系统的应用方法，包括如下步骤：s1、接收电文数据和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，监视gbas地面设备运行状态，计算性能指标，当性能指标超出预设门限时，发送告警信息；s2、接收工作频段内的电磁信号和gnss信号，生成干扰监测信息；s3、接收所述告警信息、干扰监测信息和空中的gnss信号，根据所述gnss信号，解析出卫星观测数据，根据所述卫星观测数据进行计算，得出导航数据，所述导航数据包括差分数据、完好性数据、航路数据，并将导航数据以vhf信号形式，进行全网广播，引导飞机安全着陆。
29.在应用时，还包括按照以下步骤进行布设：s01、对机场及周围地形进行测绘，并对测绘数据进行仿真分析；所述对机场及周围地形进行测绘时，飞行测试科目至少包括以下几种：地面滑行测试、圆周飞行测试、圆弧飞行测试、水平飞行测试、进近飞行测试。
30.s02、按照分析结果，选取对应位置，部署gbas地面设备、gbas监视设备以及干扰监测设备。
31.gbas地面设备室外至少3个基准接收机天线（下文以4为例说明），相邻间距不小于100m，不应设置于一条直线上，不宜两两平行放置或者等距放置。vhf发射天线距离室内vhf
电台距离不超过300m。
32.测绘范围以机场ftp/ltp（着陆入口点）为圆心，半径20 km的圆周内部。
33.所述对测绘数据进行仿真分析包括：以vhf发射天线为中心，计算各种飞行测试科目下360
°
范围内的vhf信号遮蔽角和遮挡区域；以遮挡区域最小为优选原则，选择最优站址，部署gbas地面设备、gbas监视设备以及干扰监测设备。
34.依据选址方案进行建站施工，完成gbas地面设备、gbas监视设备、北斗gbas信号干扰监测设备以及gbas扩展设备的安装、调试。
35.如图4所示，为gbas地面设备障碍物遮蔽角计算示意图。还包括按照以下方法，根据部署在最优站址的gbas地面设备、gbas监视设备以及干扰监测设备，优化飞行程序。
36.机场地形测绘中，其中，h1为飞行高度，h2为障碍物高度，l1为障碍物距离天线的水平距离；， l2为飞机距离天线水平距离,为天线的高度；则遮蔽角为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式1）如果未知障碍物的高度，测绘前，则应根据飞机距天线水平距离l2和飞行高度h1，确定允许的最大遮蔽角:（公式2）进而在确定在距离天线水平距离l处障碍物的最大高度为h应满足：（公式3）如果已知障碍物的高度，进而可以据上文判断其是否存在飞行遮挡，如果存在遮挡，则可根据障碍物的高度、距天线的水平距离，提升飞行高度。
37.根据遮蔽角判断是否存在飞行遮挡，如果存在遮挡，按照如下公式提升飞行高度：（公式4）其中，为飞行高度；为障碍物距离天线的水平距离；为障碍物高度；为飞机距离天线水平距离；为天线的高度。
38.如果存在vhf信号遮挡，适当提高飞行高度以避免vhf信号遮挡。完成gbas地面设备校验飞行，并与测绘结果相互印证，并对gbas地面设备工作参数、飞行程序等进行优化，完成gbas设备在机场的部署和使用。
39.进一步，优选的，在s2中，接收工作频段内的电磁信号和gnss信号，生成干扰监测信息，包括以下步骤：根据接收到的电磁信号生成vhf频段的噪声强度和占用度；判断vhf频段的噪声强度是否正常，若正常，继续判断占用度，若不正常，则生成干扰监测信息；判断vhf频段的占用度是否正常，若正常，跳转为判断根据gnss信号解析出的卫星观测数据是否正常，否则生成干扰监测信息；所述卫星观测数据包括收星数量、dop值、相关峰；依次判断卫星观测数据中的各项数据是否正常，若出现异常数据则生成干扰监测信息。
40.进一步，优选的，还包括s4，接收vhf信号并对vhf发射信号进行扩展，并按照与gbas地面设备发射信号的错峰时隙发送接收的信息。
41.如图3所示，gbas系统应用工作流程如下：1、北斗gbas信号干扰监测设备工作流程：步骤a1、设备上电，开始接收gnss卫星信号和vhf信号。
42.步骤a2、gnss卫星信号处理，完成导航卫星捕获、跟踪、锁定。vhf频段信号处理，分析频段内干扰噪声指标。
43.步骤a3、实时生成各项分析数据，包括各卫星的观测量数据，如收星数量、dop值、相关峰；vhf噪声强度和占用度。
44.步骤a4、判断收星数量是否正常，若数量正常继续判断dop值，否则生成干扰监测信息，发送给gbas地面设备。
45.步骤a5、判断dop值是否正常，若正常继续判断相关峰，否则生成干扰监测信息，发送给gbas地面设备。
46.步骤a6、判断vhf频段噪声强度是否正常，若正常继续判断占用度，否则生成干扰监测信息，发送给gbas地面设备。
47.步骤a7、判断vhf频段噪声占用度是否正常，若正常跳转到第a2步，否则生成干扰监测信息，发送给gbas地面设备。需要说明的是，vhf频段噪声是指周围环境中的渔船等设施发出的与地面设备相同vhf频段的信号。
48.2、gbas监视设备工作流程步骤b1、设备上电。
49.步骤b2、接收、处理gnss卫星信号。
50.步骤b3、接收、处理gbas地面设备播发的vhf信号。
51.步骤b4、根据gnss数据和vhf信号，进行数据处理和分析，生成gbas运行性能数据。
52.步骤b5、如果性能指标超出用户规定门限，则生成告警信息，发送给gbas地面设备。
53.3、gbas地面设备工作流程：步骤c1、设备上电，接收、处理gnss卫星信号。
54.步骤c2、进行完好性监视处理和差分修正处理，生成差分增强信息电文即vhf信号。
55.步骤c3、通过vhf发射电台，将生成电文播发出去。
56.步骤c4、接收gbas监视设备和干扰监测设备发送的告警数据或干扰监测数据。
57.步骤c5进行告警处理，如播发告警信息给gbas机载设备、机场塔台显示控制设备，并根据告警信息类别决定是否停止发射vhf信号。
58.4、gbas扩展设备工作流程：步骤d1、设备上电，进行相应初始化。
59.步骤d2、通过空口或有线方式接收vhf信号，并分析差分增强信息电文，分析结果通知gbas地面设备。
60.步骤d3、根据上述步骤分析的电文数据进行处理，如需发射信号则调整发送时隙等，并通知vhf发射电台播发电文。
61.步骤d4、通过vhf发射电台播发电文。显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上
还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。