机场区域北斗GNSS系统定位性能研究

机场区域北斗 GNSS系统定位性能研究

薛 飞

中国民用航空华东空中交通管理局技术保障中心 上海市 200050

摘要：北斗系统作为我国自主研发、设计、建设的卫星导航系统，已在全国各行业与领域全面开展推广与应用。对于民航业而言，北斗系统的应用极其重要，它是航空器导航源技术自主可控的关键，可以进一步提升中国民航航行服务的安全性与可靠性；而对于北斗而言，实现国家战略在民航这一国际化最强行业的落地，是证明其作为全球导航系统地位的关键。本文主要通过测试实验的方式来探究北斗GNSS系统在机场场面区域的定位性能，实验利用场务车携带北斗定位接收机在机场区域进行跑场，并通过获取到的定位数据进行数据分析。本文的研究成果为北斗系统在民航系统的应用提供了验证基础。

关键词：北斗GNSS系统、场面监视设备

1 引言

机场场面监视设备作为机场范围内飞机起飞、降落、滑行阶段的重要保障工具，对民航各个整体单位（空管、航司、机场）都十分重要。目前，我国大部分机场均具备场面监视雷达、多点相关定位、ADS-B系统等设备及配套设施，其中多点相关定位系统、ADS-B系统均依赖GNSS系统进行位置定位。由于，航司运营的航空器机载应答机主要使用GPS系统输出信息进行报文应答，当GPS系统因偶然或人为因素出现问题时，航空器的运行将收到影响。因此，本文将进行具体的测试实验对北斗GNSS系统在机场场面区域的定位性能进行分析研究。

2 北斗GNSS定位测试方案

为了能够客观的探究北斗在电磁环境相对复杂的机场场面区域北斗系统的静态及动态定位性能，我们采用真实环境进行跑场测试的方案。并且为了便于进行后期的数据分析和性能研究，利用了机场区域全覆盖的多点相关定位系统进行信号接收以及数据分析。

2.1 测试方法

测试内容为探究北斗GNSS在机场场面的定位性能，主要包含目标的位置报告定位精度、场面覆盖范围、稳定性等技术指标。该测试计划使用具备北斗GNSS能力的ADS-B应答机以及基于GPS的ADS-B应答机加装在巡场车辆上进行跑场测试。

测试方法是通过在车辆上加装具备北斗GNSS能力的ADS-B应答机以及差分GPS定位系统。在夜航结束后，驾驶该车辆在预先设计的路线以及重要位置（机场跑道、滑行道、联络道、停机坪、停机位等主要区域进行运动），同时用车载数据记录设备分别记录ADS-B应答机、基于GPS的ADS-B应答机以及差分GPS系统输出的定位数据，然后，通过数据对比和详细分析，验证北斗GNSS系统的定位性能。

图1 车辆跑场路线示意图（运动路线及固定点）

2.2 测试项目

2.2.1 北斗GNSS定位精度

测试设备：具备北斗GNSS能力的ADS-B应答机、差分GPS定位仪器

测试方法：测试车辆携带具备北斗GNSS能力以及基于GPS的ADS-B应答机，在跑道、滑行道、机坪、停机位选择多个测试位置(坐标己知，由差分GPS设备测量得出)，车辆停在这些测试点发射模拟应答信号，利用两套系统位置信息进行分析。

测试步骤：测试车辆停放于覆盖区域内，并打开ADS-B应答机以及差分GPS设备;

步骤1：测试车辆或飞机停在第1个测试点;

步骤2：报文测试分析软件录取200秒数据数据记录，关闭记录功能;

步骤3：将测试飞机或目标移至下个测试点，重复上个测试步骤，重复多次选点，直到完成测试计划中所有的测试点(要求停机坪、停机位、机动区等都取到)，结束测试;

步骤4：报文测试分析软件将系统定位结果与测试点RTK数据进行对比，分析目标定位精度。

2.2.2 北斗GNSS定位系统覆盖范围

测试设备：具备北斗GNSS能力的ADS-B应答机、差分GPS定位仪器。

测试方法：测试车辆携带具备北斗GNSS能力以及基于GPS的ADS-B应答机，在跑道，滑行道，机坪，停机位按照规划路线进行运动，应答机保持发射应答信号，并实时进行记录，观察北斗GNSS信号覆盖区域。

测试步骤：测试车辆停放于覆盖区域内，并打开ADS-B应答机及差分定位设备;

步骤1：测试车辆在机场区域沿着规划路线进行运动；

步骤2：报文测试分析软件实时录取应答机位置报告;

步骤3：报文测试分析软件将系统定位结果与车辆运动路线进行匹配，分析北斗GNSS定位系统的覆盖范围

3.北斗GNSS定位性能分析

3.1 位置精度

根据此次跑场测试的特性，我们选择指定地点停车期间的记录数据作为统计样本进行分析。以差分GPS接收机的数据为基准，通过测试获取的北斗GNSS定位点数据，我们计算出两者的距离差值，可以粗略的认为是北斗GNSS系统的定位误差。据此，图为跑场过程中统计点的误差坐标图，其中X轴为离散统计时序点，Y轴为定位误差。

图2 误差-测量时序坐标图

通过统计，北斗GNSS系统在机场场面区域的相对定位误差为7.32m，满足10m的精度要求。介于机场电磁环境相对复杂，并且这种测量方法会引入较多的其他系统误差，因此可以推断北斗GNSS系统的定位精度小于5m。

3.2 覆盖范围及性能

我们分别对GPS应答机以及北斗应答机在跑场过程中的连续点覆盖进行分析，得到如下图：

图3 测量时序-误差坐标图

对比可知，北斗应答机设备在机场场面的覆盖并不全面，一些区域出现了掉点以及航迹不连续的现象，推断主要原因为机场电磁环境复杂，稳定的北斗信号覆盖对接收机的硬件具有一定的要求。在后续的研究中，我们将优化车载接收机的硬件性能，进一步探究北斗GNSS系统定位的性能。

4 小结

本文通过在机场范围内进行跑场实验，借助多点相关定位系统的设备以及数据链，获取真实环境下北斗GNSS定位系统以及GPS定位系统的目标位置数据，并以测量精度较高的差分GPS位置报告作为基准，分别对北斗系统的定位精度及覆盖性能进行了探究。分析结果显示，北斗GNSS定位系统的位置精度较高，满足民航对场面监视系统的测量精度要求。

参考文献

1. 向贵虎,卞树檀,刘生林,等.基于"北斗一号"卫星系统的野外车辆行动监控系统[J].兵工自动化.2009,(1).51-53.

2. 周露,刘宝忠.北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用[J].全球定位系统,2004,(4).12-16.