面向地基增强系统的对流层异常评估 | 航空学报CJA
李家祥, 程建华, 李亮, 那志博, 贾春. GBAS对流层异常完好性监测参数研究 [J].航空学报.
一、文章导读
研究背景
地基增强系统(GBAS)是卫星导航增强系统的主要组成，可以为航空用户至少提供I类精密进近着陆导航服务。在GBAS的框架上进行改进以实现II/III类精密进近是GBAS现代化更新的主要方向。对流层延迟是大气误差的主要来源，须被精准修正以保证GBAS导航的精度和完好性。对流层活动正常时，对流层延迟具有良好的空间相关性，经模型和差分联合修正后，着陆导航阶段可忽略残余对流层延迟影响。近年来，随着GNSS气象学不断发展，大量对流层异常现象被发现。为了推动GBAS满足导航性能需求更高的II/III类精密进近GAST-D服务，有必要针对流层异常开展完好性监测。最大可容忍对流层延迟和对流层异常概率作为监测算法的重要输入，其精准评估是保障对流层异常监测完好性和连续性的关键工作。
研究亮点
针对GBAS对流层异常完好性监测体系中最大可容忍对流层延迟和对流层异常概率缺失问题，以满足民用航空III类精密进近最低适航标准为基础，实现定位域所需导航性能与观测域所需对流层异常监测性能之间的转换，基于最差保护原则量化了观测域最大可容忍对流层延迟；其次，以欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析气象产品为数据基础，运用GNSS水汽反演理论分别开展水平和垂直两类对流层异常的统计分析，量化面向GBAS完好性监测体系需求的对流层延迟异常概率。
本文使用真实北斗数据进行观测域最大可容忍对流层延迟仿真，验证基于最差保护原则量化的理论指标有效性；使用ECMWF提供的亚太地区2010-2019十年ERA5再分析气象产品反演对流层ZTD，以对流层折射指数的变化率（-100 km-1）为对流层垂直异常判定门限，以年平均气温小时变化率标准差（）为对流层水平异常判定门限，分别评估对流层垂直和水平两类异常概率。
图1展示了针对不同飞机进近下滑角，每个格网点24h内观测域最大可容忍对流层延迟仿真结果，仿真范围为70°E~140°E，0°N~55°N，经纬度格网点间距为1°，卫星截止高度角设置为7°。由图1可知，随着进近下滑角减小，观测域最大可容忍对流层延迟逐渐降低，与理论分析相符。此外，得益于北斗混合星座几何分布优势，亚太地区不同格网点处的最大可容忍对流层延迟整体相对稳定，仅在边界处存在小幅度下降。定量统计结果表明，在进近下滑角=2.5°的典型情况下，真实观测域最大可容忍对流层延迟仅为0.65 m，高于理论分析值0.57 m，验证了本文推导的观测域最大可容忍对流层延迟量化指标保守性和可靠性。
图 1 观测域最大可容忍对流层延迟
（自上而下依次对应下滑角=2.5°、3°和3.5°）
图2展示了以对流层折射指数的变化率（-100 km-1）为垂直对流层异常判定门限，统计得出的垂直对流层异常概率分布。由图可知，沿海地区垂直对流层异常概率显著高于内陆地区，其原因是水蒸气大量蒸发造成海面表层水蒸气压力饱和，与之相比，海面上空大气层中水分含量较低，极易引发对流层折射率异常，严重区域其异常概率接近80%。此外，沿海地区垂直对流层异常的发生概率普遍处于10-1量级，远高于民用航空III类精密进近完好性风险需求，从异常概率角度证明了开展垂直对流层异常完好性监测的必要性。
图 2 垂直对流层异常概率
统计所有格网点的年平均气温小时变化率标准差，以3作为水平对流层异常的自适应判定门限，反演统计给出水平对流层异常概率如图3所示。分析统计结果可知，亚太地区水平对流层异常平均发生概率达到10-4数量级，最高概率为5.3×10-3，远超民用航空III类精密进近最大可容忍完好性风险要求。
图 3 水平对流层异常概率
研究结论
本文聚焦GBAS对流层异常完好性监测热点问题，以满足适航需求为前提，通过理论和数据双重验证，量化评估了对流层异常完好性监测中的两个关键参数：观测域最大可容忍对流层延迟和对流层异常概率。
假设VDOP≤3，参与导航解算卫星数N=14，则对应进近下滑角=2.5°时的观测域最大可容忍非标称对流层延迟理论值为0.57 m，与使用BDS真实数据仿真获得的真实值相比，该理论值更为保守，可以满足III类精密进近和着陆引导服务完好性需求，为对流层异常监测算法设计提供了有效参考；
基于垂直对流层异常三参数模型，以对流层折射指数的变化率是否超过-100 km-1为判断阈值，评估可知亚太地区垂直对流层异常概率普遍处于10%~50%，远超III类精密进近和着陆引导服务完好性风险需求；
基于水平对流层异常天气墙模型，以年平均气温小时变化率（3）作为自适应判断阈值，评估可知亚太地区水平对流层异常概率约为10-3数量级，远超III类精密进近和着陆引导服务完好性风险需求。此外，建议以最大值5.3×10-3作为水平对流层异常概率保守值，服务于GBAS完好性风险分配体系。
二、团队介绍
卫星联合增强导航技术团队隶属于哈尔滨工程大学智能科学与工程学院，面向国家海洋强国战略，开展卫星导航高精度定位完好性监测的应用基础研究，研制多型海洋高精度北斗导航增强系统装备，并在国家多个海洋重点型号平台上得到批量业务化应用。
程建华（团队负责人），哈尔滨工程大学研究生院常务副院长，教授，博导。长期从事组合导航与极区导航方面的科研工作，获得黑龙江省杰出青年基金资助。担任“先进导航与海洋智装技术”国家地方联合工程研究中心副主任、“船舶导航与控制”工信部重点实验室常务副主任、黑龙江省高精度卫星导航及海洋应用重点实验室主任，兼任国家自然科学基金信息学部会评专家。主持国家级重点项目2项，研制10余项；在应用技术研究领域，负责基础研究项目6项。发表学术论文100余篇，被SCI/EI收录60余篇；以第1发明人获授权发明专利13项、软件著作权4项；出版学术著作7部；获得多个国家级、省部级奖项。
李家祥（第一作者），2023年获得哈尔滨工程大学博士学位。主要研究方向为GNSS高精度导航及其完好性监测技术。现任中国船舶及海洋工程设计研究院工程师。
那志博，哈尔滨工程大学博士研究生，主要研究方向为GNSS完好性监测技术。
