GBAS數據回放系統技術研究及實現

褚映紅，胡耀坤，張敏敏

GBAS數據回放系統技術研究及實現

褚映紅，胡耀坤，張敏敏

（中電科星河北斗技術（西安）有限公司，西安 710068）

隨著全球導航衛星系統（GNSS）地基增強系統（GBAS）在機場的長期使用，能夠實現回溯歷史數據、模擬衛星系統故障、進行GBAS運行性能的驗證分析和問題定位，就顯得很有必要，而如何使用GBAS系統記錄的歷史數據是實現以上功能的先決條件。通過研究實現了一套針對于GBAS原始數據的數據回放系統，方便了GBAS系統后期歷史場景復現、問題定位和系統的性能驗證和分析。

地基增強系統；數據回放；時序；秒脈沖

0 引言

衛星導航精密進近著陸系統被民航界認為是提高繁忙機場運行效率、保障復雜機場運行安全、解決機場全天候起降和終端區高密度運行難題的關鍵。全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）地基增強系統（Ground Based Augmentation System，GBAS），在通過差分定位提高衛星導航精度的基礎上，增加了一系列完好性監視算法，提高系統完好性、可用性、連續性的指標，使機場覆蓋空域范圍內的配置相應機載設備的飛機獲得到達精密進近服務?，F階段國外基于GPS L1 C/A 信號的精密進近著陸技術已基本成熟，支持I類（CAT I）精密進近著陸運行的系統已經在歐美多機場使用。

隨著GBAS在機場的穩定應用，為更好地回溯歷史數據、模擬衛星系統故障、進行GBAS運行性能的驗證分析和問題定位，對GBAS系統離線數據的使用就顯得格外地重要。

本文結合GBAS系統接口和數據的特性設計一套GBAS數據回放工具，實現GBAS系統歷史數據的回放，配合GBAS仿真系統軟件，實現歷史場景的重現，以支撐GBAS系統問題定位和運行性能的驗證分析。

1 系統邏輯架構

GBAS數據回放系統邏輯架構如圖1所示，時鐘驅動器產生標準的1 pps秒脈沖，為系統內設備提供標準時鐘，數據回放軟件讀取GBAS系統記錄的原始數據，并依據1 pps秒脈沖，模擬GBAS系統時序將GBAS原始數據通過串口發送出去，以便于GBAS系統仿真實現歷史場景復現。

圖1 GBAS數據回放系統邏輯架構

2 系統硬件組成

GBAS數據回放系統由時鐘驅動器和數據處理服務器組成。

2.1 時鐘驅動器

時鐘驅動器使用GNSS時間信號，進行信號匹配選擇，并轉換成4路RS 422授時（1 pps）信號提供給系統內其它設備使用。

2.2 數據處理服務器

數據處理服務器為工業級處理機，配備：

1）串口：至少16路三合一（RS232/485/422）串口（帶隔離）；

2）網口：至少4路獨立網口RJ45，100/1000 M自適應。

數據處理服務器上部署數據回放軟件，對外輸出符合GBAS地面設備時序的歷史信號數據。

3 系統軟件組成

GBAS數據回放系統軟件為數據回放軟件。該軟件為Windows桌面程序，采用多線程方式，實現文件的讀取以及發送。根據軟件架構該軟件劃分為以下幾個模塊，如圖2所示。

圖2 功能分解圖

1）界面控制模塊：實現界面的繪制，提供用戶設置GBAS歷史數據文件存儲路徑、歷史數據出口以及外部時鐘源等功能。

2）原始數據文件讀取模塊：實現根據用戶配置，讀取文件目錄下GBAS歷史數據文件功能。

3）校時模塊：實現根據用戶配置，讀取外部秒脈沖信號，根據秒脈沖信號校正系統整秒。

4）原始數據發送模塊：根據用戶選擇的發送數據，依據用戶配置將GBAS歷史數據發送至指定串口的功能。

3.1 界面控制模塊功能

該功能模塊實現界面的繪制以及用戶配置數據的讀取功能。其中界面分為時鐘源配置和數據源配置兩個模塊。

時鐘信號源設置界面設計如圖3所示。

圖3 界面設計圖

1）“秒脈沖串口號”為下拉菜單選擇項。軟件通過讀取所處系統串口配置信息，將系統使用的串口號作為下拉菜單的可選信息，以供用戶選擇秒脈沖讀入的串口號。

2）“波特率”為串口傳輸速率，提供用戶選擇串口傳輸速率的選擇菜單。

3）“發送間隔”提供用戶選擇數據發送時間間隔的功能。

數據源配置界面設計如圖3所示。

1）“串口號”為下拉菜單選擇項。軟件通過讀取所處系統串口配置信息，將系統使用的串口號作為下拉菜單的可選信息，供用戶選擇，作為該路數據的發送串口號。

2）“數據源”為文件目錄對話框，提供用戶選擇需要在相應串口發送的GNSS接收機原始數據的存儲路徑。

點擊“確定”按鈕后，對配置信息的有效性進行驗證。確保用戶在“秒脈沖串口號”選擇了有效的串口號；驗證用戶在“數據源”界面，至少正確選擇了一路數據源路徑和需要發送的串口號；在用戶設置了多路數據源時，需要驗證各路數據的發送串口號不重復。當配置信息驗證通過后進行后續操作。

3.2 原始數據文件讀取模塊

在用戶配置了有效的配置信息后，開始該模塊的執行。

模塊根據用戶在“數據源配置”界面設置的多個數據源信息，啟動多個線程，在線程內對目錄下文件進行預處理，并根據預處理結果依次讀取該文件目錄下的GNSS接收機原始數據。讀取過程如下：

1）用戶點擊“數據配置信息”界面“確定”按鈕，且參數驗證通過后，啟動多個線程。線程1負責讀取數據源1數據，依次類推。

2）數據源有效性判斷。若以下兩條有一項不符合，則表示數據源不需發送數據，線程結束。

3）用戶選擇的文件目錄路徑不為空，且該路徑下的文件不為空；數據發送的串口號不為空。

4）數據有效性驗證通過后，對數據進行預處理。若文件路徑下只有一個數據文件，則直接讀取數據文件；若有多個文件，則解析文件內容并依據文件的第一包有效的數據包，并以該數據包中的GPS時間作為該文件的時間標記，依據各個文件的時間標記，按時間先后進行文件的排序，并依據此順序依次讀取數據文件。等待數據發送。

數據流程如圖4所示。

圖4 原始數據文件讀取流程

3.3 校時模塊

校時模塊處理流程如下：

1）讀取用戶選擇：若秒脈沖配置有效，則啟動校時功能，若沒有配置有效的秒脈沖配置則不啟動校時功能。

2）校時功能：根據用戶配置的串口號和串口速率，打開秒脈沖串口，并依據收到秒脈沖信號設置系統時。

3.4 原始數據發送模塊

原始數據發送模塊在原始數據文件讀取模塊處理完成后，初始化串口。等待用戶設置的發送間隔，讀取這一個時間片（注1）至下一時間片之間的所有原始報文（注2），按照報文先后順序發送；等待用戶設置的發送間隔，發送下周期數據。依次執行直至數據發送完成。

注1：時間片是指數據包的GPS周、秒為標記的一個時間周期。該時間從接收機時間數據包或者偽距數據包獲取。

注2：報文包含時間、偽距、星歷、歷書和甚高頻數據廣播（VHF Data Broadcast，VDB）所有數據包。

處理流程如圖5所示。

圖5 原始數據包發送流程

4 系統運行分析

使用本系統將GBAS現場運行記錄的24小時原始數據，通過8路串口同時向GBAS系統持續發送。系統運行完成后對系統發送的數據報文數、數據發送時長、數據丟包率和數據發送延遲進行了分析統計，統計結果如表1所示。

經分析本系統能夠依據GBAS的系統運行的時序向GBAS系統準確完整地發送所有的報文數據。

5 結語

GBAS數據回放系統能夠很好地模擬GBAS系統數據時序，并完整、按時地將GBAS歷史原始數據通過串口發送出去，為GBAS仿真系統提供了真實和可靠的數據源，為GBAS系統的歷史場景復現、衛星系統故障模擬、進行GBAS運行性能的驗證分析和問題定位提供了有用的幫助。

[1] 國際民航組織標準與建議措施（ICAO SARPs）附件10. 航空電信，第I卷無線電導航設備[S]. 7版，國際民航組織，2018.

[2] RTCA DO-253D. 機載全球定位本地增強系統裝置最低性能標準[S]. 航空無線電技術委員會，2017-07-13.

[3] RTCA DO-246E. 基于GNSS精密進近局域增強系統（LAAS）信號在空間接口控制文件（ICD）[S]. 航空無線電技術委員會，2017-07-13.

[4] FAA-E-3017. CAT I地基增強系統（GBAS）地面設施[S]. 美國運輸部聯邦航空管理局，2009-09.

[5] MH/T 4045-2017. 民用航空地基增強系統（GBAS）地面設備技術要求——I類精密進近[S]. 中國民航局，2017-04-01.

[6] MHT4051-2018. 民用航空地基增強系統（GBAS）地面設備測試方法——I類精密進近[S]. 中國民航局，2019-04-01.

[7] ED-114B. 支持I類操作的全球導航衛星地基增強系統地面設備最低運行性能規范[S]. 歐洲民用航空設備組織，2019.

[8] IS-GPS-200K. GPS空間信號接口控制文件：L1和L2[S]. 2019.

[9] IS-GPS-705F. GPS空間信號接口控制文件：L5[S]. 2019.

[10] 北斗衛星導航系統空間型號接口控制文件——公開服務信號B1I（3.0版）[S]. 中國衛星導航系統管理辦公室，2019.

[11] 北斗衛星導航系統空間型號接口控制文件——公開服務信號B1C（1.0版）[S]. 中國衛星導航系統管理辦公室，2017.

[12] 北斗衛星導航系統空間型號接口控制文件——公開服務信號B2a（1.0版）[S]. 中國衛星導航系統管理辦公室，2017.

Research and Implementation of GBAS Data Playback System

CHU Yinghong, HU Yaokun, ZHANG Minmin

With the long-term use of the Global Navigation Satellite System（GNSS）Ground Based Augmentation System (GBAS) at the airport, it is necessary to be able to track historical data, simulate satellite system failures, verify and analyze GBAS operational performance and locate problems. How to use the historical data recorded by the GBAS system is a prerequisite for achieving the above functions. A set of data playback system for GBAS original data is implemented, which is convenient for the historical scene recurrence, problem location and performance verification and analysis of GBAS system in the later period.

Ground Based Augmentation System; Data Playback; Time Series; Pulse Per Second

TN967.1

A

1674-7976-(2023)-06-391-04

2023-08-15。

褚映紅（1979.03—），陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為衛星導航增強技術。