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T. PanyProfessur für Satellitennavigation (LRT 9.2)
Institut für Raumfahrttechnik und Weltraumnutzung
GNSS Nutzersegment/GNSS in der LuftfahrtGround Based Augmentation Systems
23/19/2019 Conference/Workshop/Event 2SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Literatur
• Diese Vorlesungseinheit verwendet Material aus:• Sam Pullen, Standford University: „The Use of Threat Models in
Aviation Safety Assurance and an Update on Technical Challenges for Ground-Based Augmentation Systems (GBAS)”, Satellite Navigation Colloquium, TUM+UniBwM, 2014.
• Andreas Lipp, Eurocontrol: „Ground Based Augmentation Systems (GBAS) Introduction”, presented at the GBAS Implementation Workshop, ICAO EUR/NAT Paris, 18 March 2010.
• Siehe auch: SatNav 1, DGNSS (JPALS als Beispiel für GBAS)
• Literatur:• Sam Pullen: “Ground Based Augmentation Systems”, Kapitel
31 in GNSS Handbook, eds.: Teunissen, Montenbruck, Springer, 2017 (in Bibliothek vorhanden)
33/19/2019 Conference/Workshop/Event 3SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Motivation und Geschichte
43/19/2019 Conference/Workshop/Event 4SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Motivation für GBAS
• Komplettierung der GNSS-Flugverfahren mit einem Landeanflugverfahren (RNP to xLS)
• RAIM/ARAIM … En route, terminal approach• SBAS … terminal approach, landing up to LPV200• GBAS … landing up to CAT III (target)
• Höchste Genauigkeit und Integrität notwendig
• Nutzung des DGPS oder DGNSS Ansatzes• Bekannte Architektur• Lokale Installation daher einfache Gewährleistung der Systemintegrität (kein
vernetztes System wie SBAS)• Eliminierung lokaler Fehlerquellen über DGPS/DGNSS
• Von GBAS abgeleitete Flugverfahren sollen von der Nutzung her identisch zu bereits etablierten ILS Verfahren sein
• Keine weitere Schulungen der Piloten notwendig• Spätere Entwicklungen sollen dann über ILS-artige Verfahren hinausgehen
53/19/2019 Conference/Workshop/Event 5SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
RNP to xLS (~ Durchgängige Flugführung über GNSS)
STAR … Standard Arrival xLS … ILS look alike systemsAPCH … Approach
63/19/2019 Conference/Workshop/Event 6SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
DGNSS-Prinzip für GBAS
73/19/2019 Conference/Workshop/Event 7SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Transparente Nutzung durch den Piloten (ILS == GBAS)
https://www.youtube.com/watch?v=oVVaXpLB8CYGLS … GBAS Landing System
83/19/2019 Conference/Workshop/Event 8SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Beispiel CAT IIIb Anflug mit ILS
https://youtu.be/n3GnpcMPERE
Flughafen Abu Dhabi, Sicht bei 10 m über GrundAutomatisches anfliegen, landen und ausrollen entlang des ILS-Leitstrahles
93/19/2019 Conference/Workshop/Event 9SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Geschichte
SaRPs … Standards and Recommended PracticesTUBS … TU BraunschweigGRAS … Ground Based Regional Augmentation System
103/19/2019 Conference/Workshop/Event 10SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Flughafen Frankfurt (Status 2017)
• GBAS Installation• Zugelassene Flugzeuge: A380, B787, B747-8, B737
• Steilerer Anflug möglich 3.2° anstelle von 3° mit ILS (seit März 2017)
• Lärmreduktion für Raunheim, Rüsselsheim, Bischofsheim und Mainz–Süd sowie Offenbach und Neu-Isenburg
• Testbetrieb mit gekurvten und segmentierten Anflugverfahren
• In Europa gilt:• CAT III Fähigkeit unerlässlich um ILS im großen Maßstab zu ersetzen• Problem: Langsamer Innovationszyklus bei den Flugzeugen
113/19/2019 Conference/Workshop/Event 11SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS SpezifikationenWelche Betriebsmodi sind vorgesehen?Welche Navigationsanforderungen herrschen für Landungsphase? In welchem Bereich muss GBAS verfügbar sein
123/19/2019 Conference/Workshop/Event 12SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS Betriebsmodi
• GAST: GBAS Approach Service Type• GAST-A: APV-1• GAST-B: APV-2• GAST-C: CAT I • GAST-D: CAT III• GAST-E: CAT II und CAT III• GAST-F: CAT III
• GNSS Nutzung• GPS C/A L1
• GAST A-D• GPS/Galileo E1/L1/E5a/L5
• GAST E-F
• Zulassungsstatus:• GAST A-B: keine operationelle Bedeutung• GAST C: Zugelassen in Bremen, Frankfurt, Zürich, Newark, Houston und
vielfach in Russland• GAST D: international weitestgehend auf ICAO-Ebene harmonisiert, ab 2019
zulassbar• GAST E-F: noch nicht einheitlich standardisiert
APV … Approach with Vertical Guidance
https://www.skybrary.aero/index.php/GBAS_Landing_System_(GLS)
133/19/2019 Conference/Workshop/Event 13SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS Anforderungen (Jahr 2004)
GSL … GBAS Service Level
Vgl.: SBAS LPV-200VPL=35 m
143/19/2019 Conference/Workshop/Event 14SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS Minimum Service Volume
Runway
153/19/2019 Conference/Workshop/Event 15SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
KernalgorithmenWelches DGNSS-Verfahren wird zur Berechnung der Korrekturwerte eingesetzt?Wie wird die Integrität der Bodenstation festgestellt?
163/19/2019 Conference/Workshop/Event 16SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Grundprinzip GAST A-D (DGPS)
• Signal: GPS C/A auf L1
• Bodenstation• Referenzantennenposition bekannt: 𝐱𝐱𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟• Messung der Pseudostrecken aller sichtbaren GPS-Satelliten 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚
(inkl. Glättung über die Trägerphase)• Pseudostreckenkorrektur (DGNSS-Prinzip)
• ∆𝑃𝑃𝑚𝑚 = 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚 − 𝐱𝐱𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑚𝑚 − 𝐱𝐱𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟• Model: ∆𝑃𝑃𝑚𝑚 = 𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑚𝑚 − 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 + 𝑇𝑇𝑚𝑚 + 𝐼𝐼𝑚𝑚 + 𝜀𝜀𝑚𝑚
• Flugzeug• Messung der Pseudostrecken 𝑃𝑃𝑚𝑚
• Anbringen der Korrektur, �𝑃𝑃𝑚𝑚 = 𝑃𝑃𝑚𝑚 − ∆𝑃𝑃𝑚𝑚
• Model: �𝑃𝑃𝑚𝑚 = 𝐱𝐱𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑚𝑚 − 𝐱𝐱𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 + 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟𝑐𝑐𝑚𝑚𝑐𝑐 + 𝜀𝜀𝑚𝑚 =• Kombinierter Uhrfehler 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟𝑐𝑐𝑚𝑚𝑐𝑐 = 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 − 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟• Atmosphärische sowie Satellitenuhr- und Bahnfehler werden
weitestgehend eliminiert• Positionierung (Ausgleichung) mit �𝑃𝑃𝑚𝑚
173/19/2019 Conference/Workshop/Event 17SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Integrität Bodenstation
• Messung mit 2-4 Antennen und GNSS-Empfängern• Doppeldifferenz der Pseudostreckenkorrekturen zweier Antennen 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟, 1,2 und
Satelliten 𝑚𝑚 und 𝑛𝑛 sollte im fehlerfreien Fall verschwinden:• ∆𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟,1
𝑚𝑚 − ∆𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟,2𝑚𝑚 − ∆𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟,1
𝑛𝑛 + ∆𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟,2𝑛𝑛 = 0
• Abweichung deutet auf Fehlverhalten der Empfänger hin. • System erklärt sich als nichtverfügbar (2 Antennen)• System deaktiviert fehlerhaften Empfänger (3 oder mehr Antennen)
• Weitere Qualitätskontrolle der Pseudostreckenmessungen in der Bodenstation
• Kode-Pseudosträke minus Trägerphase Konsistenzüberprüfung• Signalstärkemonitoring und Überprüfung auf Plausibilität
• Zu starke oder zu schwache Signale deuten auf Probleme im Signalempfang hin (ev. Spoofing)
• Signaldeformationen• Überwachung der Qualität der empfangenen GNSS-Signale
• Lokale atmosphärische Effekte• Wetterstationen etc. detektieren Wetteranomalien (Feuchtefronten, …)
183/19/2019 Conference/Workshop/Event 18SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS-NutzungGBAS Datennachricht über VHF-FunkGBAS Architektur
193/19/2019 Conference/Workshop/Event 19SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS-Datennachricht
• Übermittlung von Bodenstation an Flugzeug über VHF Funk
• F = 108 - 117,75 MHz• 10500 bits/s
• Dateninhalt• Type 1 – Korrekturen:
• Korrekturen ∆𝑃𝑃𝑚𝑚 und zeitliche Änderung 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑠𝑠∆𝑃𝑃𝑚𝑚
• Type 2 – GBAS Daten:• Stationskoordinaten, atmosphärische Bedingungen
• Type 4 – Endanflugstrajektorien (Final Approach Segment)• Landebahn, Koordinaten LTP/FTP
• Pilot kann über GBAS Kanal Anflugtrajektorie auswählen• Kanalnummer = 20 000 + 40(F –108.0)
203/19/2019 Conference/Workshop/Event 20SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS Architektur
• Zwei komplementäre Empfangssysteme• SISRAD … Signal In Space Receiver And Decode
• Standard GNSS-Empang• SQR … Signal Quality Reception
• Für SQM
• Vielzahl von Monitoring-Einheiten• SQM … Signal Quality Monitoring• SDM … Signal Deformation Monitoring• MQM … Measurement Quality Monitoring• EXM … Executive Monitoring• MRCC … Multiple Receiver Consistency Check
• Datenbankanbindung für flexible Flugverfahren• Echtzeitkontrolle der ausgesandten VHF-Korrekturen
• VDB … VHF Data Broadcast
213/19/2019 Conference/Workshop/Event 21SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS Architektur
Siehe S. Pullen, 2017
223/19/2019 Conference/Workshop/Event 22SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS-PerformanzProtection Level HPL/VPL und tatsächlich erreichter PositionierungsfehlerFlughafen: Newark, USA
3/19/2019 Conference/Workshop/Event 2323SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS-Performance Flughafen Newark (US) - Protection Levels
http://laas.tc.faa.gov/EWR_Graph.html
LAAS … Local Area Augmention System = GBASLPL … Lateral Protection Level (=HPL)
3/19/2019 Conference/Workshop/Event 2424SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS-Performance Flughafen Newark (US) - Vertikaler Fehler
http://laas.tc.faa.gov/EWR_Graph.html
Tatsächlicher Positionierungsfehler gemessen an der Station
253/19/2019 Conference/Workshop/Event 25SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
RisikoanalyseWelche Restrisiken sind für GBAS relevant und welche Forschungsarbeit ist notwendig um sie zu minimieren?
263/19/2019 Conference/Workshop/Event 26SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Risikoprinzip
• Über den DGNSS-Betrieb werden die Satelliten in Echtzeit mit sehr kleiner Latenz überwacht
• Wie bei SBAS kann der Nutzer davon ausgehen, dass hohe GNSS-Anomalien rasch und zuverlässig erkannt werden
• Wie bei SBAS ist nutzerseitig kein RAIM/ARAIM-artiges Verfahren vorgesehen
• Die Anforderungen an Genauigkeit und Integrität sind beim Landeanflug sehr hoch. Daher können auch kleinere Fehler Integritätsverletzungen verursachen.
• Aufteilung des Risikobudgets in Bodenstations- und Satellitenfehler• Aufteilung des Risikobudgets nimmt Rücksicht auf die technischen
Fähigkeiten des GBAS-System die entsprechenden Fehlerfälle zu erkennen
• Fälle die leicht erkannt und ausgeschlossen werden können (=𝑃𝑃𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻,𝑖𝑖klein) benötigen auch nur einen kleinen Anteil des Risikobudget, da immer gilt: 𝑊𝑊𝑖𝑖𝑃𝑃𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻,𝑖𝑖 < 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑖𝑖
273/19/2019 Conference/Workshop/Event 27SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Risikoanalyse GBAS
LGF … Local GroundFacility = Bodenstation
283/19/2019 Conference/Workshop/Event 28SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Risikoanalyse GBAS
Im folgenden werden drei Risiken bei GBAS herausgegriffen
• Ephemeridenfehler• Ausstrahlung fehlerhafter Ephemeriden durch den GNSS-Satelliten
mit nur partieller Korrektur durch DGNSS• Risikoklasse: H2/Single-Satellite-Failures/Ephemeris-Failure
• Evil-Waveform• Fehler in der GNSS-Signalgenerierung im Satellit mit
unterschiedlichem Effekt auf Bodenstations- und Flugzeugempfänger
• Risikoklasse: H2/Single-Satellite-Failures/Other-Failures
• Ionosphärenfront• Unterschiedliche Verhältnisse über dem Flugzeug und der
Bodenstation• Risikoklasse: Nominal Conditions
Achtung: Risikobudget der einzelnen Fehlerarten hängt vom GBAS Service Level (A-F) ab.
3/19/2019 Conference/Workshop/Event 2929SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
• Ephemeridenfehler haben auf Bodenstation und Flugzeug ähnliche aber nicht die identische Auswirkung
• 𝛿𝛿𝛿𝛿 = 𝛿𝛿𝐑𝐑𝑇𝑇 1−𝐞𝐞𝐞𝐞𝑇𝑇 𝐱𝐱𝐑𝐑
• 𝛿𝛿𝐑𝐑 … Fehler in der Satellitenposition• 𝐱𝐱 … Differenz Flugzeug – Bodenstation
• 𝐞𝐞 … Einheitsvektor Richtung Satellit
• Worst case:• 𝛿𝛿𝐑𝐑𝑇𝑇 parallel zu 𝐱𝐱• 𝐞𝐞 orthogonal zu 𝐱𝐱
• Fehler verringert sich bei Annäherung
Ephemeridenfehler
Bodenstation Flugzeug
303/19/2019 Conference/Workshop/Event 30SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Fehler in der GPS C/A Wellenform (Evil Waveforms)
Elektrischer Fehler in der Satellitenpayload!
313/19/2019 Conference/Workshop/Event 31SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Beispiel: Evil Waveform GPS PRN19
Fehler in 𝑃𝑃𝑚𝑚 werden durch ∆𝑃𝑃𝑚𝑚 nicht mehr korrigiert falls GNSS-Empfänger in Bodenstation und Flugzeug:• unterschiedliche HF-Filter• unterschiedlichen Early/Late Abstand beim
Kodetrackingverwenden.
[hours]
Tatsächlich aufgetretenerFehlerfall
323/19/2019 Conference/Workshop/Event 32SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Ionosphärenfronten
Starke lokale Unterschiede in der Ionosphäre beeinflussen zum Beispieldas Flugzeug aber nicht die Bodenstation!
333/19/2019 Conference/Workshop/Event 33SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Ionosphärenfronten
343/19/2019 Conference/Workshop/Event 34SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Ionosphärenfronten – Worst Case
353/19/2019 Conference/Workshop/Event 35SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
GBAS-Risiken / Zusammenfassung
Eigene Iono-Monitorstationen am Flughafen fürGAST-D notwendig
363/19/2019 Conference/Workshop/Event 36SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
FragenAuswahl möglicher Prüfungsfragen
373/19/2019 Conference/Workshop/Event 37SatNav 2: GNSS in der Luftfahrt
Fragen inkl. Punkte
• Was versteht man unter GAST-C? Welches Flugverfahren wird damit abgedeckt und wie sind die Anforderungen bei GAST-C an HAL, VAL, TTA und Integrität (ungefähre Angaben ausreichend)? Ist GAST-C bereits auf Flughäfen verfügbar? Falls ja wo, falls nein warum nicht? (6)
• Wie oben nur mit GAST-D. (6)
• Nennen Sie drei Restrisiken und beschreiben Sie warum GBAS sie nur näherungsweise kompensieren kann. (6)
• Wie wird die GBAS Nachricht an das Flugzeug übertragen und wie wird die ausgesandte Nachricht überwacht? (3)
• Durch welches Designprinzip wird die Integrität des GNSS-Empfangs in der Bodenstation überwacht? (3)