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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)


Motivation und Geschichte


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


RNP to xLS (~ Durchgängige Flugführung über GNSS)

STAR … Standard Arrival xLS … ILS look alike systemsAPCH … Approach


DGNSS-Prinzip für GBAS


Transparente Nutzung durch den Piloten (ILS == GBAS)

https://www.youtube.com/watch?v=oVVaXpLB8CYGLS … GBAS Landing System

https://www.youtube.com/watch?v=oVVaXpLB8CY


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

https://youtu.be/n3GnpcMPERE


Geschichte

SaRPs … Standards and Recommended PracticesTUBS … TU BraunschweigGRAS … Ground Based Regional Augmentation System


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


GBAS SpezifikationenWelche Betriebsmodi sind vorgesehen?Welche Navigationsanforderungen herrschen für Landungsphase? In welchem Bereich muss GBAS verfügbar sein


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)


GBAS Anforderungen (Jahr 2004)

GSL … GBAS Service Level

Vgl.: SBAS LPV-200VPL=35 m


GBAS Minimum Service Volume

Runway


KernalgorithmenWelches DGNSS-Verfahren wird zur Berechnung der Korrekturwerte eingesetzt?Wie wird die Integrität der Bodenstation festgestellt?


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


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, …)


GBAS-NutzungGBAS Datennachricht über VHF-FunkGBAS Architektur


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)


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


GBAS Architektur

Siehe S. Pullen, 2017


GBAS-PerformanzProtection Level HPL/VPL und tatsächlich erreichter PositionierungsfehlerFlughafen: Newark, USA


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)


GBAS-Performance Flughafen Newark (US) - Vertikaler Fehler

http://laas.tc.faa.gov/EWR_Graph.html

Tatsächlicher Positionierungsfehler gemessen an der Station


RisikoanalyseWelche Restrisiken sind für GBAS relevant und welche Forschungsarbeit ist notwendig um sie zu minimieren?


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


Risikoanalyse GBAS

LGF … Local GroundFacility = Bodenstation


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.


• 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


Fehler in der GPS C/A Wellenform (Evil Waveforms)

Elektrischer Fehler in der Satellitenpayload!


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


Ionosphärenfronten

Starke lokale Unterschiede in der Ionosphäre beeinflussen zum Beispieldas Flugzeug aber nicht die Bodenstation!


Ionosphärenfronten


Ionosphärenfronten – Worst Case


GBAS-Risiken / Zusammenfassung

Eigene Iono-Monitorstationen am Flughafen fürGAST-D notwendig


FragenAuswahl möglicher Prüfungsfragen


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)

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