Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6750
Main Title: Auslegung und Validierung der Leistungsfähigkeit eines GBAS-CAT-II/III-L1-Bodensubsystems
Translated Title: Design and validation of the performance of a GBAS CAT II/III L1 ground subsystem
Author(s): Schüttpelz, André
Advisor(s): Lehmann, Oliver
Referee(s): Lehmann, Oliver
Hecker, Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit behandelt die Auslegung und Validierung der Leistungsfähigkeitmeines Bodensubsystems zur Unterstützung satellitengestützter mit Präzisionsanflüge und Landungen mit bodengestützter Erweiterung (GBAS). Sie verfolgt das Ziel, die Reife der Technologie zur Durchführung von Präzisionsanflügen bis CAT-IIIb mit erweitertem Betriebskonzept zur reduzierten Staffelung während des Betriebs mit eingeschränkter Sicht zu zeigen. Dazu sind schwerpunktmäßig zwei Aspekte zu beachten: Einerseits der Nachweis der Reife der GBAS-Technologie für CAT-IIIb-Betrieb, sowie der technische Nachweis der Möglichkeit eines optimierten GBAS Betriebskonzeptes mit reduzierter Staffelung. Für die Reife der Technologie ist zu zeigen, dass die erzielte Leistungsfähigkeit, ausgedrückt durch Genauigkeit, Integrität, Kontinuität und Verfügbarkeit, ausreichend hoch ist. Der Betrieb mit reduzierter Staffelung mit GBAS basiert auf dem Fehlen flugbetrieblich relevanter Schutzzonen. Dazu werden die technischen Grundlagen des GBAS für CAT-I bis CAT-IIIb dargestellt und die technischen Konzepte zur Umsetzung eines GBAS für CAT-IIIb identifiziert und verglichen. In diesem Zusammenhang wird das umgesetzte Konzept der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) unter Nutzung von Satellitensignalen auf nur einer Trägerfrequenz (GPS L1 im GAST-D-Konzept) diskutiert und seine Vorteile identifiziert. Basierend auf den GAST-D-Leistungsfähigkeitsanforderungen wird die Bodensubsystemarchitektur abgeleitet. Im Vergleich zum früheren Ansatz von GBAS für CAT-I ergeben sich einige Veränderungen, da zur Unterstützung der erhöhten Leistungsfähigkeit gegenüber CAT-I deut-lich niedrigere Rauschniveaus der vom Bodensubsystem erzeugten Informationen notwendig sind. Diese haben Einfluss auf das nominale Systemverhalten, das deutlich vom theoretischen Verhalten abweicht. Das resultierende nominale Verhalten eines GAST-D-Bodensubsystems wird analysiert und erweiterte Modelle zur Beschreibung des Systemverhaltens abgeleitet. Mit den höheren Leistungsfähigkeitsanforderungen sind angepasste Maßnahmen zur Fehlererkennung und -berücksichtigung notwendig. Die generellen Möglichkeiten werden identifiziert und klassifiziert und hinsichtlich ihrer Wirkungsweise verglichen. Zwei Fehlerklassen des GBAS werden eingehender betrachtet. Das sind zum einen Fehler infolge Empfangs reflektierter Satellitensignale (Mehrwegeausbreitung) und Fehler infolge anomaler ionosphärischer Störungen. Die Kontrolle von Einflüssen infolge von Mehrwegeausbreitung ist essentielle Basis für das Fehlen flugbetrieblich relevanter Schutzzonen des GBAS und ist damit die Grundlage der Möglichkeit des Betriebs mit reduzierter Staffelung unter Bedingungen mit eingeschränkter Sicht. Anomale ionosphärische Störungen stellen die größte Integritätsbedro-hung des GBAS dar. Ihre Kontrolle stellt unter Verwendung nur einer Satellitensignalfrequenz eine besondere Herausforderung dar. Diese Einflüsse werden eingehend analysiert und Modelle zu ihrer Charakterisierung, sowie Schutzmaßnahmen abgeleitet. Die hohen Leistungsfähigkeitsanforderungen eines GBAS für CAT-IIIb lassen sich nicht alleinig durch Tests nachweisen. Für das Vorgehen zum Nachweis der Leistungsfähigkeit wird daher ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich die hohen Anforderungen an Integrität und Kontinuität nachweisen lassen. Das Vorgehen zur Verifikation der Leistungsfähigkeit und die mit einem am Flughafen Toulouse/Blagnac installierten Proto-typsystem erzielten Einzelergebnisse werden dargestellt und diskutiert. Schließlich erfolgt die zusammenfassende Diskussion der erzielten Leistungsfähigkeit. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die Leistungsfähigkeit zur Unterstützung von Anflügen und Landungen bis CAT-IIIb erreicht wird. Abschließend wird der weitere Forschungsbedarf identifiziert. Diese Arbeit basiert auf Ergebnissen, die v. Verf. im Rahmen der Forschung im Single European Sky ATM Research Program für Thales erzielt wurden. Die Arbeiten waren in die erfolgreiche Validierung des entsprechenden ICAO Standards eingebunden.
The present work covers the design and performance validation of a ground subsystem supporting precision approach and landing operations with a ground based augmentation system (GBAS). It aims to demonstrate the maturity of the technology to perform precision approaches down to CAT IIIb with an extended operational concept allowing for reduced separation criteria during operations under low visibility conditions (LVC). This involves special consideration of two aspects: On one hand the maturity of the used technology to support operations down to CAT IIIb has to be demonstrated. The second aspect is related to the demonstration of the technical feasibility to perform operations with reduced separation criteria under LVC. To demonstrate the technological maturity it needs to be shown, that the performance in terms of accuracy, integrity, continuity and availability is sufficiently high. The technical feasibility of operations with reduced aircraft separation is based on the demonstration of the absence of critical and sensitive zones on aircraft movement areas. The technical basis of GBAS CAT I to CAT III is provided and GBAS technical CAT III concepts are identified and compared. In this context the concept accepted by the International Civil Aviation Organisation (ICAO) is be discussed and its advantages identified. This concept is based on the usage of satellite signals using a single frequency (GAST D concept using GPS L1). Based on the required performance according to the ICAO GAST D concept a ground subsystem architecture is derived. Compared to the previous concept of a GBAS for CAT I some changes result for GAST D. In order to achieve the higher performance significantly lower noise of the information broadcast by the ground subsystem is necessary. As a result of the reduced noise level the nominal system behaviour deviates from theoretical considerations. The resulting nominal GAST D ground subsystem behaviour is analysed and extended models allowing the characterisation of the resulting behaviour are derived and are explained. With the increased performance requirements also dedicated mitigations for influences adversely affecting the system performance are needed. The general means to ensure the performance are compared with regard to their mode of functioning. Special emphasize is put on two influences. These are errors from the reception of reflected satellite signals (multipath) and errors resulting from anomalous ionospheric conditions. Multipath is of special importance with regard to the absence of critical and sensitive zones with GBAS, which in turn are the basis of operations with reduced aircraft separation under LVC. Anomalous ionospheric conditions represent the largest integrity risk for GBAS. Under usage of only a single satellite signal frequency their mitigation is especially demanding. The analysis of the aforementioned influences is provided and models allowing their characterisation and mitigation are given. Due to the high performance requirements the performance demonstration of a GBAS CAT IIIb cannot be solely based on tests. An approach to demonstrate the integrity and continuity is given. The performance verification, as well as the performance results obtained with a GAST D ground subsystem prototype installed at the airport Toulouse/Blagnac are provided and discussed. Within the summarising discussion of the achieved performance it is concluded that the achieved results confirm the feasibility to conduct approaches and landings down to CAT IIIb based on the GAST D concept. Finally GBAS related topics needing further research are identified. The present work is based on results achieved by the author within the Single European ATM Research Programme (SESAR) for Thales. This work in SESAR contributed to the successful validation of the ICAO standard.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7530
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6750
Exam Date: 19-Dec-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 10-Apr-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Flugsicherung
GPS
GBAS
Satellitennavigation
Präzisionsanflug
Landung
CAT-III
air traffic controll
satellite navigation
precisionapproach
landing
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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