DO-316 / DO-229E: kort over integritet og compliance

Dette dokument knytter RTCA's (tidligere Radio Technical Commission for Aeronautics) krav til beskyttelsesniveauer og integritetsovervågning i DO-229E (SBAS (satellitbaseret augmentationssystem) MOPS (minimale operationelle ydelsesstandarder)) og DO-316 (GPS/SBAS (GPS: Global Positioning System), udstyr om bord på luftfartøjer) til de Kshana-funktioner, der implementerer dem. Det er et teknisk sporbarhedsværktøj, ikke en erklæring om, at noget krav er nået: Kshana implementerer de offentliggjorte algoritmer; det er ikke godkendt avionik.

Den maskinlæsbare form er sbas::do316_compliance_map; denne prosa er dens ledsager (og afspejler docs/ARAIM_REFERENCE.md).

Beskyttelsesniveauer med vægtet mindste kvadraters metode (DO-229E Appendix J)#

For hver satellit i med elevation Elᵢ og azimut Azᵢ hos brugeren er observationsrækken i det lokale plan (ENU (øst-nord-op) + ur)

Gᵢ = [ −cos Elᵢ·sin Azᵢ,  −cos Elᵢ·cos Azᵢ,  −sin Elᵢ,  1 ]

med vægt wᵢ = 1/σᵢ², σᵢ² = σ_flt² + σ_uire² + σ_air² + σ_tropo² (budgettet for UDRE (brugerens differentielle afstandsfejl) / GIVE (vertikal ionosfærefejl på gitteret) / airborne / troposfære). Positionskovariansen er D = (GᵀWG)⁻¹; dens ENU-blok giver de horisontale og vertikale beskyttelsesniveauer (HPL, VPL):

d_major = √( (d_E² + d_N²)/2 + √( ((d_E² − d_N²)/2)² + d_EN² ) )
d_U     = √(d_U²)
HPL = K_H · d_major        VPL = K_V · d_U

Kshana beregner D ved at invertere normalmatricen på 4×4 med samme rutine, som RAIM-stakken (receiver autonomous integrity monitoring) bruger (orbit::invert4), og validerer resultatet på to måder (kovariansvejen D[2][2] og projektionsvejen Σᵢ S_{U,i}²·σᵢ² skal stemme overens) samt mod en uafhængig numpy-referencegeometri inv(GᵀG).

K-factors#

Bemærkning om ærlighed: MOPS bruger den afrundede horisontale konstant 6.0; den præcise tosidede normalkvantil Φ⁻¹(1 − 1e-9/2) er 6.109. Kshana bruger den offentliggjorte 6,0 i koden og udleder K_V = Φ⁻¹(1 − 1e-7/2) = 5.327 af samme raim::normal_quantile, som RAIM-stakken bruger, en ikke-cirkulær krydskontrol (værdien afrundes til MOPS' 5,33).

Ionosfærefri L1/L5-tofrekvenskombination (IS-GPS-705)#

Med f₁ = 1575.42 MHz, f₅ = 1176.45 MHz, γ₁₅ = (f₁/f₅)² = 1.79327:

ρ_IF = (f₁²·ρ₁ − f₅²·ρ₅) / (f₁² − f₅²) = c₁·ρ₁ + c₅·ρ₅
c₁ = +2.260604,  c₅ = −1.260604   (c₁ + c₅ = 1, unit gain)

Den første ordens ionosfæreforsinkelse (40.3·10¹⁶·TEC/f²) udlignes præcist, verificeret mod motorens uafhængige timetransfer_adv::iono_delay_m-fysik for en række TEC-værdier (totalt elektronindhold). Støjforstærkningen ved input med samme varians er √(c₁² + c₅²) = 2.588.

Valideringsstatus#

• I repositoriet, automatiseret (ved hver commit): K-faktorerne mod deres fordelingsdefinitioner, γ₁₅ og de ionosfærefri (IF) koefficienter mod frekvenserne i IS-GPS-705 (IS: Interface Specification), førsteordens ionosfæreudligning mod den uafhængige forsinkelsesfysik og beskyttelsesniveauerne med vægtet mindste kvadraters metode (WLS) mod en numpy-referencegeometri inv(GᵀG) (sbas::tests::wls_pl_matches_numpy_on_five_satellite_geometry).
• Ekstern uafhængig reference, automatiseret (tests/sbas_reference.rs): givet hver satellits elevation, azimut og samlede 1-σ gengiver sbas_protection_level HPL fra en uafhængig implementering, waasprotlevels() i RTKLIB's (et open source-bibliotek til positionering i realtid med kinematik) fork med SBAS-beskyttelsesniveauer zsiki/rtklib_ws (Siki & Takács 2017), på seks epoker, som dette værktøj beregnede ud fra rigtige EGNOS-udsendelser (European Geostationary Navigation Overlay Service) (geostationær PRN (pseudotilfældig kodenummer) 120) og rigtige RINEX-observationer (Receiver Independent Exchange Format) fra stationen BUTE i Budapest (2017-02-19), til < 2e-3 m. Referencen afrunder K_V til 5,33, så den vertikale sammenlignes uden K-faktor, som d_U mod dens VPL / 5,33. ESA's (Den Europæiske Rumorganisation) gLAB v6.0.0 (core/filter.c) bruger samme formel.
• Ikke gjort: σ for hver satellit er referencens egen; modellering af σ ud fra rå UDRE/GIVE-meddelelser ligger udenfor omfanget, og intet officielt offentliggjort beskyttelsesniveauprodukt fra WAAS (Wide Area Augmentation System) eller EGNOS er gengivet fra ende til anden. DO-229E/DO-316 selv er bag RTCA's betalingsmur; den åbne kilde til udledningen er ESA Navipedias sider om ICAO/EGNOS SBAS (ICAO: International Civil Aviation Organization).