Performance Analysis of GBAS Vertical Protection Levels for Civil Aircraft Precision Approach and Landing using GPS and GLONAS

Abstract

In this paper, an analysis has been performed to quantify and compare the Vertical Protection Levels (VPLs) performances using GPS (Global Positioning System) and GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System - GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) satellite navigation systems for the largest Turkish Airport (Istanbul Ataturk Airport – IST). The VPLs are position error bounds computed at aircraft with ensured high navigation performances for initiation of intendent precision aircraft approach and landing in the Ground Based Augmentation System (GBAS). The GBAS, therefore, is an advanced navigation system and designed to provide civil aircraft user with high navigation performances. All defined algorithms in GBAS are built entirely on the GPS positioning solutions. In this study, an alternative constellation of global satellite navigation system GLONASS is considered and its performances are quantified for potential usability in future. In this respect, IST is selected as an implementation site in analysis. Two approaches have been proposed in the quantification of system availability for the given site; a) full constellation with increased elevation mask, b) two satellite outages as a worst-case scenario in the quantification of system availability. Investigations have shown that the GPS could provide superior performance over GLONASS in compliance with the GBAS availability requirements (i.e., exhibits high performance). However, the outcomes are also promising for the prescribed GBAS VPL performance using an alternative constellation (GLONASS) for supporting a precision approach and landing of an aircraft at the IST.

Bu çalışmada, Turkiye’nin en büyük havaalanı (İstanbul Atatürk Havaalanı – IST) için GPS (Global Positioning System) ve GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System - GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) uydu navigasyon sistemleri kullanılarak düşey koruma seviyeleri’nin (VPL) performansları hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. VPL’ler, konum sınırlama değerleri olup yüksek güvenilirlikle uçak’ta hesaplanır ve GBAS’in (Yer Temelli Genişleme Sistemi) uçak hassas yaklaşma ve inişinde kullanılır. Bundan dolayı, GBAS sivil uçaklara yüksek navigasyon performansı sunan ileri bir navigasyon sistemi olarak tasarlanmıştır. GBAS’in bütün algoritmaları GPS konum belirleme çözümlerine dayanmaktadır. Bu çalışmada, alternatif bir uydu navigasyon sistemi olan GLONASS’ın gelecekte kullanılabilirliği dikkate alınmış olup performansı hesaplanmıştır. Bu anlamda, IST bir uygulama sahası olarak seçilmiştir. Seçilen uygulama alanı için performans hesaplamada iki yaklaşım kullanılmıştır; a) tam uydu sistemleri ile artan yükselti açısı değişimi, b) kötü senaryo olarak iki uydunun devre dışı bırakılması olarak hesaplamalarda kullanılmıştır. Bulgular GPS’in GLONASS’tan daha iyi GBAS şartlarını sağlayan yüksek bir performans sergilediğini göstermiştir. Öteyandan, alternatif bir uydu sistemi olan GLONASS’ın da belirlenen GBAS VPL değerlerine uyumlu olabileceği ve uçak hassas yaklaşma ve inişte IST için kullanılabileceği kanıtlanmıştır.