地基增強系統(tǒng)VDB天線選址仿真

張夢龍，趙巍巍，張光明

(中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307)

0 引言

地基增強系統(tǒng)(ground-based augmentation system，GBAS)是提供全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)差分校正和完好性檢測的系統(tǒng)，GBAS在主機場附近(約45 km半徑)提供導航和精密進近服務，通過來自地面的發(fā)射機發(fā)射甚高頻(very high frequency，VHF)無線電數據鏈路廣播差分校正信息。

VHF信號須在進近空域與跑道上覆蓋并達到要求。甚高頻數據廣播(VHF data broadcasting，VDB)天線的選址是GBAS系統(tǒng)地面站安裝的重要環(huán)節(jié)，將直接影響到信號的覆蓋，信號的完好對航空器安全著陸至關重要。VDB天線安裝過程中須考慮地形和建筑對信號的遮蔽問題。目前國內民航領域GBAS處于剛起步與實驗階段，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)地基增強系統(tǒng)最終將建成全國一張網[1]。國外在VDB天線選址中大多選擇實際安裝后再對信號質量進行測量，進而周期長、成本高；而且各個機場地形差異大，導致方法缺乏普遍性。

針對具體機場物理環(huán)境的不同，采用一種能廣泛評估信號覆蓋的方法顯得尤為必要。本文基于系統(tǒng)仿真，提供一種分析與評估VDB信號覆蓋的方法，擬解決現(xiàn)行VDB天線選址過程中的問題。

1 GBAS地面站選址理論依據

1.1 VDB天線初步選址

美國聯(lián)邦航空局發(fā)布的文件界定了GBAS選址的一些關鍵要求[2]，其中規(guī)定VDB天線須在系統(tǒng)的跑道入口5.6 km以內。圖1顯示了國內某機場A中的3條跑道，以每條跑道入口為圓心，5.6 km為半徑畫圓的交集，圖中灰色橢圓陰影區(qū)域是滿足要求的VDB天線可用選址范圍。結合該機場可用環(huán)境，圖1中的黑色方形陰影區(qū)域是機場可提供的VDB天線安裝最佳區(qū)域。

圖1 機場A中VDB天線位置初選

VDB天線的選址是需要考慮的關鍵問題，有關GBAS選址的文件FAAO 6884中只是給出了基本的參考或初步的選址范圍，要進一步精確選址須建立更加詳細的模型以對已選位置的信號覆蓋進行評估。

1.2 機場VHF信號傳播模型

精確選址與建模須評估機場建筑對VHF信號的遮蔽效應，其中包括候機樓、氣象雷達等。在VDB天線和跑道以及機場建筑物之間建立起無線電傳播的基本模型，如圖2所示。

圖2 機場VDB信號傳播模型

由圖可知，VDB天線發(fā)射信號到達機場跑道的主要過程包含了電磁波的視距傳播、反射、衍射等過程。對以上3個主要傳播過程分別列式[3-5]為

(1)

(2)

(3)

飛機在跑道上滑行或起降過程中接收天線Rx在跑道位置不同的點上所接收到的信號可能存在較大差異。在VDB天線安裝好以后需要在跑道上對信號進行檢測，具體的檢測過程包含了信號強弱、信號質量、一致性校驗等。本文主要對接收機信號功率門限問題進行研究。

2 實驗與結果分析

2.1 機場資料測量

國內某機場A的平面圖如圖3所示，位置1是VDB天線擬定點，位置2是候機樓，位置3分別是2條跑道。其中位置1的選定十分關鍵，VDB天線的安裝高度也是要考慮的因素之一，所發(fā)射的信號有可能被位置2的候機樓影響導致跑道上信號質量下降甚至達不到所需門限。

圖3 機場A平面建筑物圖

為避免反復安裝測量所帶來的不便，采用電磁環(huán)境模擬仿真的方法對擬選定的VDB天線進行分析。在反復仿真后得出若干優(yōu)化的安裝方案，以減少實施過程中的不確定因素。

2.2 機場模型建立與仿真

隨著系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展，系統(tǒng)仿真涉及的領域越來越廣；電磁場不可見，對所獲取的電磁場數據利用可視化的方法加以表達，將不可見的電磁場可視化，從而使仿真用戶可以方便地觀察仿真的結果[7]。Wireless Insite是一款基于蒙特卡洛方法對復雜電磁環(huán)境建模仿真分析的系統(tǒng)，在基于電磁波傳播模型下可在50 MHz～40 GHz頻段內提供精確的計算結果。

建立如圖4所示的機場模型，以15號和16號2條跑道(RWY15和RWY16)為研究對象，并在跑道中心線上測量高為2.4～11.0 m 的VDB信號功率。根據國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)發(fā)布的文件[8]，III類精密進近中要求在跑道表面3.7 m高度(推薦為2.4 m)上覆蓋信號以支持航空器自動降落，可參考圖5。

圖4 VDB天線位置選取與模型建立

同時在VDB天線可能選址的地點上，根據天線到接收機不同的距離和天線到建筑物不同的距離建立20個編號為01～20的VDB天線模擬器。

圖5 天線高度范圍與功率強度最低要求

其中主要變量是其位置和天線高度的不同，同時也必須滿足FFAO ORDER 6884.1選址規(guī)范中天線遮蔽角小于5o的要求。VDB天線位置變量可以用各個臺與機場建筑物的距離X、各個臺到跑道中心線的距離Y表示(如圖4所示)，具體排列位置數據如表1所示。

模擬分貝系統(tǒng)公司的DBS100天線，工作頻段在108～118 MHz，水平極化，設置發(fā)射功率為46 dBm，詳細參數參考ICAO附件規(guī)范[9]。在圖4中顯示了各個VDB天線的位置參數，具體數據見表1。表中X為距建筑物端距離、Y為到建筑物對稱面距離，單位皆為m，在RWY16一側為正、RWY15一側為負。

根據A機場的環(huán)境將機場簡化(實際工程中某些機場具有更復雜的建筑系統(tǒng)時還需考慮周邊建筑，以及在天氣條件不同的情況下各部分材料反射系數不同的問題)為機場地面、跑道面、機場建筑(對筑物構型簡化，但主體參數仍可在模型中反映)3個主要部分的模型。參考該機場相關資料并查閱有關電磁學文獻[10-11]得到在甚高頻波段每個部分的相對介電常數、電導率和厚度，具體參數如表2所示。

表1 不同VDB天線位置到建筑物的距離

表2 機場模型的反射系數

2.3 跑道信號仿真與分析

分別定義VDB天線高10、20 m(最適合的天線高度可通過此方法反復試驗得到)，通過仿真運算對每一個VDB所產生的信號分別在RWY15與RWY16跑道中心線某確定高處進行信號強度測量，經過甄選，得到部分典型信號，如圖6～圖8所示。

圖6 改變天線高度后功率對比

圖7 RWY15接收機功率曲線

圖8 RWY16接收機功率曲線

圖6中改變VBD天線的高度分別為10和20 m，此時隨著天線高度的增加，多路徑影響更加明顯，受到影響的跑道長度增加。而多徑干擾是影響定位精度的主要因素之一[12]。

在圖7和圖8中分別顯示了2條跑道中心線上高為2.4 m處的功率曲線。由于該機場2條跑道之間的建筑物遮蔽問題，圖7中RWY15號跑道上VDB03處所收信號在跑道3 200 m以后出現(xiàn)了明顯的快衰弱，而在圖8中RWY16號跑道上VDB17處信號在跑道1 000 m左右位置出現(xiàn)了明顯的衍射與多路徑問題并且快接近門限值。

在此次仿真實驗中，通過對數據的處理得到VDB天線的最佳位置應該在VDB07、VDB13與VDB14位置。在多次重復試驗后，通過模擬與仿真可縮小VDB電臺的選擇范圍，對VBD天線的安裝進行參考與指導。

2.4 地形覆蓋仿真與分析

考慮到機場及附近建筑物對VDB信號在跑道上的覆蓋問題后，還需要考慮航空器進近空域范圍信號的覆蓋問題。由于VDB天線位于地表，VHF信號在傳播過程中會被地形遮蔽，遮蔽物對信號的繞射效應使得信號在被遮蔽后產生較大衰減[13]。這種情況在高高原機場體現(xiàn)更加明顯。圖9分別為國內某高高原機場B的衛(wèi)星圖和地形圖。

圖9 機場B衛(wèi)星圖和地形圖

圖9中灰色圓形陰影區(qū)域為VDB信號覆蓋的研究區(qū)域。由于該機場地形的限制，VDB天線的安裝可選區(qū)域較小。為研究VBD選址以及信號覆蓋問題，將圖中VDB-A、VDB-B 2個地點(這2個點分別在機場跑道的2邊且均滿足初選要求所以具有代表性)設為選址地點，并分別比較二者信號覆蓋的區(qū)別。

地形仿真測試實驗中天線模擬分貝系統(tǒng)公司的Tree Element VDBANTENNA天線，該天線采用三元素堆疊的水平極化偶極子陣列，天線標稱增益為5.0 dBi(由該天線的方向圖分析，此天線更能反映由地形原因產生的遮蔽問題)，實際過程中也可根據航空器進近方向調整水平極化的VDB天線角度以達到更好的信號覆蓋。

根據選址標準FFAO ORDER 6884.1與天線安裝在較低位置的原則，此處設置天線高度為10 m、工作頻率為114 MHz、發(fā)射功率為46 dBm，地形反射類型為樹林(反射系數如表2所示)。地形數據采用標準的搖桿衛(wèi)星數字影像格式GeoTIFF，坐標采用WGS84坐標系。

分別測出在機場標高100、1 000和3 000 m高度層的信號功率分布。部分仿真結果如圖10所示。

圖10 機場B信號功率覆蓋

圖10中陰影圓表示45 km半徑的覆蓋范圍。經過對比位置A和B的VDB信號覆蓋，得到A位置的信號場強在大于-85 dBm的覆蓋范圍內大于B位置的信號場強，因此A位置選址明顯優(yōu)于B位置。通過此方法經過多次反復的實驗得到較為優(yōu)化的選址方案。

3 結束語

本文通過在近年來電磁環(huán)境仿真研究的基礎上提出一種方法來研究GBAS系統(tǒng)VDB天線安裝與信號覆蓋的問題，旨在有效解決VDB天線選址評估問題?？梢钥偨Y出大型機場GBAS系統(tǒng)VDB天線安裝的位置通常要考慮以下3個問題：1)各跑道之間是否有類似于候機樓的大型建筑物，需考慮該建筑物對信號在各個跑道上的影響；2)增加天線高度或許可以解決信號覆蓋問題，但是水平極化的VDB天線可能在覆蓋范圍內產生更加嚴重的多路徑問題，天線高度的選擇需要具體測試以安裝在合適的高度；3)在一些地形較為特殊的機場，需要考慮并測量機場周圍的地形是否會影響VBD信號的覆蓋。

下一步研究方向：1)通過地面移動站和試飛航空器測試實際信號和模擬仿真結果進行比較，得出差異數據以及其他因素的影響；2)增加VDB天線的個數也是解決信號覆蓋問題的方案，未來將研究應用多個VBD天線解決信號覆蓋問題。

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