衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)概述

□ 民航局空管局技術(shù)中心 李 鵬/文

衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）被民航界認(rèn)為是提高繁忙機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率、保障復(fù)雜機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全、解決機(jī)場(chǎng)全天候起降和終端區(qū)高密度運(yùn)行難題的關(guān)鍵。能夠提供更加精準(zhǔn)、靈活和高效的著陸引導(dǎo)服務(wù)，已成為國(guó)際民航組織積極推進(jìn)應(yīng)用、世界主要航空強(qiáng)國(guó)及其廠商競(jìng)相研制的關(guān)鍵新技術(shù)裝備，并已逐步投入實(shí)際應(yīng)用。

國(guó)外，基于GPS L1 C/A 信號(hào)的精密進(jìn)近著陸技術(shù)已基本成熟，支持I類（CAT I）精密進(jìn)近著陸運(yùn)行的系統(tǒng)已經(jīng)在歐美多機(jī)場(chǎng)使用。目前，挪威和德國(guó)兩個(gè)國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)率先針對(duì)基于單頻單星座Ⅲ類GBAS技術(shù)進(jìn)行了產(chǎn)品研發(fā)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，但上述系統(tǒng)僅使用單星座單頻導(dǎo)航信號(hào)，導(dǎo)致衛(wèi)星幾何分布較差，易受電離層風(fēng)暴影響，系統(tǒng)可用性不足。為此，美國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家重點(diǎn)推進(jìn)了基于雙頻多星座的GBAS地面和機(jī)載設(shè)備及運(yùn)行，消減由電離層頻繁變化造成的定位誤差，以提升導(dǎo)航信號(hào)的連續(xù)性和可用性。

在國(guó)內(nèi)，I類GBAS產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)基本成熟，于2019年4月和7月先后兩次完成驗(yàn)證飛行活動(dòng)。驗(yàn)證飛行期間，通過(guò)兩套錄像設(shè)備分別記錄駕駛艙儀表及機(jī)外情況，同時(shí)通過(guò)專用設(shè)備記錄機(jī)載前艙航電設(shè)備的所有相關(guān)數(shù)據(jù)。驗(yàn)證結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)GBAS設(shè)備與機(jī)載設(shè)備配合良好，能夠?yàn)楹娇掌魈峁┚苓M(jìn)近引導(dǎo)服務(wù)。為了進(jìn)一步提高衛(wèi)星導(dǎo)航精密進(jìn)近著陸引導(dǎo)系統(tǒng)定位精度和完好性，國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)正在積極研究新信號(hào)體制的質(zhì)量監(jiān)測(cè)、電離層異常模型監(jiān)測(cè)、環(huán)境干擾檢測(cè)與減輕、機(jī)載多故障綜合監(jiān)測(cè)、自動(dòng)著陸安全引導(dǎo)等技術(shù)，自主研制基于多星座雙頻的Ⅲ類衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在民航飛行的廣泛應(yīng)用是國(guó)際民航組織（ICAO）的全球空中航行計(jì)劃（GANP）的重要組成，其衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)，已成為ICAO導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向。根據(jù)航空界的發(fā)展計(jì)劃和進(jìn)程，基于單頻單星座信號(hào)的Ⅲ類GBAS地面和機(jī)載設(shè)備及相關(guān)運(yùn)行批準(zhǔn)，預(yù)期將在2020～2025年期間基本同步完成；基于雙頻多星座信號(hào)的Ⅲ類GBAS地面和機(jī)載設(shè)備及運(yùn)行批準(zhǔn)將在2030～2035年期間基本同步完成。

系統(tǒng)組成

GBAS通過(guò)差分定位提高衛(wèi)星導(dǎo)航精度的基礎(chǔ)上，增加了一系列完好性監(jiān)視算法，提高系統(tǒng)完好性、可用性、連續(xù)性，使機(jī)場(chǎng)覆蓋空域范圍內(nèi)配置相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)獲得精密進(jìn)近、著陸引導(dǎo)服務(wù)，系統(tǒng)由空間段、地面段和機(jī)載段組成，如圖1所示。

（一）空間段

空間段由美國(guó)GPS、中國(guó)BDS、歐洲GALILEO和俄羅斯GLONASS組成，為地面段和機(jī)載段提供衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行偽距測(cè)量。

（二）地面段

GBAS地面段包括基準(zhǔn)接收機(jī)、地面處理站、甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VDB）設(shè)備等。地面處理站通過(guò)結(jié)合來(lái)自每個(gè)參考接收機(jī)的測(cè)量值生成可見(jiàn)衛(wèi)星的差分校正值；同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)航信號(hào)本身或者地面站的異常，形成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和本站自身的完好性信息；然后把最后進(jìn)近航段（FAS）數(shù)據(jù)、校正值和完好性信息通過(guò)VDB播發(fā)給機(jī)載用戶。

（三）機(jī)載段

機(jī)載段為多模式接收機(jī)（MMR）、飛行管理計(jì)算機(jī)（FMS）和飛行控制與顯示設(shè)備等。MMR不僅接收來(lái)自GNSS的信號(hào)，還要接收來(lái)自地面站廣播的差分改正及完善性信息，處理器對(duì)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位計(jì)算，

同時(shí)確定垂直及水平定位誤差保護(hù)級(jí)。FMS接收MMR計(jì)算的修正位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引導(dǎo)，并在飛行控制與顯示設(shè)備上顯示相關(guān)信息。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng)（ILS）只能在空間提供單一的一條下滑道，不適應(yīng)各類型飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸的要求，且工作頻率低，天線尺寸大，安裝調(diào)整很不方便。依靠地面反射形成下滑道，對(duì)地形環(huán)境很敏感，下滑道隨季節(jié)和氣候變化而變化，航道容易彎曲，故要求安裝場(chǎng)地非常平整和寬闊。而一套GBAS設(shè)備可同時(shí)滿足多個(gè)進(jìn)近程序的使用需求，且具有設(shè)備場(chǎng)地環(huán)境要求低、信號(hào)穩(wěn)定、建設(shè)和運(yùn)行成本低、使用靈活等運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。具體性能對(duì)比如表1。

表1：ILS與GBAS性能對(duì)標(biāo)

存在的問(wèn)題及解決方法

多星座多頻GNSS 可提供更多測(cè)距源，有效改善衛(wèi)星幾何分布，可消除電離層導(dǎo)致的差分校正誤差，擺脫電離層的影響。從而，雙頻多星座衛(wèi)星導(dǎo)航精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)將具備更高的服務(wù)可用性，尤其是在低緯度電離層活動(dòng)劇烈的地區(qū)。但雙頻多星座GNSS 也為衛(wèi)星導(dǎo)航精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：

（1）異質(zhì)導(dǎo)航誤差的動(dòng)態(tài)校正。雙頻多星座衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的使用將星座間的時(shí)間和空間基準(zhǔn)偏差以及更多的觀測(cè)噪聲引入定位結(jié)果中，導(dǎo)致附加差分校正誤差。

（2）多元耦合故障的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。雙頻多星座衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的使用將引入更多的故障來(lái)源因素，導(dǎo)致完好性風(fēng)險(xiǎn)增加、服務(wù)連續(xù)性和可用性降低。

（3）按需密集飛行的安全引導(dǎo)?；谛l(wèi)星導(dǎo)航精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)的高精度導(dǎo)航能力，用戶使用基于性能導(dǎo)航（PBN）的飛行方式可以任意選擇最優(yōu)航路飛行，但由于機(jī)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、用戶需求多變、飛行密集會(huì)導(dǎo)致碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文提出以下解決方法，推進(jìn)雙頻多星座衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用。

（1）雙頻多星座衛(wèi)星導(dǎo)航局域差分方法，主要包括：

·精確雙頻載波平滑濾波方法

評(píng)估不同GNSS信號(hào)的碼偽距和載波相位測(cè)量噪聲統(tǒng)計(jì)特性，分析不同雙頻載波平滑濾波技術(shù)的差分校正殘差，從而提出精確雙頻載波平滑濾波方法，消除電離層誤差的影響，并降低平滑濾波器輸出噪聲。

·多星座導(dǎo)航信號(hào)優(yōu)選定位方法

分析不同幾何分布下導(dǎo)航信號(hào)時(shí)空間基準(zhǔn)不同和差分校正殘差異質(zhì)對(duì)定位誤差的耦合影響，提出多星座異質(zhì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速優(yōu)選方法。

·異質(zhì)導(dǎo)航信號(hào)誤差包絡(luò)方法

分析不同衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)差分校正殘差的統(tǒng)計(jì)特征，研究基于有限樣本殘差統(tǒng)計(jì)特征的厚尾估計(jì)方法，提出不同衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的差分校正殘差包絡(luò)方法，用于建立基于仰角的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)差分校正精度模型。

（2）雙頻多星座衛(wèi)星導(dǎo)航完好性監(jiān)測(cè)方法，主要包括：

·新信號(hào)體制的質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法

分析雙頻多星座衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)間的相互干擾機(jī)理和新體制衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)峰畸變特征，并建立故障模型，建立新體制衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的信噪比異常統(tǒng)計(jì)模型，研究對(duì)新體制衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)相互干擾、信噪比異常和相關(guān)峰畸變故障監(jiān)測(cè)方法。

·電離層異常模型監(jiān)測(cè)方法

分析電離層活動(dòng)導(dǎo)致的新體制衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)碼/載波分離特征，建立新體制衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)碼/載波分離故障模型并提出監(jiān)測(cè)方法，研究利用雙頻衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)對(duì)單頻信號(hào)電離層異常的輔助監(jiān)測(cè)方法。

·星座故障監(jiān)測(cè)方法

研究多星座衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)特征，分析空間信號(hào)精度異常的成因、特性及其影響，提出星座主要服務(wù)故障模型并評(píng)估其導(dǎo)致的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（3）Ⅲ類衛(wèi)星導(dǎo)航精密進(jìn)近著陸引導(dǎo)方法，主要包括：

·自動(dòng)著陸安全引導(dǎo)方法

研究Ⅲ類精密進(jìn)近下滑航徑快速生成方法及Ⅲ類精密進(jìn)近水平和垂直航跡偏差準(zhǔn)確計(jì)算方法，提出滿足Ⅲ類精密進(jìn)近著陸運(yùn)行需求的機(jī)載導(dǎo)航性能監(jiān)視與告警方法。

·基于性能導(dǎo)航（PBN）精密進(jìn)近方法

研究PBN精密進(jìn)近的垂直引導(dǎo)方法和PBN精密進(jìn)近飛行程序設(shè)計(jì)方法，評(píng)估PBN精密進(jìn)近的飛行技術(shù)誤差和實(shí)時(shí)飛行性能，提出連續(xù)下降運(yùn)行（CDO）與PBN精密進(jìn)近的銜接程序。

·終端區(qū)高密度靈活運(yùn)行方法

研究基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的終端區(qū)曲線進(jìn)近方法、基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的終端區(qū)連續(xù)下降運(yùn)行方法、基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的平行跑道獨(dú)立運(yùn)行方法和基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的終端區(qū)4維航跡運(yùn)行技術(shù)，從而提高終端區(qū)高密度靈活運(yùn)行效率。

結(jié)語(yǔ)：

從上述分析可看出，衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)近方式靈活，可以減少飛行里程和燃油消耗，并改善噪音；安裝靈活且對(duì)保護(hù)區(qū)要求低，可以有效利用機(jī)場(chǎng)區(qū)域并解決高原機(jī)場(chǎng)問(wèn)題；單站48個(gè)進(jìn)近程序，可增加進(jìn)近容量并減少導(dǎo)航頻率需求。因此，在從傳統(tǒng)導(dǎo)航向基于性能的導(dǎo)航（PBN）演變的過(guò)程中，衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)以其高精度、高可用性和低成本的特點(diǎn)，必將發(fā)揮重要的作用。

目前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS技術(shù)正在從單一服務(wù)星座和單一工作頻率向雙頻多星座系統(tǒng)模式過(guò)渡，尤其是雙頻GNSS信號(hào)的應(yīng)用，對(duì)于GBAS克服電離層風(fēng)險(xiǎn)并提高Ⅲ類運(yùn)行性能將十分便利和有效。中國(guó)民航應(yīng)借鑒歐美民航強(qiáng)國(guó)的發(fā)展實(shí)施策略和方法，重點(diǎn)開(kāi)展基于雙頻多星座的Ⅲ類GBAS技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)備研制和示范驗(yàn)證工作，推進(jìn)Ⅲ類GBAS應(yīng)用，提升航班運(yùn)行保障能力。