論GBAS技術(shù)在中國民航的應(yīng)用

張也

摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強系統(tǒng)（GBAS）是一種典型的GNSS增強技術(shù)，本文介紹了GBAS技術(shù)的基本原理，對比了衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GLS）較傳統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng)（ILS）的優(yōu)勢，并論述了GBAS技術(shù)在中國民航的發(fā)展現(xiàn)狀及未來應(yīng)用需解決的問題。

關(guān)鍵詞：GBAS;GNSS;衛(wèi)星導(dǎo)航;北斗

中圖分類號：V355 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0063-03

0 引言

隨著未來航空應(yīng)用需求的日益增長，現(xiàn)行航行系統(tǒng)已無法滿足未來航空運輸中對的安全、容量和效率的要求。國際民航組織頒布的《全球空中航行計劃》（Doc9750號文件）提出基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的終端區(qū)靈活引導(dǎo)和基于性能的引導(dǎo)，在導(dǎo)航方面路基導(dǎo)航將逐漸向星基導(dǎo)航過渡，星基導(dǎo)航將成為未來導(dǎo)航的主要技術(shù)手段。

GNSS作為未來民航運行的主要導(dǎo)航手段，已進入快速發(fā)展和應(yīng)用實施階段。GNSS通過導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可為飛機提供全球覆蓋的定位和定時數(shù)據(jù)，具有提高空域利用率、飛行靈活性、運行安全性等優(yōu)勢。GNSS包括三大主要部分：一是衛(wèi)星星座，包括美國的GPS（Global Positioning System）、俄羅斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS（BeiDou Navigation Satellite System）和歐洲的GALILEO（Galileo Satellite Navigation System）;二是增強系統(tǒng)，是為提升民航運行完好性，滿足民航應(yīng)用安全需求而產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航增強技術(shù)的具體實現(xiàn);三是機載接收機。本文所涉及的地基增強系統(tǒng)（GBAS）技術(shù)正是一種典型的增強技術(shù)，是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在機場進近、著陸階段應(yīng)用的重要支撐。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強系統(tǒng)（GBAS）技術(shù)原理

1.1 GBAS技術(shù)簡介

GBAS對GNSS進行差分定位和完好性監(jiān)視，可為配置相應(yīng)機載設(shè)備的航空用戶提供安裝了GBAS地面設(shè)備的機場終端區(qū)覆蓋空域約23海里半徑范圍內(nèi)導(dǎo)航、精密進近及著陸引導(dǎo)服務(wù)。GBAS具有極高的導(dǎo)航精度、完好性、連續(xù)性和可用性，可滿足CAT-I類，未來甚至是CAT-II/III類精密進近的需求。目前，在有效覆蓋范圍內(nèi)的GBAS，其精度在水平和垂直方向均優(yōu)于1米。

以GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，GBAS包含地面部分、機載部分和空間部分。GBAS地面設(shè)備通常由位于機場的參考接收子系統(tǒng)、地面處理子系統(tǒng)和VHF數(shù)據(jù)廣播（VDB）子系統(tǒng)組成[1]。參考接收子系統(tǒng)通常由4部相同的GNSS參考接收機和全球定位系統(tǒng)天線組成，支持GPS天線及相關(guān)電源的浪涌保護，主要為處理子系統(tǒng)提供原始GPS數(shù)據(jù)。地面處理子系統(tǒng)包含差分修正處理器（DCP），至少可以處理12顆衛(wèi)星，用于計算GPS差分修正，監(jiān)測GBAS正常運行，以及確保滿足完好性的需求。VDB子系統(tǒng)主要包含VDB發(fā)射機、VDB接收機以及VDB天線，為進近的飛機提供空間信號。

GBAS機載設(shè)備包括VDB天線、機載接收機和相關(guān)的處理設(shè)備。目前空管設(shè)備生產(chǎn)廠家已將GBAS機載設(shè)備與使用儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)的機載設(shè)備進行融合，這種可通過操作面板選擇不同著陸系統(tǒng)的機載設(shè)備稱為多模接收機（MMR）[2]。GBAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，參考接收機接受GNSS發(fā)出的信號，并把數(shù)據(jù)傳送到地面處理站處理。地面處理站處理產(chǎn)生GPS增強信息，包括差分修正量和GNSS完好性信息，并將其格式化。接著地面處理站向機場塔臺更新狀態(tài)信息，并將差分修正量、GNSS完好性信息、精密進近路徑定義數(shù)據(jù)通過VDB向服務(wù)區(qū)域覆蓋的航空用戶廣播。航空用戶通過接收到的GBAS廣播數(shù)據(jù)與本機接收到的GPS信息進行差分，實施精密進近和著陸。

GBAS系統(tǒng)利用差分增強技術(shù)，將GNSS定位過程中影響定位精度的各種因素進行修正，從而提高定位精度。GBAS由硬件、軟件組成，硬件的處理性能和軟件采用的算法，決定系統(tǒng)的整體性能。

1.2 GBAS技術(shù)優(yōu)勢

隨著機場的迅速擴建，預(yù)計到2020年全國民航機場將達(dá)到244個，由于一套傳統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng)（ILS）只能在空間提供單一航徑的一條下滑道，運行效率低，且工作頻道只有40個，對地理上數(shù)量密集的機場造成擁堵，故現(xiàn)有的路基導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)量及導(dǎo)航能力無法滿足運行需求。同時，由于ILS依靠地面反射形成下滑道，對地形要求較高，且受環(huán)境影響大，而地形和氣象條件復(fù)雜的機場將越來越多，故對場地要求條件高、費用大[3]。

衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GLS）較傳統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng)（ILS）具有以下優(yōu)點：可減少進近、著陸的危險和敏感區(qū)域;可提供高精度定位服務(wù)，支持RNAV運行;可為同一個機場多條跑道提供服務(wù);提供多個進近下滑以及跑道入口內(nèi)移;可引導(dǎo)復(fù)飛;可提供曲線進近;可為鄰近機場提供服務(wù);對地面站點場地要求較低等[4]。ILS與GLS的性能對比如表1所示。

2 GBAS技術(shù)在中國民航的應(yīng)用

2.1 GBAS在中國民航的發(fā)展與審定

我國正在積極應(yīng)用和發(fā)展GBAS系統(tǒng)。美國霍尼韋爾（Honeywell）公司的SLS-4000型GBAS設(shè)備已安裝在上海浦東機場，并于2015年3月20日利用空客A321在浦東機場進行了地基增強著陸系統(tǒng)（GLS）的演示驗證。

2015年4月26日到29日，中國電子科技集團第二十研究所和北京航空航天大學(xué)共同研制的GBAS衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)，在天津濱海國際機場開展了演示驗證實驗，不僅驗證了支持現(xiàn)有基于GPS的GBAS著陸引導(dǎo)能力，還驗證了基于北斗（BDS）的GBAS著陸引導(dǎo)能力，得到了科技部和民航局領(lǐng)導(dǎo)專家的一致認(rèn)可。

鑒于GBAS是國際民航組織提出的航空系統(tǒng)組塊升級（ASBU）中導(dǎo)航部分的核心技術(shù)之一，也屬于新航行技術(shù)的核心之一，其應(yīng)用關(guān)系到航空運行的安全與效率。2015年8月民航局頒布文件《關(guān)于成立GBAS使用許可合格審定與運行驗證委員會的通知》，成立GBAS合格審定與運行驗證委員會，以積極穩(wěn)妥推進GBAS在中國民航的驗證與應(yīng)用。同時，為推進GBAS技術(shù)驗證應(yīng)用，民航局批準(zhǔn)兩項重大標(biāo)準(zhǔn)GBAS設(shè)備技術(shù)要求和測試方案的編制，為合格審定提供依據(jù)。

2017年1月民航局正式發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)MH/T 4045-2017《民用航空地基增強系統(tǒng)（GBAS）地面設(shè)備技術(shù)要求——I類精密進近》，2019年4月民航局正式發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)MH/T 4501-2018《民用航空地基增強系統(tǒng)（GBAS）地面設(shè)備測試方法——I類精密進近》。

2016年1月22日，霍尼韋爾公司正式提交其SLS-4000型GBAS地面設(shè)備臨時使用許可證申請材料;2016年6月1日，中電科現(xiàn)代導(dǎo)航（西安）科技有限公司正式提交其DH-GEGBAS-LGF-1A型GBAS地面設(shè)備臨時使用許可證申請材料。

就霍尼韋爾公司的GBAS地面設(shè)備的合格審定工作而言，包括資料技術(shù)審核、工廠技術(shù)審核、功能性能測試、運行環(huán)境測試、飛行測試等環(huán)節(jié)，審定流程如圖2所示。各環(huán)節(jié)工作闡述如下：

（1）資料技術(shù)審核主要指針對GBAS地面設(shè)備的一般性資料、系統(tǒng)設(shè)計資料和補充技術(shù)資料的審核。

（2）工廠技術(shù)審核主要包括對公司的質(zhì)量管理體系、產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)、生產(chǎn)和測試、與顧客有關(guān)的要求、采購與驗證等方面的現(xiàn)場審核，以及與FAA比對GBAS審定流程、確認(rèn)紐瓦克機場GBAS設(shè)備現(xiàn)場運行情況等工作。

（3）功能性能測試主要包括文檔審查、性能測試（包括地面精度指示測試、定位域精度測試、連續(xù)性測試、地面?zhèn)尉嗖淮_定測試、對流層參數(shù)和殘差測試、電離層參數(shù)和殘差測試、類型1電文測試、類型2電文測試、類型4電文測試、發(fā)射頻率及其穩(wěn)定性測試、無用發(fā)射測試、鄰信道發(fā)射測試等）、功能測試（包括：GNSS監(jiān)測功能測試、VDB監(jiān)測功能測試、可維護性測試）。

（4）運行環(huán)境測試要求指GBAS地面設(shè)備在滿足中國民航相關(guān)功能性能標(biāo)準(zhǔn)的前提下持續(xù)不間斷正常運行，對其開展的可用性、可靠性、穩(wěn)定性、安全性、空間信號等測試。

（5）飛行測試主要包括地面檢查、場面滑行、大圓飛行、水平飛行、圓弧飛行和進近飛行等測試科目。

歷時三年多，通過設(shè)備生產(chǎn)廠家、中國民航局、合格審定機構(gòu)、測試機構(gòu)等各單位的努力，2019年3月，中國民航順利完成美國霍尼韋爾公司SLS-4000型GBAS地面設(shè)備和中國電子科技集團公司DH-GEGBAS-LGF-1A型GBAS地面設(shè)備的合格審定工作。下一步將開展飛行驗證工作，驗證通過后，GBAS地面設(shè)備才能獲得在中國民航的使用許可。

2.2 GBAS技術(shù)在中國民航應(yīng)用所面臨的問題

由于GBAS是應(yīng)用在進近和著陸階段的導(dǎo)航技術(shù)，直接關(guān)系飛行安全，作為一項新技術(shù)，在中國民航的應(yīng)用中仍面臨著諸多的問題。

第一，我國GBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善。GBAS作為一項新的技術(shù)和運行模式，需要全面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支撐。在國際民航組織層面，GBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括《ICAO Annex 10 Vol. 1， Sixth Edition》，相對比較全面的明確了GBAS的運行性能、功能、覆蓋、數(shù)據(jù)鏈、技術(shù)指標(biāo)、校飛等。此外，F(xiàn)AA、RTCA、EUROCAE都發(fā)布了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在運行層面，ICAO也發(fā)布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括：支持系統(tǒng)建設(shè)的選址標(biāo)準(zhǔn)、場地規(guī)范;支持系統(tǒng)運行和維護的校飛標(biāo)準(zhǔn)、維護規(guī)程;支持飛行程序運行的運行標(biāo)準(zhǔn)等。和國際相比，我國在GBAS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上，還存在巨大的差距，這些問題不解決，GBAS應(yīng)用推進會受到較大的制約。

第二，中國區(qū)域的電離層分析工作剛剛起步。電離層會對GBAS的完好性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致衛(wèi)星信號畸變、不同位置信號延遲差異等問題。雖然美國對其研究較為領(lǐng)先，但由于地點和環(huán)境的不同，美國的研究模型不一定適合中國電層離的情況。且我國南方地區(qū)，如廣州、福建，經(jīng)濟發(fā)展前沿的地區(qū)，均處于磁赤道異常區(qū)域，電離層情況非常復(fù)雜，研究難度大。故需要在低緯度地區(qū)，對進行電離層監(jiān)測，建立本區(qū)域的電離層模型，以支持GBAS的應(yīng)用。

第三，需持續(xù)推進北斗在GBAS的應(yīng)用工作。BDS較GPS存在以下優(yōu)勢：（1）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)和運行的導(dǎo)航系統(tǒng)，故更安全、可靠;（2）北斗具有通信功能，應(yīng)用更為廣泛;（3）其導(dǎo)航精度不低于GPS。但目前，北斗還未納入國際民航組織GNSS標(biāo)準(zhǔn)框架，且現(xiàn)有運行的大型運輸機主要由國外生產(chǎn)，缺乏相應(yīng)的北斗機載設(shè)備。故需要持續(xù)推進北斗在GBAS的應(yīng)用工作。

3 結(jié)語

推進GBAS新技術(shù)在中國的應(yīng)用是一項長期且復(fù)雜的工作，需要空管運行單位、民航科研院所、工業(yè)界、機場、航空公司、局方等各單位的共同合作，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同推動GBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。同時，需要開展基于GPS星座的GBAS電離層模型分析研究工作和中國區(qū)域內(nèi)中、高緯度地區(qū)GBAS通用模型的驗證工作，以推動中國區(qū)域內(nèi)低緯度地區(qū)，GBAS電離層監(jiān)測、模型建立、驗證等工作。相信在不久的將來，中國民航對GBAS的應(yīng)用將以提升安全水平、運行效率和投資效益為核心，獲得更長遠(yuǎn)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃晉，江文波.淺談現(xiàn)代GBAS的運作與發(fā)展[J].中國信息科技，2014（10）：114-117.

[2] Andreas Lipp GBAS Implementation Workshop[C]. Ground Based Augmentation Systems （GBAS） Introduction，2011.

[3] 曾思弘.GBAS技術(shù)特征與應(yīng)用[J].科技通報，2015（9）：148-150+199.

[4] 趙志軍.GBS與ILS功能比較[J].科技與創(chuàng)新，2016（20）：118.

Abstract：Satellite Navigation - Ground Based Augmentation System （GBAS） is a typical GNSS enhancement technology. This paper introduces the basic principles of GBAS technology， compares the advantages of GBAS Landing System （GLS） with traditional Instrument Landing System （ILS）， and discusses the development status of GBAS technology in China's civil aviation and the problems to be solved in future applications.

Key words：GBAS;GNSS; satellite navigation; Beidou