浦東國際機(jī)場GBAS地面設(shè)備功能測試分析

楊立釩

（民航華東空管局設(shè)備維修中心 上海市 200335）

根據(jù)中國民航PBN 實(shí)施線路規(guī)劃，到2016年計劃引入GNSS及其陸基增強(qiáng)設(shè)備的著陸能力(如GLS)，向高性能進(jìn)近和著陸過渡[1]。地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）是一種星基導(dǎo)航技術(shù)，在通過差分定位提高衛(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)性指標(biāo)，使機(jī)場覆蓋空域范圍內(nèi)配置相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)獲得到達(dá) I 類精密進(jìn)近（CAT I）甚至更高級別的精密進(jìn)近、著陸引導(dǎo)服務(wù)。與傳統(tǒng)陸基著陸系統(tǒng)相比，GNSS 地基增強(qiáng)系統(tǒng)具有更小的敏感區(qū)要求，支持更復(fù)雜的終端區(qū)操作，一套地面系統(tǒng)可以支持多條跑道多個方向的進(jìn)近引導(dǎo)能力，有效降低機(jī)場建設(shè)及維護(hù)成本。

2015年中國民航引入美國霍尼韋爾公司SLS-4000 型GBAS 設(shè)備安裝于上海浦東國際機(jī)場，作為航行新技術(shù)的應(yīng)用GBAS 在投入使用之前，必須對其系統(tǒng)精度和設(shè)備性能進(jìn)行測試和驗證。與傳統(tǒng)陸基著陸系統(tǒng)不同，由于衛(wèi)星位置隨著時間而變化，使得GBAS 的精度評估需要在地面完成[2]，以便為下一步GBAS 的推廣普及、適航審定及成本效益分析與評估提供可參考的技術(shù)支撐。

1 GBAS系統(tǒng)簡介

如圖1 所示。GBAS 系統(tǒng)由衛(wèi)星子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)、機(jī)載子系統(tǒng)三個部分組成。對于GBAS 系統(tǒng)而言，衛(wèi)星子系統(tǒng)就是GNSS空間段。衛(wèi)星子系統(tǒng)可以為機(jī)載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)提供測距信號。

GBAS 地面子系統(tǒng)是指GBAS 地面設(shè)備，該設(shè)備為每顆可視衛(wèi)星生成地面監(jiān)測的差分修正值和完好性相關(guān)信息，以及根據(jù)存儲在本地導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)定義的FAS、MA 和TAP 數(shù)據(jù)[3]。VDB 發(fā)射機(jī)向整個GBAS 服務(wù)容量內(nèi)裝載GBAS 機(jī)載子系統(tǒng)的飛機(jī)發(fā)送上述數(shù)據(jù)。因此，GBAS 系統(tǒng)能夠向服務(wù)容量內(nèi)所有的飛機(jī)同時提供服務(wù)。

GBAS 機(jī)載子系統(tǒng)把地面設(shè)備生成的差分修正值應(yīng)用于GNSS測距信號，從而獲得經(jīng)過差分修正的位置解。除了VDB 廣播的完好性信息之外，機(jī)載子系統(tǒng)還采用RAIM 監(jiān)測[4]方式在機(jī)載端對偽距進(jìn)行故障檢測。由VDB 播發(fā)的更高精度的位置解和位置數(shù)據(jù)被用于計算相對于FAS、TAP 或其他支持的儀表程序的側(cè)向引導(dǎo)和垂直引導(dǎo)，并以“類儀表著陸系統(tǒng)”方式提供給飛機(jī)顯示和導(dǎo)航系統(tǒng)。

2 GBAS地面功能測試分析

根據(jù)中國民航《民用航空地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)地面設(shè)備技術(shù)要求—I 類精密進(jìn)近》和國際民航組織（International Civil AviationOrganization, ICAO）的要求，進(jìn)行GBAS地面功能測試分析。

2.1 偽距域精度（GAD 評估）

GBAS 地面子系統(tǒng)的偽距精度性能通過地面精度指示器（Ground Accuracy Designator，GAD）標(biāo)尺和安裝的參考接收機(jī)的數(shù)量來分類。偽距修正精度分為碼減載波（Code Minus Carrier，CMC）和B 值兩種評估方法。

圖1：GBAS 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2：地面?zhèn)尉鄿y量均方根誤差監(jiān)測值

圖3：水平誤差統(tǒng)計

圖4：垂直誤差統(tǒng)計

CMC[2]方法提供偽距上由于接收機(jī)熱噪聲和多路徑帶來的碼相位誤差的直觀觀察。CMC 分析需要雙頻接收機(jī)和天線或者單獨(dú)的電離延遲參數(shù)的單獨(dú)估計。

圖5：Sigma 事件監(jiān)測值統(tǒng)計

B-值分析基于來自VDB 廣播參數(shù)集的誤差評估，只需單頻觀測量，能夠代表來自特定的參考接收機(jī)在廣播平均偽距修正的偽距誤差的分布。

上海浦東國際機(jī)場利用基于B 值的GAD 評估方法，根據(jù)GBAS 報文數(shù)據(jù)，計算載波平滑偽距的標(biāo)準(zhǔn)差；然后使用所述載波平滑偽距的標(biāo)準(zhǔn)差，確定所述GBAS 地面系統(tǒng)的精度等級。

利用上海浦東國際機(jī)場連續(xù)接收一周的VDB 信號數(shù)據(jù)，對GBAS 地面設(shè)備廣播的類型1 電文中的每一部基準(zhǔn)接收機(jī)的B 值和相關(guān)的星歷信息，統(tǒng)計分析基準(zhǔn)接收機(jī)的修正偽距誤差。

圖2 結(jié)果表明，四個地面參考接收機(jī)（RR）的地面?zhèn)尉鄿y量均方根誤差均小于廣播的GAD 曲線，并且每部RR 的B 值的零均值都小于0.05 米，滿足測試要求。

2.2 定位域精度測試

測量區(qū)域定位精度需要定在無多路徑干擾的環(huán)境下，使用一個獨(dú)立于GBAS 地面子系統(tǒng)的接收機(jī)，每200s 采樣一次收集一定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行水平誤差和垂直誤差分析。

在上海浦東國際機(jī)場精確勘測一個位置點(diǎn)，并把GBAS 監(jiān)測系統(tǒng)的GPS 接收天線安裝在精確勘測點(diǎn)位置，持續(xù)采集超過24 小時的數(shù)據(jù)用于測試分析。

圖3 結(jié)果表明，觀測區(qū)間內(nèi)HPL 值始終小于I 類進(jìn)近完好性限值（即40m）。圖4 結(jié)果表明，VPL 值始終小于I 類進(jìn)近完好性限值（即10m）。所以HPL 和VPL 能同時滿足I 類進(jìn)近的完好性要求。且用戶定位水平位置誤差小于16m，垂直位置誤差小于4m，誤差值均在規(guī)范要求之內(nèi)。

2.3 連續(xù)性測試

本文提供I 類精密進(jìn)近服務(wù)的GBAS 設(shè)備連續(xù)性測試。該測試項結(jié)合GBAS 設(shè)備可靠性測試周期，進(jìn)行8 個月GBAS 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及VBD 輸出數(shù)據(jù)記錄，并進(jìn)行系統(tǒng)連續(xù)性指標(biāo)分析。通過GBAS 設(shè)備數(shù)據(jù)記錄功能，以14 天為一個記錄周期對上海浦東國際機(jī)場GBAS 設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄（14 天為系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)保存周期）。

經(jīng)測試，統(tǒng)計得系統(tǒng)連續(xù)性不低于1-8.0×10-6/15sec，符合技術(shù)規(guī)范要求，通過分析具體數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)連續(xù)性達(dá)99.98%。

2.4 地面?zhèn)尉嗖淮_定性測試

本項測試通過GBAS 設(shè)備數(shù)據(jù)記錄功能，持續(xù)記錄14 天上海浦東國際機(jī)場GBAS 設(shè)備廣播的VDB 數(shù)據(jù)類型1 電文，分析類型1 電文中DCP 產(chǎn)生的Sigma 監(jiān)測數(shù)據(jù)；分析記錄的數(shù)據(jù)，繪制每部參考接收機(jī)的不同Sigma 事件的分布情況；將結(jié)果與廠家設(shè)定的設(shè)備性能基線值進(jìn)行比較，判斷實(shí)際設(shè)備是否能夠達(dá)到標(biāo)稱性能。

圖5 結(jié)果表明， 將Sigma 事件監(jiān)測數(shù)據(jù)與廠家設(shè)定的設(shè)備性能基線值進(jìn)行比較，可以判斷實(shí)際設(shè)備可以達(dá)到標(biāo)稱性能。

2.5 數(shù)據(jù)內(nèi)容測試

GBAS 設(shè)備地面功能測試的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括VDB 消息的類型1、類型2 和類型4 電文[5]。

通過GBAS 設(shè)備數(shù)據(jù)記錄功能，采集上海浦東國際機(jī)場GBAS設(shè)備的雙通道VDB 廣播數(shù)據(jù)，并解析類型1、類型2 電文的各項字段參數(shù)與GBAS 發(fā)射的數(shù)據(jù)對比。解析結(jié)果表明，類型1、類型2 電文的各項字段，滿足文件8071 表格II-4-3 檢測類型1 和2 電文的參數(shù)。

對于類型4 電文的測試，在GBAS 設(shè)備中改變進(jìn)近路徑，檢查接收到的類型4 電文的相關(guān)字段數(shù)據(jù)是否與改變后期望進(jìn)近路徑一致。數(shù)據(jù)解析結(jié)果表明，GBAS 設(shè)備中改變進(jìn)近路徑，類型4 電文的相關(guān)字段數(shù)據(jù)與改變后期望進(jìn)近路徑保持一致，且類型4 電文的各項字段，滿足文件8071 表格II-4-3 檢測類型4 電文的參數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過分析GBAS 地面功能測試相關(guān)參數(shù)的測試方法，重點(diǎn)介紹了GBAS 作為I 類精密進(jìn)近引導(dǎo)時所必須滿足的五方面功能需求，并利用上海浦東國際機(jī)場GBAS 設(shè)備實(shí)際接收數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試驗證。測試驗證結(jié)果表明，上海浦東國際機(jī)場試運(yùn)行的SLS-4000型GBAS 設(shè)備滿足中國民航《民用航空地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)地面設(shè)備技術(shù)要求—I 類精密進(jìn)近》和ICAO 規(guī)定的最低地面測試要求。對于GBAS 正式在我國投入運(yùn)營不僅限于本文所涉及的五方面功能測試，仍需要更多方面、更全面的測試和驗證。通過本文提供的上海國際機(jī)場GBAS 地面功能測試分析，能夠進(jìn)一步為GBAS 在我國民用機(jī)場的推廣和應(yīng)用提供寶貴的經(jīng)驗。