天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)GBAS設(shè)備性能分析

張笑野

天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)GBAS設(shè)備性能分析

張笑野

（中國(guó)民用航空華北地區(qū)空中交通管理局天津分局，天津 300300）

地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）是國(guó)際民航組織（ICAO）發(fā)展的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航著陸引導(dǎo)系統(tǒng)。GBAS通過(guò)地面差分修正、完好性監(jiān)測(cè)等技術(shù)，提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度、完好性、連續(xù)性、可用性的“四性”指標(biāo)，為飛機(jī)提供I類甚至更高等級(jí)精密進(jìn)近著陸引導(dǎo)服務(wù)。簡(jiǎn)要介紹了GBAS系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理，重點(diǎn)分析了天津機(jī)場(chǎng)GBAS設(shè)備運(yùn)行情況，從系統(tǒng)精度、完好性、連續(xù)性、可用性等方面入手，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行性能指標(biāo)，為后續(xù)GBAS投入應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

地基增強(qiáng)系統(tǒng)；驗(yàn)證飛行；精密進(jìn)近；完好性；連續(xù)性；可用性

0 引言

地基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground-Based Augmentation System，GBAS）是一種精確的區(qū)域性的導(dǎo)航系統(tǒng)，主要應(yīng)用于飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的精確著陸。GBAS可以通過(guò)實(shí)時(shí)廣播差分修正信息來(lái)增強(qiáng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的精度來(lái)滿足飛機(jī)精確著陸的要求。

GBAS是國(guó)際民航組織提出的航空系統(tǒng)組塊升級(jí)[1]（Aviation System Blocks Upgrade，ASBU）計(jì)劃中的核心導(dǎo)航技術(shù)之一，是一種全新的精密進(jìn)近著陸引導(dǎo)方式。新系統(tǒng)可以支持飛機(jī)從跑道任意一端降落，并提供飛機(jī)包括并行進(jìn)近、曲線進(jìn)近等更多線路進(jìn)港，緩解空域擁堵，提升機(jī)場(chǎng)吞吐能力，提高航班準(zhǔn)點(diǎn)率。

通過(guò)建立遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展GBAS長(zhǎng)期運(yùn)行性能分析，是保障GBAS運(yùn)行安全的一個(gè)重要手段。通過(guò)評(píng)估，確認(rèn)GBAS地面設(shè)備服務(wù)性能是否滿足衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GBAS Landing System，GLS）運(yùn)行要求。

1 GBAS組成及工作原理

GBAS系統(tǒng)是一種用戶接收機(jī)導(dǎo)航增強(qiáng)信息來(lái)自于地面發(fā)射機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，包括地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備[2]。地面設(shè)備主要通過(guò)甚高頻（Very High Frequency，VHF）數(shù)據(jù)廣播（VHF Data Broadcast，VDB）向機(jī)載設(shè)備發(fā)送偽距修正、GBAS設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)和最后進(jìn)近航段（Final Approach Segment，F(xiàn)AS）數(shù)據(jù)等信息。

GBAS地面設(shè)備主要包括：4臺(tái)基準(zhǔn)接收機(jī)及其配套天線、數(shù)據(jù)處理機(jī)、監(jiān)控設(shè)備、VDB（包括VDB發(fā)射電臺(tái)、VDB接收電臺(tái)）、地面站授時(shí)單元等。VDB接收、發(fā)射電臺(tái)和數(shù)據(jù)處理機(jī)一般采用雙冗余結(jié)構(gòu)[3]。典型的GBAS地面設(shè)備在機(jī)場(chǎng)布局如圖1所示。

圖1 GNSS地基增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖

2 GBAS性能分析與評(píng)估

根據(jù)民航局發(fā)布的《衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)開(kāi)放與運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則（試行）》的規(guī)定，空管運(yùn)行單位應(yīng)建立GBAS設(shè)備遠(yuǎn)端信號(hào)監(jiān)測(cè)能力，用以確認(rèn)GBAS信號(hào)的連續(xù)性和可用性。天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)安裝了中電科西北集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的DH-GEGBAS-LGF-1A型（以下簡(jiǎn)稱LGF-1A型）GBAS設(shè)備，該型設(shè)備專門配置了位置域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施監(jiān)測(cè)和評(píng)估GBAS性能，并提供運(yùn)行的關(guān)聯(lián)校準(zhǔn)。

通過(guò)位置域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，接收GBAS設(shè)備播發(fā)的GBAS電文信息，通過(guò)自身配備的GNSS用戶接收機(jī)，進(jìn)行模擬機(jī)載處理，分析差分定位位置與實(shí)際真實(shí)位置之間的誤差，完成GBAS服務(wù)精度的 評(píng)估[4]。完好性可以從斯坦福圖中直觀看到，當(dāng)測(cè)量值落在斯坦福圖中的危險(xiǎn)誤導(dǎo)信息（Hazardous Misleading Information，HMI）區(qū)域中時(shí)就意味著一個(gè)完好性事件發(fā)生?？捎眯砸部赏ㄟ^(guò)斯坦福圖得到，當(dāng)測(cè)量值落在斯坦福圖的不可用區(qū)域時(shí)就意味著GBAS系統(tǒng)不可用。連續(xù)性比較復(fù)雜，只能通過(guò)事件統(tǒng)計(jì)得到，通常將一個(gè)VDB接收機(jī)連續(xù)3 s接收不到可用的差分修正量的情況定義為一個(gè)不連續(xù)事件。

3 天津?yàn)I海機(jī)場(chǎng)GBAS性能分析

2018年4月，天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)安裝了由中電科西北集團(tuán)有限公司研制的LGF-1A型GBAS地面設(shè)備，于2018年5月18日正式開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)運(yùn)行測(cè)試，本文選擇2021年度天津GBAS運(yùn)行數(shù)據(jù)，以天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)GBAS設(shè)備2021年1月14日至2021年1月27日期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)為典型樣例，分析天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)GBAS地面設(shè)備的運(yùn)行性能。

3.1 定位精度

通常定位精度分析可采用位置域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的定位結(jié)果，與已知的精確位置進(jìn)行比較?？蓪⒂涗浀亩ㄎ唤Y(jié)果進(jìn)行水平方向和垂直方向進(jìn)行分解，然后與已知的精確水平位置、高度位置分別作差，得出水平位置誤差和垂直位置誤差。

提取天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)GBAS設(shè)備位置域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，比較分析定位測(cè)量值與基準(zhǔn)位置的差異，判斷誤差是否滿足95%情況下水平位置誤差不大于16 m、垂直位置誤差不大于4 m的要求。通常位置域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以2次/s的速率輸出定位結(jié)果、水平保護(hù)級(jí)（Horizontal Protection Level，HPL）和垂直保護(hù)級(jí)（Vertical Protection Level，VPL），提取記錄的定位結(jié)果，并與已知的精確位置做比較，得出定位結(jié)果與精確位置的水平位置誤差（Horizontal Protection Error，HPE）和垂直位置誤差（Vertical Protection Error，VPE）。然后統(tǒng)計(jì)水平位置誤差、垂直位置誤差與相應(yīng)的保護(hù)級(jí)之間的關(guān)系，以及定位誤差的分布概率，來(lái)判斷GBAS服務(wù)精度是否滿足指標(biāo)的要求。

水平位置誤差與水平保護(hù)級(jí)結(jié)果如圖2所示。

垂直位置誤差與垂直保護(hù)級(jí)結(jié)果如圖3所示。

水平、垂直位置誤差概率分布圖如圖4及表1~表2所示。

圖2 水平位置誤差與水平保護(hù)級(jí)

圖3 垂直位置誤差與垂直保護(hù)級(jí)

圖4 水平、垂直位置誤差概率分布

表1 保護(hù)級(jí)統(tǒng)計(jì)（單位：m）

表2 定位誤差統(tǒng)計(jì)（單位：m）

2021年1月14日至2021年1月27日，95%情況下水平位置誤差值為0.869 m，垂直位置誤差為1.435 m，均滿足95%情況下水平位置誤差不大于16 m、垂直位置誤差不大于4 m的要求。

3.2 完好性和可用性

完整性事件的定義為：當(dāng)GBAS的HMI引起飛機(jī)的位置誤差超過(guò)告警門限而沒(méi)有告警。如圖5及表3所示，在14日的運(yùn)行過(guò)程中水平保護(hù)級(jí)有0個(gè)歷元超限，可用百分比為100%，垂直保護(hù)級(jí)有0個(gè)歷元超限，可用百分比為100%。通過(guò)分析，該運(yùn)行時(shí)間階段中未出現(xiàn)定位精度超過(guò)門限，未出現(xiàn)HMI引起飛機(jī)的位置誤差超過(guò)保護(hù)級(jí)告警門限。

圖5 斯坦福圖

表3 完好性和可用性統(tǒng)計(jì)（單位：包）

3.3 電文連續(xù)性

系統(tǒng)連續(xù)性是指系統(tǒng)在沒(méi)有計(jì)劃外中斷的情況下能夠持續(xù)保持功能有效的指標(biāo)，GBAS系統(tǒng)的連續(xù)性不小于1-8×10-6/15 s。2021年1月14日至2021年1月27日期間，天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)GBAS設(shè)備位置域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的VDB數(shù)據(jù)連續(xù)性統(tǒng)計(jì)如表4所示。

通過(guò)分析，該運(yùn)行時(shí)間階段中未出現(xiàn)定位精度超過(guò)門限，未出現(xiàn)HMI引起飛機(jī)的位置誤差超過(guò)保護(hù)級(jí)告警門限，在運(yùn)行分析報(bào)告期間內(nèi)，沒(méi)有計(jì)劃外的中斷。

表4 主站VDB數(shù)據(jù)連續(xù)性（單位：包）

4 總結(jié)

從上述分析結(jié)果來(lái)看，GBAS設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、定位準(zhǔn)確性、服務(wù)可用性、服務(wù)完好性和服務(wù)連續(xù)性等各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，GBAS設(shè)備提供的服務(wù)符合現(xiàn)行規(guī)范要求，滿足GLS的要求。

GNSS地基增強(qiáng)系統(tǒng)在天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)的安裝和長(zhǎng)期運(yùn)行，為開(kāi)展基于GLS的開(kāi)放運(yùn)行，提供了有力的支撐條件，對(duì)提升我國(guó)空管設(shè)備自動(dòng)化水平以及國(guó)產(chǎn)化水平有重要的意義。

[1] IB-TM-2015-002. 中國(guó)民航航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBU）發(fā)展與實(shí)施策略[EB/OL]. 信息通告：中國(guó)民用航空局空管行業(yè)管理辦公室，2015.

[2] DO-245A, Minimum Aviation System Performance Standards for The Local Area Augmentation System (LAAS)[S]. Washington D.C.: RTCA, 2004.

[3] MH/T 4045-2017. 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[S]. 北京：中國(guó)民用航空局，2017.

[4] DO-253C, Minimum Operational Performance Standards for GPS LAAS Airborne Equipment[S]. Washington D.C.: RTCA, 2000.

Performance Analysis of GBAS Equipment in Tianjin Binhai International Airport

ZHANG Xiaoye

Ground-Based Augmentation System (GBAS) is a new generation of satellite navigation landing guidance system developed by the International Civil Aviation Organization (ICAO).By means of ground differential correction, integrity monitoring and other technologies, GBAS improves the accuracy, integrity, continuity and availability of the satellite navigation system, and provides CAT I or higher level precision approach and landing guidance services for aircraft. The system composition and working principle of the GBAS is briefly introduced, and focuses on the analysis of the operation of Tianjin Airport GBAS equipment. It evaluates the operating performance index of the equipment from the aspects of system accuracy, integrity, continuity and availability, which provides a technical basis for the subsequent application of GBAS.

Ground-Based Augmentation System; Verify Flight; Precision Approach; Integrity; Continuity; Availability

TN967.1

A

1674-7976-(2021)-06-405-05

2021-05-31。

張笑野（1970.04—），吉林榆樹人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ艑?dǎo)航監(jiān)視。