淺談地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）地面站選址

申 朋 劉繼軍 翟文鵬

（1.民航機(jī)場規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司西北分公司，陜西西安 710075；2.民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)西北設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710075；3.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300）

隨著民用航空在全世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，航空運(yùn)輸對安全、容量和效率的要求越來越高。國際民航組織頒布的《全球空中航行計劃》（GANP，Doc9750）中提出，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的終端區(qū)靈活引導(dǎo)和基于性能的引導(dǎo)，陸基導(dǎo)航逐漸向星基導(dǎo)航過渡，星基導(dǎo)航將成為未來主要的導(dǎo)航技術(shù)手段[1]。

為了實現(xiàn)導(dǎo)航所需性能，國際民航組織提供三種類型的增強(qiáng)系統(tǒng)，包括機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)（ABAS，Aircraft Based Augmentation System）、地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS，Ground Based Augmentation System）、星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS，Satellite Based Augmentation System）?！睹裼煤娇諏?dǎo)航技術(shù)應(yīng)用政策》（AC-115-TM-2015-03）中提到，我國將穩(wěn)步推進(jìn)從陸基導(dǎo)航向星基導(dǎo)航的過渡，在大型樞紐機(jī)場建設(shè)I類GBAS。GBAS的應(yīng)用是星基導(dǎo)航在機(jī)場進(jìn)近、著陸階段的重要技術(shù)支撐，可以支持飛機(jī)從跑道任意一端降落，提供飛機(jī)并行進(jìn)近、曲線進(jìn)近等更多線路進(jìn)港，有利于緩解空域擁堵，提升機(jī)場吞吐能力，提高航班準(zhǔn)點率。

1 地基增強(qiáng)系統(tǒng)簡介

GBAS可以對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行差分定位和完好性監(jiān)視，具有極高的導(dǎo)航精度、完好性、可用性和連續(xù)性，可以為機(jī)場覆蓋空域范圍內(nèi)的航空用戶提供導(dǎo)航、精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)服務(wù)[2]。

GBAS結(jié)構(gòu)和組成如圖1所示。

圖1 GBAS結(jié)構(gòu)和組成

GBAS由空間系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和航空器組成?？臻g系統(tǒng)由一個或多個衛(wèi)星導(dǎo)航星座構(gòu)成，地面系統(tǒng)安裝于機(jī)場內(nèi)或機(jī)場附近，直接從地基發(fā)射機(jī)向航空器發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信息，裝備相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的航空器可以獲得Ⅰ類精密進(jìn)近甚至更高等級的進(jìn)近導(dǎo)航服務(wù)。

地面系統(tǒng)作為GBAS最重要的組成部分，主要包括基準(zhǔn)接收子系統(tǒng)、地面處理子系統(tǒng)、甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VDB）子系統(tǒng)、位置域監(jiān)測子系統(tǒng)以及監(jiān)控維護(hù)子系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)接收子系統(tǒng)通常由4臺GNSS接收機(jī)和定位天線組成，主要為接收到的衛(wèi)星信號提供偽距測量并檢測衛(wèi)星的工作狀態(tài)，向地面處理子系統(tǒng)提供相關(guān)原始定位數(shù)據(jù)；地面處理子系統(tǒng)接收來自基準(zhǔn)接收子系統(tǒng)帶有時間標(biāo)記的衛(wèi)星原始測量信息，生成衛(wèi)星定位差分改正信息、差分基準(zhǔn)點數(shù)據(jù)、進(jìn)近航段數(shù)據(jù)的電文，將電文提供給VDB子系統(tǒng)；VDB子系統(tǒng)將上述電文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用于傳輸?shù)胶娇掌鞯纳漕l信號，為進(jìn)近的航空器提供空間信息；位置域監(jiān)控子系統(tǒng)用于檢測VDB子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)和GBAS系統(tǒng)的完好性，將檢測結(jié)果傳輸至地面處理子系統(tǒng)、監(jiān)控維護(hù)子系統(tǒng)，完成對增強(qiáng)信號的閉環(huán)監(jiān)測；監(jiān)控維護(hù)子系統(tǒng)可以檢測GBAS各地面設(shè)備的工作狀態(tài)，對系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2 GBAS地面站選址

進(jìn)行GBAS地面系統(tǒng)整體設(shè)計時，需要合理地選擇各地面站的位置。針對單跑道機(jī)場，機(jī)場整體環(huán)境相對簡單，只需根據(jù)《民用航空導(dǎo)航臺（站）設(shè)置場地規(guī)范》（試行）（以下簡稱《場地規(guī)范》）中的相關(guān)要求，在飛行區(qū)選擇合適的場地位置，綜合考慮機(jī)場凈空、天線附近障礙物、飛機(jī)尾流直接噴射情況、供電、通信以及整體建臺費(fèi)用等因素；針對多跑道機(jī)場，機(jī)場整體環(huán)境比較復(fù)雜，除了結(jié)合機(jī)場總體規(guī)劃和布局，還需要根據(jù)機(jī)場的實際情況，進(jìn)行針對性地分析。以國內(nèi)某大型樞紐機(jī)場為例，探討如何進(jìn)行GBAS地面站選址。

2.1 機(jī)場簡介

某大型樞紐機(jī)場有南北兩個飛行區(qū)，近期規(guī)劃4條跑道（2組近距），從北向南分別為N2跑道（3 800 m×45 m）、N1跑道（3 800 m×45 m）、S1跑道（3 800 m×60 m）、S2跑道（3 000 m×45 m）。N1、N2跑道飛行區(qū)指標(biāo)為4E，跑道間距為413.5 m；S1、S2跑道飛行區(qū)指標(biāo)為4F，跑道間距為380 m；N1與S1跑道之間間距為2 290 m，航站區(qū)位于南、北飛行區(qū)之間。

某機(jī)場跑道布局如圖2所示。

圖2 某機(jī)場跑道布局

根據(jù)空域和飛行程序及管制運(yùn)行需求，該機(jī)場設(shè)有儀表著陸系統(tǒng)ILS（Instrument Landing System），還需要建設(shè)1套Ⅰ類GBAS，作為ILS系統(tǒng)的備份系統(tǒng)。

2.2 GBAS地面站選址

（1）基準(zhǔn)接收站。

根據(jù)《場地規(guī)范》要求，基準(zhǔn)接收子系統(tǒng)通常由多個基準(zhǔn)接收站組成，幾何中心距最低決斷高度位置的水平距離通常不超過6 km。

單跑道機(jī)場只需要將基準(zhǔn)接收站設(shè)在飛行區(qū)內(nèi)，基本能滿足基準(zhǔn)接收站的幾何中心距離的要求。但該機(jī)場存在4條跑道，需要確定每條跑道決斷高度的位置。

決斷高度指按精密進(jìn)近著陸程序進(jìn)近時，飛機(jī)駕駛員對飛機(jī)繼續(xù)進(jìn)近或復(fù)飛做出決斷的最低限定高度，Ⅰ類決斷高度為60 m（以跑道入口標(biāo)高為基準(zhǔn)）。正常情況下，飛機(jī)以3°標(biāo)準(zhǔn)下滑角進(jìn)行進(jìn)近，飛機(jī)在跑道入口時高度為15 m，計算跑道決斷高度位置距跑道入口的距離L。

計算得，L=858.65 m，向上取整為860 m。

基準(zhǔn)接收站選址范如圖3所示。

圖3 基準(zhǔn)接收站選址范

以每條跑道2個方向飛機(jī)達(dá)到?jīng)Q斷高度時的水平位置為圓心（圖3中8個圓點位置），半徑6 km畫圓，得到8個半徑為6 km的圓重疊后的不規(guī)則封閉圖形（圖3中6 km范圍界限），基準(zhǔn)接收站應(yīng)設(shè)置在該封閉區(qū)域內(nèi)。結(jié)合機(jī)場總體規(guī)劃布局以及飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定要求，機(jī)場范圍能夠滿足基準(zhǔn)接收站位置設(shè)置要求的區(qū)域，為圖3中N2跑道北側(cè)以及S2跑道南側(cè)斜條紋陰影區(qū)域。

根據(jù)《場地規(guī)范》對基準(zhǔn)接收天線的具體要求，基準(zhǔn)接收天線底部高度通常為1～4 m，天線位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離跑道中心線延長線（不少于75 m）。配置3部及以上基準(zhǔn)接收機(jī)時，相鄰基準(zhǔn)接收天線的間距不應(yīng)小于50 m。所有基準(zhǔn)接收天線不應(yīng)在一條直線上，任意兩個基準(zhǔn)接收天線不宜與滑行道、柵欄、大型障礙物等平行或等距設(shè)置。

結(jié)合可選區(qū)域通信、供電條件以及機(jī)場的遠(yuǎn)期發(fā)展，本次將基準(zhǔn)接收站設(shè)在N2跑道北側(cè)靠近西GP/DEM臺位置。

基準(zhǔn)接收站位置如圖4所示。

圖4 基準(zhǔn)接收站位置

（2）VDB發(fā)射站。

VDB天線選址范圍如圖5所示。

圖5 VDB天線選址范圍

根據(jù)《場地規(guī)范》要求，VDB天線距所服務(wù)跑道入口的水平距離不超過5.6 km。針對單跑道機(jī)場，VDB發(fā)射站位置選址較為簡單，只要在機(jī)場范圍內(nèi)基本都能滿足5.6 km的要求，結(jié)合規(guī)范中對通視、覆蓋等要求，設(shè)在航站區(qū)較高的建筑物屋面或設(shè)在飛行區(qū)內(nèi)都可以滿足要求。針對多跑道機(jī)場或跑道構(gòu)型不規(guī)則的機(jī)場，航站區(qū)環(huán)境比較復(fù)雜，為了滿足規(guī)范要求，需要采用增加VDB擴(kuò)展站的方式解決。

根據(jù)該機(jī)場的具體環(huán)境分析VDB發(fā)射站的選址，以該機(jī)場每條跑道入口為圓心，半徑5.6 km畫圓，得到8個半徑為5.6 km的圓重疊后的不規(guī)則封閉圖形，VDB發(fā)射站應(yīng)設(shè)置在該封閉區(qū)域內(nèi)。根據(jù)《場地規(guī)范》中對VDB天線覆蓋區(qū)的要求，確定VDB發(fā)射站位置。

機(jī)場航站區(qū)位于南、北飛行區(qū)之間，應(yīng)考慮將VDB發(fā)射站天線設(shè)在機(jī)場航站區(qū)，結(jié)合通信、供電保障條件，首選機(jī)場最高點，即塔臺作為天線安裝地點，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，塔臺屋面無VDB天線安裝位置。嘗試將天線安裝在航站區(qū)其他建筑物上，通過分析發(fā)現(xiàn)，天線安裝在航站區(qū)其他建筑物時，容易受航站樓遮擋，無法滿足天線與每條跑道最低決斷高度位置通視的要求。經(jīng)過綜合分析比較，擬采用VDB主站+VDB擴(kuò)展站的方式，將VDB主站設(shè)在北飛行區(qū)，用于N1、N2跑道進(jìn)近服務(wù)；將VDB擴(kuò)展站設(shè)在南飛行區(qū)，用于S1、S2跑道進(jìn)近服務(wù)；可以解決航站區(qū)建筑物遮擋及覆蓋的問題。

建立該機(jī)場航站區(qū)建筑物模型，利用美國SKYLINE軟件對VDB天線信號覆蓋進(jìn)行模擬分析，用于檢驗信號覆蓋的可行性。

VDB主站天線信號覆蓋情況如圖6所示。

圖6 VDB主站天線信號覆蓋情況

在北飛行區(qū)設(shè)置VDB發(fā)射站時，北飛行區(qū)N1、N2跑道4個方向信號覆蓋良好；南飛行區(qū)S1、S2跑道4個方向受到障礙物（主要為航站樓）遮擋，跑道兩端進(jìn)近航線上有大面積的信號屏蔽區(qū)，無法滿足VDB天線與S1、S2跑道最低決斷高度位置通視的要求。

VDB擴(kuò)展站天線信號覆蓋情況如圖7所示。

圖7 VDB擴(kuò)展站天線信號覆蓋情況

在南飛行區(qū)設(shè)置VDB發(fā)射站時，南飛行區(qū)S1、S2跑道4個方向信號覆蓋良好；北飛行區(qū)N1、N2跑道4個方向受到障礙物（主要為航站樓）遮擋，跑道兩端進(jìn)近航線上有大面積的信號屏蔽區(qū)，無法滿足VDB天線與N1、N2跑道最低決斷高度位置通視的要求。

VDB主站+擴(kuò)展站天線信號覆蓋情況如圖8所示。

圖8 VDB主站+擴(kuò)展站天線信號覆蓋情況

在VDB主站+擴(kuò)展站天線雙重覆蓋條件下，4條跑道兩端信號覆蓋情況良好，各方向進(jìn)近過程中五邊區(qū)域信號覆蓋良好，滿足飛行程序使用要求。

結(jié)合通信、供電保障等級，VDB主站設(shè)在北飛行區(qū)N2跑道西GP/DME臺北側(cè)，VDB擴(kuò)展站設(shè)在南飛行區(qū)S2跑道東GP/DME臺西側(cè)。

GBAS各地面站平面位置如圖9所示。

圖9 GBAS各地面站平面位置

3 結(jié)語

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和航空電子系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)發(fā)展，星基導(dǎo)航勢必逐步取代陸基導(dǎo)航。文章分析的案例是國內(nèi)首例民航局正式批復(fù)的GBAS項目，標(biāo)志著我國陸基導(dǎo)航逐漸向星基導(dǎo)航過渡進(jìn)入具體實施階段，民航局將陸續(xù)推進(jìn)更多的大型樞紐機(jī)場建設(shè)Ⅰ類GBAS。目前，在GBAS建設(shè)中，結(jié)合機(jī)場的實際環(huán)境，在滿足規(guī)范要求的前提下進(jìn)行基準(zhǔn)接收站、VDB發(fā)射站選址仍是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。