張也

摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）是一種典型的GNSS增強(qiáng)技術(shù)，本文介紹了GBAS技術(shù)的基本原理，對(duì)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(shì)，并論述了GBAS技術(shù)在中國(guó)民航的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)應(yīng)用需解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：GBAS;GNSS;衛(wèi)星導(dǎo)航;北斗

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

0 引言

隨著未來(lái)航空應(yīng)用需求的日益增長(zhǎng)，現(xiàn)行航行系統(tǒng)已無(wú)法滿足未來(lái)航空運(yùn)輸中對(duì)的安全、容量和效率的要求。國(guó)際民航組織頒布的《全球空中航行計(jì)劃》（Doc9750號(hào)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(guò)渡，星基導(dǎo)航將成為未來(lái)導(dǎo)航的主要技術(shù)手段。

GNSS作為未來(lái)民航運(yùn)行的主要導(dǎo)航手段，已進(jìn)入快速發(fā)展和應(yīng)用實(shí)施階段。GNSS通過(guò)導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可為飛機(jī)提供全球覆蓋的定位和定時(shí)數(shù)據(jù)，具有提高空域利用率、飛行靈活性、運(yùn)行安全性等優(yōu)勢(shì)。GNSS包括三大主要部分：一是衛(wèi)星星座，包括美國(guó)的GPS（Global Positioning System）、俄羅斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、中國(guó)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(qiáng)系統(tǒng)，是為提升民航運(yùn)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(qiáng)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn);三是機(jī)載接收機(jī)。本文所涉及的地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）技術(shù)正是一種典型的增強(qiáng)技術(shù)，是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在機(jī)場(chǎng)進(jìn)近、著陸階段應(yīng)用的重要支撐。

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

1.1 GBAS技術(shù)簡(jiǎn)介

GBAS對(duì)GNSS進(jìn)行差分定位和完好性監(jiān)視，可為配置相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的航空用戶提供安裝了GBAS地面設(shè)備的機(jī)場(chǎng)終端區(qū)覆蓋空域約23海里半徑范圍內(nèi)導(dǎo)航、精密進(jìn)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(lái)甚至是CAT-II/III類精密進(jìn)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(jī)載部分和空間部分。GBAS地面設(shè)備通常由位于機(jī)場(chǎng)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(jī)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(hù)，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(jì)算GPS差分修正，監(jiān)測(cè)GBAS正常運(yùn)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(jī)、VDB接收機(jī)以及VDB天線，為進(jìn)近的飛機(jī)提供空間信號(hào)。

GBAS機(jī)載設(shè)備包括VDB天線、機(jī)載接收機(jī)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(jī)載設(shè)備與使用儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備進(jìn)行融合，這種可通過(guò)操作面板選擇不同著陸系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備稱為多模接收機(jī)（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(jī)接受GNSS發(fā)出的信號(hào)，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(qiáng)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(jī)場(chǎng)塔臺(tái)更新?tīng)顟B(tài)信息，并將差分修正量、GNSS完好性信息、精密進(jìn)近路徑定義數(shù)據(jù)通過(guò)VDB向服務(wù)區(qū)域覆蓋的航空用戶廣播。航空用戶通過(guò)接收到的GBAS廣播數(shù)據(jù)與本機(jī)接收到的GPS信息進(jìn)行差分，實(shí)施精密進(jìn)近和著陸。

GBAS系統(tǒng)利用差分增強(qiáng)技術(shù)，將GNSS定位過(guò)程中影響定位精度的各種因素進(jìn)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(shì)

隨著機(jī)場(chǎng)的迅速擴(kuò)建，預(yù)計(jì)到2020年全國(guó)民航機(jī)場(chǎng)將達(dá)到244個(gè)，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(yùn)行效率低，且工作頻道只有40個(gè)，對(duì)地理上數(shù)量密集的機(jī)場(chǎng)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(wú)法滿足運(yùn)行需求。同時(shí)，由于ILS依靠地面反射形成下滑道，對(duì)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(jī)場(chǎng)將越來(lái)越多，故對(duì)場(chǎng)地要求條件高、費(fèi)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(diǎn)：可減少進(jìn)近、著陸的危險(xiǎn)和敏感區(qū)域;可提供高精度定位服務(wù)，支持RNAV運(yùn)行;可為同一個(gè)機(jī)場(chǎng)多條跑道提供服務(wù);提供多個(gè)進(jìn)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(jìn)近;可為鄰近機(jī)場(chǎng)提供服務(wù);對(duì)地面站點(diǎn)場(chǎng)地要求較低等[4]。ILS與GLS的性能對(duì)比如表1所示。

2 GBAS技術(shù)在中國(guó)民航的應(yīng)用

2.1 GBAS在中國(guó)民航的發(fā)展與審定

我國(guó)正在積極應(yīng)用和發(fā)展GBAS系統(tǒng)。美國(guó)霍尼韋爾（Honeywell）公司的SLS-4000型GBAS設(shè)備已安裝在上海浦東機(jī)場(chǎng)，并于2015年3月20日利用空客A321在浦東機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了地基增強(qiáng)著陸系統(tǒng)（GLS）的演示驗(yàn)證。

2015年4月26日到29日，中國(guó)電子科技集團(tuán)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?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)開展了演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不僅驗(yàn)證了支持現(xiàn)有基于GPS的GBAS著陸引導(dǎo)能力，還驗(yàn)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(guó)際民航組織提出的航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（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(yùn)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(yùn)行驗(yàn)證委員會(huì)的通知》，成立GBAS合格審定與運(yùn)行驗(yàn)證委員會(huì)，以積極穩(wěn)妥推進(jìn)GBAS在中國(guó)民航的驗(yàn)證與應(yīng)用。同時(shí)，為推進(jìn)GBAS技術(shù)驗(yàn)證應(yīng)用，民航局批準(zhǔn)兩項(xiàng)重大標(biāo)準(zhǔn)GBAS設(shè)備技術(shù)要求和測(cè)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(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）地面設(shè)備技術(shù)要求——I類精密進(jìn)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(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）地面設(shè)備測(cè)試方法——I類精密進(jìn)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(shí)使用許可證申請(qǐng)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(shí)使用許可證申請(qǐng)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(cè)試、運(yùn)行環(huán)境測(cè)試、飛行測(cè)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(duì)GBAS地面設(shè)備的一般性資料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料和補(bǔ)充技術(shù)資料的審核。

（2）工廠技術(shù)審核主要包括對(duì)公司的質(zhì)量管理體系、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)、生產(chǎn)和測(cè)試、與顧客有關(guān)的要求、采購(gòu)與驗(yàn)證等方面的現(xiàn)場(chǎng)審核，以及與FAA比對(duì)GBAS審定流程、確認(rèn)紐瓦克機(jī)場(chǎng)GBAS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況等工作。

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

（4）運(yùn)行環(huán)境測(cè)試要求指GBAS地面設(shè)備在滿足中國(guó)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(yùn)行，對(duì)其開展的可用性、可靠性、穩(wěn)定性、安全性、空間信號(hào)等測(cè)試。

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

歷時(shí)三年多，通過(guò)設(shè)備生產(chǎn)廠家、中國(guó)民航局、合格審定機(jī)構(gòu)、測(cè)試機(jī)構(gòu)等各單位的努力，2019年3月，中國(guó)民航順利完成美國(guó)霍尼韋爾公司SLS-4000型GBAS地面設(shè)備和中國(guó)電子科技集團(tuán)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(yàn)證工作，驗(yàn)證通過(guò)后，GBAS地面設(shè)備才能獲得在中國(guó)民航的使用許可。

2.2 GBAS技術(shù)在中國(guó)民航應(yīng)用所面臨的問(wèn)題

由于GBAS是應(yīng)用在進(jìn)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(xiàng)新技術(shù)，在中國(guó)民航的應(yīng)用中仍面臨著諸多的問(wèn)題。

第一，我國(guó)GBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善。GBAS作為一項(xiàng)新的技術(shù)和運(yùn)行模式，需要全面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支撐。在國(guó)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(duì)比較全面的明確了GBAS的運(yùn)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(yùn)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(chǎng)地規(guī)范;支持系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的校飛標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)規(guī)程;支持飛行程序運(yùn)行的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)等。和國(guó)際相比，我國(guó)在GBAS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上，還存在巨大的差距，這些問(wèn)題不解決，GBAS應(yīng)用推進(jìn)會(huì)受到較大的制約。

第二，中國(guó)區(qū)域的電離層分析工作剛剛起步。電離層會(huì)對(duì)GBAS的完好性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)畸變、不同位置信號(hào)延遲差異等問(wèn)題。雖然美國(guó)對(duì)其研究較為領(lǐng)先，但由于地點(diǎn)和環(huán)境的不同，美國(guó)的研究模型不一定適合中國(guó)電層離的情況。且我國(guó)南方地區(qū)，如廣州、福建，經(jīng)濟(jì)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(duì)進(jìn)行電離層監(jiān)測(cè)，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(jìn)北斗在GBAS的應(yīng)用工作。BDS較GPS存在以下優(yōu)勢(shì)：（1）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)和運(yùn)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(guó)際民航組織GNSS標(biāo)準(zhǔn)框架，且現(xiàn)有運(yùn)行的大型運(yùn)輸機(jī)主要由國(guó)外生產(chǎn)，缺乏相應(yīng)的北斗機(jī)載設(shè)備。故需要持續(xù)推進(jìn)北斗在GBAS的應(yīng)用工作。

3 結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)GBAS新技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用是一項(xiàng)長(zhǎng)期且復(fù)雜的工作，需要空管運(yùn)行單位、民航科研院所、工業(yè)界、機(jī)場(chǎng)、航空公司、局方等各單位的共同合作，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，共同推動(dòng)GBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。同時(shí)，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(guó)區(qū)域內(nèi)中、高緯度地區(qū)GBAS通用模型的驗(yàn)證工作，以推動(dòng)中國(guó)區(qū)域內(nèi)低緯度地區(qū)，GBAS電離層監(jiān)測(cè)、模型建立、驗(yàn)證等工作。相信在不久的將來(lái)，中國(guó)民航對(duì)GBAS的應(yīng)用將以提升安全水平、運(yùn)行效率和投資效益為核心，獲得更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

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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