胡耀坤

地基增強系統(tǒng)（GBAS）站址評估分析

胡耀坤

（中電科星河北斗技術（西安）有限公司，西安 710068）

GBAS在通過差分定位提高衛(wèi)星導航精度的基礎上，增加了一系列完好性處理算法，使機場覆蓋空域范圍內(nèi)的配置相應機載設備的飛機獲得到達I類精密進近（CAT-I）甚至更高標準的精密進近、著陸引導服務。GBAS在建設規(guī)劃階段，站址評估是確定運行GBAS性能的重要手段。主要介紹了GBAS系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理，重點介紹了GBAS站址評估方法，并以某機場實測數(shù)據(jù)為例進行了GBAS站址評估，為后續(xù)GBAS投入應用提供了技術基礎。

地基增強系統(tǒng)；選址；性能分析

0 引言

民用航空地基增強系統(tǒng)（Ground-Based Augmentation Systems，GBAS）是一種應用機場終端區(qū)范圍內(nèi)，為飛機提供精密進近著陸服務的導航設備，也是一種基于衛(wèi)星導航的飛機起降引導系統(tǒng)。GBAS是國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出的航空系統(tǒng)組塊升級[1]（Aviation System Block Upgrade，ASBU）計劃中的核心導航技術之一。GBAS利用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）播發(fā)的導航信號，經(jīng)過地面數(shù)據(jù)處理設備進行一系列完好性處理，生成更安全、更可靠、更精確的引導信息，從而引導飛機精確進場和著陸。GBAS是一種全新的精密進近著陸引導方式。隨著各國衛(wèi)星導航著陸技術的發(fā)展，現(xiàn)已陸續(xù)實現(xiàn)支持CAT-I精密進近的著陸引導能力，技術已相對成熟，相關的標準已經(jīng)發(fā)布。

2017年～2018年，中國民航局發(fā)布了I類GBAS地面設備技術要求[2]以及GBAS相關的測試方法[3]。為進一步深化航行新技術發(fā)展與應用工作，積極推進國產(chǎn)GBAS 設備的民航應用，民航局發(fā)布了《衛(wèi)星導航地基增強系統(tǒng)開放與運行管理實施細則（草案）》以及GBAS臺（站）設置場地規(guī)范[4,5]，推動GBAS設備投產(chǎn)開放工作。

1 GBAS地面設備組成與原理

GBAS地面設備主要由基準接收子系統(tǒng)、地面處理子系統(tǒng)、甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VHF Data Broadcast，VDB）子系統(tǒng)、位置域監(jiān)測子系統(tǒng)和監(jiān)控維護子系統(tǒng)等組成。根據(jù)安裝地點和安裝方式的不同分為主站、VDB站和位置域監(jiān)測站。主站包含基準接收子系統(tǒng)、地面處理子系統(tǒng)、VDB子系統(tǒng)；VDB站包含VDB子系統(tǒng)，可以與主站合裝，也可以獨立安裝，最多支持4套VDB子系統(tǒng)；位置域監(jiān)測站包含位置域監(jiān)測子系統(tǒng)。典型的GBAS地面設備在機場布局如圖1所示。

圖1 GNSS地基增強系統(tǒng)示意圖

2 GBAS站址評估

根據(jù)《衛(wèi)星導航地基增強系統(tǒng)開放與運行管理實施細則（草案）》的規(guī)定，GBAS設備在選址階段應著重考慮以下因素：機場所處緯度區(qū)域、GNSS信號質量、電離層活動水平和機場總體規(guī)劃等。為了保證GBAS站址的合理性，還需要對擬建GBAS進行站址實測驗證與評估分析，評估分析內(nèi)容一般包括：

1）機場區(qū)域可見衛(wèi)星數(shù)量至少保持4顆；

2）衛(wèi)星載噪比值應高于計算門限曲線值；

3）參照MH/T 4045-2017標準機場跑道入口點及距離跑道入口20 n mile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；

具體的分析方法包括：

（1）可見星數(shù)量分析

設置GNSS基準接收機觀測衛(wèi)星仰角大于5°，連續(xù)記錄起過72 h的觀測數(shù)據(jù)，GPS衛(wèi)星軌道周期為11時58分，連續(xù)24 h觀測數(shù)據(jù)能夠代表該地區(qū)GPS典型情況，因此選取連續(xù)24 h記錄數(shù)據(jù)，分析GNSS基準接收機可見星數(shù)量是否能夠滿足定位要求（收星數(shù)大于4顆）。

（2）載噪比分析

設置GNSS基準接收機觀測衛(wèi)星仰角大于5°，選取連續(xù)記錄的24 h觀測數(shù)據(jù)，分析GNSS基準接收機輸出的載噪比數(shù)值與仰角的關系，并與GBAS地面站載噪比門限比較，得出載噪比分析結果。

載噪比門限可以通過理論的方法確定，但在大部分情況下，理論模型的概率密度函數(shù)很難精確到2～3個標準差的范圍內(nèi)。另外，從常態(tài)測試收集的數(shù)據(jù)中統(tǒng)計出的概率密度曲線同已知的統(tǒng)計分布不是特別相近。沒有測試統(tǒng)計量的可分析概率密度模型（Probability Density Function，PDF），則很難確定特定誤警率情況下的閾值。

要解決這些問題，通常做法是從能夠包絡實際分布尾部的高斯分布中計算中極限值。一般都假設測量值誤差是高斯分布的。

（3）GBAS服務可用性評估

用戶的機載接收機收到地面廣播的數(shù)據(jù)后可用它計算出標準化的完好性結果。由此通過GBAS，用戶得到保證了完好性的進近航路導航。隨后用戶可以使用修正的GNSS測量結果來計算類似于儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）提供的相對于理想航徑的偏離量，用以對飛行員提供引導。機載的完好性監(jiān)測應首先通過收到的完好性參數(shù)計算出保護級，然后將算得的保護級與告警門限進行比較。在GAST-C中，飛機處于60 m決斷高度的水平和垂直告警門限分別是40 m和10 m。在任何時候，如果保護級超出了告警門限，就需要標記計算出的偏離量并將進近設置為不可用。

斯坦福圖表征了垂直定位誤差（Vertical Protection Error，VPE）、水平定位誤差（Horizontal Protection Error，HPE）與垂直保護級（Vertical Protection Level，VPL）和水平保護級（Horizontal Protection Level，HPL）的關系，完好性可以從斯坦福圖中直觀看到，當測量值落在斯坦福圖中的危險誤導信息（Hazardous Misleading Information，HMI）區(qū)域中時就意味著一個完好性事件發(fā)生?？捎眯砸部赏ㄟ^斯坦福圖得到，當測量值落在斯坦福圖的不可用區(qū)域時就意味著GBAS系統(tǒng)不可用。

完好性性能要求HPL以一定的概率（由完好性風險決定，即HMI的出現(xiàn)頻率）對HPE實現(xiàn)包絡；VPL以一定的概率對VPE實現(xiàn)包絡。如果計算的HPE/VPE超出HPL/VPL，則認為出現(xiàn)完好性風險。當GBAS的HMI引起飛機的位置誤差超過告警門限而沒有告警時，則認為出現(xiàn)完好性風險事件。

3 GBAS站址評估結果

以某機場GBAS站址為例，GBAS地面站推薦站址方案分別在主站區(qū)域和位置域監(jiān)測站候選區(qū)域內(nèi)架設接收天線進行GNSS數(shù)據(jù)采集，根據(jù)采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對所選站址方案進行技術分析評估。

3.1 可見星數(shù)量分析

經(jīng)過對采集的數(shù)據(jù)分析，如圖2所示，可見GPS衛(wèi)星數(shù)量7～14顆，其中8顆以上衛(wèi)星數(shù)量占比達到99.11%，收星效果良好，滿足設備運行要求。

圖2 24 h可見衛(wèi)星數(shù)占比分布

3.2 載噪比分析

根據(jù)收星數(shù)分析，機場GBAS主站區(qū)域可見GPS衛(wèi)星數(shù)量7～14顆，通過對GPS衛(wèi)星載噪比的對比分析，載噪比值在29.1～57.9 dB/Hz，均高于門限曲線值，屬于強信號接收，滿足系統(tǒng)運行要求。衛(wèi)星載噪比分析如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星載噪比分析

3.3 GBAS服務可用性評估

經(jīng)對GNSS采集數(shù)據(jù)的分析，VPE和HPE概率分布如圖4所示。95%情況下HPE值為0.579 m，VPE值為0.908 m。均滿足95%情況下HPE值不大于16 m、VPE值不大于4 m的要求。參照MH/T 4045-2017規(guī)范中要求跑道入口點及距離跑道入口20 n mile亦均滿足95%情況下HPE不大于16 m、VPE不大于4m的要求。通過圖5斯坦福圖和表1可得，VPL和HPL無超限情況，可用性100%。綜上所述，該臺站GBAS服務可用性經(jīng)評估分析滿足指標要求。

圖4 垂直誤差和水平誤差概率分布圖

圖5 斯坦福圖

表1 I類GBAS完好性和可用性統(tǒng)計

4 結語

通過以上綜合評估分析，該GBAS站址具備安裝GBAS地面站的條件，符合GBAS系統(tǒng)運行要求，進而為機場實施基于衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GNSS Landing System，GLS）的CAT-I精密進近奠定基礎。GNSS地基增強系統(tǒng)選址和站址預先評估，為我國I類GBAS系統(tǒng)應用與運行規(guī)范的制定，提供了重要的試驗依據(jù)。同時，為后續(xù)工程安裝、調(diào)試和投產(chǎn)運行等提供了有力的支撐條件。GBAS的應用將對提升我國空管設備自動化水平以及國產(chǎn)化水平具有重大意義。

[1] IB-TM-2015-002. 中國民航航空系統(tǒng)組塊升級（ASBU）發(fā)展與實施策略[S]. 信息通告：中國民用航空局空管行業(yè)管理辦公室，2015.01.13.

[2] MH/T 4045-2017. 民用航空地基增強系統(tǒng)（GBAS）地面設備技術要求——I 類精密進近[S]. 北京：中國民用航空局，2017.

[3] MH/T 4051-2018. 民用航空地基增強系統(tǒng)（GBAS）地面設備測試方法——I 類精密進近[S]. 北京：中國民用航空局，2018.

[4] MH/T 4003.1-2021. 民用航空通信導航監(jiān)視臺（站）設置場地規(guī)范第1部分：導航[S]. 北京：中國民用航空局，2021.

[5] AC-85-TM-2020-01. 衛(wèi)星導航地基增強系統(tǒng)開放與運行管理實施細則（試行）[S]. 北京：中國民用航空局， 2020.

Site Assessment and Analysis of Ground Based Augmentation System

HU Yaokun

Based on the improvement of satellite navigation accuracy through differential positioning, GBAS adds a series of integrity processing algorithms to enable aircraft equipped with corresponding airborne equipment within the airspace covered by the airport to obtain precision approach and landing guidance services of CAT-I or even higher standards. In the construction planning stage of GBAS, site assessment is an important method to determine the performance of GBAS. The system composition and working principle of GBAS are introduced, focuses on the GBAS site assessment method, and GBAS site assessment with an airport actual measurement data is conducted as an example, which provides a technical basis for the subsequent application of GBAS.

Ground Based Augmentation System（GBAS）; Sitting; Performance Analysis

TN967

A

1674-7976-(2022)-06-403-05

2022-10-08。

胡耀坤（1984.06—），江西豐城人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為民航衛(wèi)星導航增強技術。