吳德慶

烏魯木齊機場GNSS地基增強I類精密進(jìn)近研究與實現(xiàn)

吳德慶

（民航新疆空中交通管理局，烏魯木齊 830016）

2019年民航局發(fā)布《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》，推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民航應(yīng)用。為研究融合北斗衛(wèi)星的地基增強系統(tǒng)（GBAS）新技術(shù)在烏魯木齊“智慧機場”的應(yīng)用，對GBAS的發(fā)展研究現(xiàn)狀進(jìn)行了說明，論證了烏魯木齊機場GBAS建設(shè)的必要性和可行性，在此基礎(chǔ)上完成了GBAS技術(shù)方案，滿足GNSS地基增強I類精密進(jìn)近的技術(shù)需求，為后續(xù)烏魯木齊機場GBAS的相關(guān)建設(shè)提供了重要的理論依據(jù)。

機場；地基增強系統(tǒng)；I類精密進(jìn)近

0 引言

新疆是我國面積最大的省級行政區(qū)，地域遼闊，位置特殊，航空業(yè)務(wù)有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α豸斈君R國際機場作為“一帶一路”樞紐機場，戰(zhàn)略地位凸顯重要。

烏魯木齊機場周圍地形復(fù)雜，屬于多山地帶，部分山峰海拔在4500 m以上。受周圍高山地形環(huán)境以及附近機場影響，烏魯木齊機場航空器起飛和進(jìn)近飛行空域、航路航線多有限制，現(xiàn)有的陸基著陸系統(tǒng)不能滿足未來民航迅速發(fā)展的安全、容量及效率需要。

2009年10月民航局發(fā)布《中國民航基于性能導(dǎo)航實施路線圖》，闡述GBAS導(dǎo)航系統(tǒng)可以為區(qū)域?qū)Ш剑≧egional Area Navigation，RNAV）和所需導(dǎo)航性能（Required Navigation Performance，RNP）提供有效服務(wù)，并提出近期在部分機場建設(shè)地基增強系統(tǒng)（Ground-Based Augmentation Systems，GBAS），實現(xiàn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)著陸系統(tǒng)（GNSS Landing System，GLS）進(jìn)近，遠(yuǎn)期將適時使用GLS進(jìn)近取代儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）進(jìn)近的工作目標(biāo)。

時隔10年，2019年12月民航局發(fā)布《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》[1]，將推進(jìn)兼容北斗衛(wèi)星的雙頻多星座地基增強系統(tǒng)國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)及建議措施（ICAO SARPs）的修訂列為近期目標(biāo)，遠(yuǎn)期（2025年）建設(shè)部署兼容北斗系統(tǒng)的地基增強系統(tǒng)。

1 地基增強系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

美國、澳大利亞及歐洲多國機場已經(jīng)使用I類GBAS系統(tǒng)?；趩晤l單星座III類GBAS技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)和實驗驗證工作也正在緊鑼密鼓地進(jìn)行。

美國、法國和日本等國家重點推進(jìn)了基于雙頻多星座的GBAS地面和機載設(shè)備研究驗證，削減由電離層頻繁變化造成的定位誤差，提升導(dǎo)航信號的連續(xù)性和可用性。

近些年中國在衛(wèi)星導(dǎo)航的研究及精密進(jìn)近應(yīng)用上成績斐然。中國電科歷經(jīng)近3年半時間， 2019年3月完成I類GBAS產(chǎn)品合格審定，11月完成飛行驗證工作，最終于12月17日取得中國民航頒發(fā)的首張臨時使用許可證。

目前國內(nèi)正在積極研究電離層異常模型監(jiān)測、環(huán)境干擾檢測與減輕、機載多故障綜合監(jiān)測、自動著陸安全引導(dǎo)等技術(shù)，研制基于多星座雙頻的Ⅱ/III類衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強系統(tǒng)。

基于此，新疆空管局籌劃“十四五”期間于烏魯木齊機場建設(shè)融合北斗衛(wèi)星的GBAS系統(tǒng)，驗證、積累多星座GBAS系統(tǒng)的運行標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗。

2 烏魯木齊機場GBAS運行必要性及可行性分析

烏魯木齊機場飛行區(qū)技術(shù)等級指標(biāo)為4E，現(xiàn)有一條長3 600 m、寬45 m的跑道，可滿足B747-400飛機及其以下機型全載起降。

2.1 烏魯木齊機場GBAS建設(shè)必要性

烏魯木齊機場一條跑道如圖1所示，25號方向（主降方向）為Ⅱ類精密進(jìn)近系統(tǒng)，07號方向（次降方向）為Ⅰ類精密進(jìn)近系統(tǒng)。

圖1 烏魯木齊機場衛(wèi)星圖

烏魯木齊機場作為“一帶一路”戰(zhàn)略樞紐，航空業(yè)務(wù)量發(fā)展迅猛。2019年旅客吞吐量已突破了 2 300萬人次，單跑道日高峰606架次，起降 500架次以上已達(dá)157天。

航空業(yè)務(wù)量高速發(fā)展對機場保障能力提出了更高的要求。尤其是烏魯木齊機場冬春季運行常出現(xiàn)大霧、大雪等天氣，機場又只有一條跑道，航班正常運行高度依賴單跑道雙向ILS。期間ILS一旦故障，或因飛行校驗使用甚高頻全向無線電信標(biāo)（VHF Omni-directional Radio-range，VOR）或距離測量設(shè)備（Distance Measuring Equipment，DME）等非精密儀表進(jìn)近，就會因跑道能見度標(biāo)準(zhǔn)不夠發(fā)布流量控制，甚至引發(fā)航班延誤、取消等不正常事件。此外，ILS航道和下滑道保護(hù)區(qū)對場地環(huán)境敏感，夏季除草，冬季清雪，場地環(huán)境要求高，運行維護(hù)難度大。

為保障機場的正常運行，指引航班安全起降，急需建設(shè)一套精密進(jìn)近著陸設(shè)備，與現(xiàn)有ILS相互冗余備份。

國內(nèi)外有些機場，通過單跑道方向建設(shè)兩套ILS來緩解單系統(tǒng)故障風(fēng)險。本文認(rèn)為，此舉增加設(shè)備投入，維護(hù)及定期校驗支出，使原本敏感的飛行區(qū)場地及電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，不如使用基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的GBAS安全、高效。

2.2 烏魯木齊機場GBAS建設(shè)可行性分析

2.2.1 GBAS與傳統(tǒng)著陸系統(tǒng)性能比較

GBAS與ILS比較[2-4]如表1所示。

表1 GBAS與傳統(tǒng)著陸系統(tǒng)性能比較

從表1中可以看到，GBAS精度高，場地要求低，受環(huán)境影響較小，適用于山區(qū)、戈壁等環(huán)境較差的地方，滿足烏魯木齊機場運行條件，具備推廣價值。

2.2.2 GNSS導(dǎo)航條件

中緯度地區(qū)電離層暴可以延伸數(shù)百千米，持續(xù)時間從幾分鐘到幾小時。電離層暴發(fā)生時，會在短距離上產(chǎn)生較大的電離層梯度效應(yīng)，給GNSS信號帶來很大的電離層延遲和顯著的差分定位誤差，威脅飛行安全[5,6]。

按照中國民航局空管局要求[7]，在GBAS前期規(guī)劃階段，需對機場終端區(qū)的電離層總體情況進(jìn)行監(jiān)測和分析，以及評估該地區(qū)電離層活動對GBAS安全運行的影響。

為了評估烏魯木齊機場電離層活動總體水平，利用該地區(qū)架設(shè)的GNSS監(jiān)測站，采集了2021年 1月5日～2021年12月31日，共計348天的GNSS數(shù)據(jù)。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理、分析與仿真評估得到的結(jié)果與結(jié)論如圖2和圖3所示。

圖2 監(jiān)測期內(nèi)電離層梯度變化情況

圖3 監(jiān)測期內(nèi)電離層梯度標(biāo)準(zhǔn)差分時變化情況

監(jiān)測期內(nèi)，電離層梯度值基本保持在100 mm/km以內(nèi)，最大梯度值為148.32 mm/km，未發(fā)現(xiàn)電離層梯度異常情況（梯度值大于200 mm/km）；24小時電離層波動程度方面，在UTC時間3～16時（本地時間11～24時），電離層相對活躍；監(jiān)測期內(nèi)，電離層梯度總體分布服從高斯分布，膨脹后高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差為20.46 mm/km。

為了評估電離層影響下的GBAS地面子系統(tǒng)是否滿足中國民航對GBAS I類精密進(jìn)近安全定義的要求，需評估如表2所示的性能指標(biāo)[8,9]。

表2 中國民航GBAS I類精密進(jìn)近運行指標(biāo)要求

為了仿真評估電離層對GBAS服務(wù)性能的影響，假設(shè)飛機最終決斷點與GBAS主站之間的距離為 3 km，衛(wèi)星仰角掩角為5°。另外，由于飛機進(jìn)近安全對垂直定位誤差（Vertical Position Error，VPE）非常敏感，通常VPE滿足要求時，水平誤差也會滿足要求，因此在準(zhǔn)確性評估時，可只考慮對VPE的評估。

監(jiān)測期內(nèi)，如圖4所示，雖然出現(xiàn)了VPE大于4 m的情況（其中最大值為6.83 m），但并未發(fā)現(xiàn)任何歷元的VPE超過垂直誤差保護(hù)級（Vertical Protection Level，VPL），經(jīng)過計算，如圖5所示，累積概率95%的VPE小于0.706 7 m，滿足I類精密進(jìn)近性能要求；通過統(tǒng)計VPE和VPL的大小關(guān)系，可知：在電離層影響下，落入“可用”區(qū)域的概率為99.941%，沒有任何歷元落入“危險誤引導(dǎo)（Hazardous Misleading Information，HMI）”區(qū)域，如圖6所示，因此完好性為100%。因此，可用性和完好性均滿足中國民航GBAS I類精密進(jìn)近運行指標(biāo)要求。

圖4 監(jiān)測期內(nèi)VPE變化情況

圖5 VPE累積概率曲線

圖6 VPE與VPL關(guān)系圖

監(jiān)測評估結(jié)果表明，烏魯木齊機場區(qū)域電離層活動相對平靜，GBAS設(shè)備滿足中國民航I類精密進(jìn)近運行指標(biāo)要求。由此可見，烏魯木齊機場具備實施GBAS的GNSS導(dǎo)航條件。

3 烏魯木齊機場GBAS技術(shù)方案

系統(tǒng)建設(shè)過程中，重點研究地面設(shè)備的選址規(guī)劃，保障GBAS地面設(shè)備既能與現(xiàn)有機場導(dǎo)航設(shè)備兼容，又能適應(yīng)未來航空發(fā)展要求。

3.1 GBAS場址選擇

按照《民用航空導(dǎo)航臺（站）設(shè)置場地規(guī)范》中的要求[10]，對烏魯木齊機場預(yù)選的GBAS站點進(jìn)行綜合比選。

GBAS選址包括“圖上初選”、“正式站點測量”及“站點綜合分析”三個階段。

經(jīng)綜合比選，將GBAS主站放置在現(xiàn)跑道西側(cè)航向臺機房（25跑道航向臺），基準(zhǔn)接收子系統(tǒng)放置在跑道西側(cè)航向臺附近，位置域監(jiān)測子系統(tǒng)放置在現(xiàn)跑道東側(cè)航向臺（07跑道航向臺）機房（設(shè)備機房之間需具備網(wǎng)絡(luò)通信（光纖環(huán)網(wǎng)）條件）。

3.2 擬選場址概況

擬選場址地形地貌、工程地質(zhì)、凈空及電磁環(huán)境、機房供電、通信等附屬設(shè)施情況如下。

3.2.1 凈空及電磁環(huán)境分析

GBAS主站系統(tǒng)機柜擬放置在現(xiàn)跑道西側(cè)航向臺機房內(nèi)，甚高頻廣播（VHF Data Broadcast，VDB）天線和4個基準(zhǔn)接收天線分別放置在跑道另一側(cè)空地。場內(nèi)障礙物主要是基地航空公司南航機庫及烏魯木齊機場貨運倉庫。但距西下滑臺距離遠(yuǎn)，遮蔽角小于2°，通視情況良好?；鶞?zhǔn)接收天線之間、天線與跑道、滑行道之間距離均滿足技術(shù)要求。

VDB廣播塔通視情況良好，電磁干擾分析報告未發(fā)現(xiàn)電磁干擾，凈空環(huán)境滿足要求。

3.2.2 機房供電、通信等附屬設(shè)施情況

西下滑/測距臺機房面積30 m2，為磚混結(jié)構(gòu)。

采用2路低壓供電，分別引自機場1號箱變和2號箱變，線路長度分別約為300 m和200 m，機房內(nèi)同時配置1套延時4小時的蓄電池作為備用電源。機房至航管樓敷設(shè)有1條光環(huán)網(wǎng)及10對通信電纜。機房采用聯(lián)合接地系統(tǒng)，接地電阻為2.9 Ω，滿足防雷接地要求。

3.3 GBAS地面設(shè)備布局

按照烏魯木齊機場構(gòu)型，GBAS地面設(shè)備部署主要包括4個地面基準(zhǔn)接收機、1個地面處理設(shè)備及對空臺VDB站等。設(shè)備配置如表3所示。

表3 烏魯木齊機場GBAS設(shè)備配置

25號航向臺附近設(shè)置4個地面基準(zhǔn)接收機，負(fù)責(zé)獲得偽距信息和載波相位觀測量值，同時對接收到的導(dǎo)航電文進(jìn)行解碼?；鶞?zhǔn)接收機安裝時要考慮減小多路徑誤差。

GBAS主站計算偽距改正數(shù)以及載波相位的變化量值，并將處理后數(shù)據(jù)傳送到對空VDB臺。對空VDB臺負(fù)責(zé)按一定格式對所有廣播數(shù)據(jù)（包括進(jìn)近數(shù)據(jù)、偽距修正量及導(dǎo)航信號完好性信息）進(jìn)行編碼播報。

結(jié)合遠(yuǎn)期規(guī)劃，考慮到待建烏魯木齊機場二、三跑道導(dǎo)航信號覆蓋，需在二、三跑道間設(shè)置一處擴展VDB站，實現(xiàn)烏魯木齊機場VDB信號全覆蓋。

位置域監(jiān)測子系統(tǒng)放置在現(xiàn)跑道東側(cè)（07號）航向機房，對25跑道入口GNSS精度進(jìn)行監(jiān)測。如圖7所示。

圖7 位置域監(jiān)測子系統(tǒng)選址平面示意圖

GBAS主站設(shè)備同時要對GBAS完好性風(fēng)險進(jìn)行評估：將基準(zhǔn)接收機觀測數(shù)據(jù)，和廣播的改正數(shù)進(jìn)行差分修正計算，與相應(yīng)的垂直告警門限（Vertical Alert Limit，VAL）及側(cè)向告警門限（Lateral Alert Limit，LAL）進(jìn)行比較。如果空間信號超出告警門限，應(yīng)中止導(dǎo)航。

4 結(jié)語

民航局《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》一聲號角，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即將遠(yuǎn)航。“十四五”期間，新疆空管局將攜手烏魯木齊機場，實施融合北斗衛(wèi)星的地基增強系統(tǒng)應(yīng)用驗證工作。下一步，新疆機場集團(tuán)規(guī)劃繼續(xù)在喀納斯、那拉提、巴里坤等復(fù)雜地形機場建設(shè)滿足CAT I的基于多星座的地基增強系統(tǒng)。

同時，新疆空管局將持續(xù)關(guān)注基于雙頻多星座的II/III類地基增強系統(tǒng)技術(shù)研究和示范驗證工作，推進(jìn)II/III類地基增強系統(tǒng)應(yīng)用，進(jìn)一步提升航班運行保障能力。

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Research and Implementation of GNSS Ground-Based Augmentation System in Category-I Precision Approach for Urumqi Airport

WU Deqing

In 2019, the Civil Aviation Administration of China issued the roadmap for the application and implementation of the Beidou satellite navigation system in civil aviation to promote the application of the Beidou satellite navigation system in civil aviation. To study the application of the new technology of ground-based augmentation system (GBAS) integrated with Beidou satellite in Urumqi "smart airport", the development and research status of GBAS is explained, the necessity and feasibility of GBAS construction in Urumqi airport is demonstrated, and the GBAS technical scheme on this basis to meet the technical requirements of GNSS ground-based augmentation system in category-I precision approach is completed. It provides an important theoretical basis for the subsequent construction of Urumqi airport GBAS.

Airport; GBAS; Category-I Precision Approach

V355

A

1674-7976-(2022)-06-408-06

2022-09-02。

吳德慶（1974.09—），新疆烏魯木齊人，碩士，高級工程師，主要研究方向為空管導(dǎo)航、雷達(dá)及相關(guān)空管新技術(shù)規(guī)劃、工程實現(xiàn)及應(yīng)用。