卫星导航地基增强系统概述

□ 民航局空管局技术中心 李 鹏/文

卫星导航地基增强系统（GBAS）被民航界认为是提高繁忙机场运行效率、保障复杂机场运行安全、解决机场全天候起降和终端区高密度运行难题的关键。能够提供更加精准、灵活和高效的着陆引导服务，已成为国际民航组织积极推进应用、世界主要航空强国及其厂商竞相研制的关键新技术装备，并已逐步投入实际应用。

国外，基于GPS L1 C/A 信号的精密进近着陆技术已基本成熟，支持I类（CAT I）精密进近着陆运行的系统已经在欧美多机场使用。目前，挪威和德国两个国家相关机构率先针对基于单频单星座Ⅲ类GBAS技术进行了产品研发和实验验证工作，但上述系统仅使用单星座单频导航信号，导致卫星几何分布较差，易受电离层风暴影响，系统可用性不足。为此，美国、法国和日本等国家重点推进了基于双频多星座的GBAS地面和机载设备及运行，消减由电离层频繁变化造成的定位误差，以提升导航信号的连续性和可用性。

在国内，I类GBAS产品研发和技术基本成熟，于2019年4月和7月先后两次完成验证飞行活动。验证飞行期间，通过两套录像设备分别记录驾驶舱仪表及机外情况，同时通过专用设备记录机载前舱航电设备的所有相关数据。验证结果表明，国产GBAS设备与机载设备配合良好，能够为航空器提供精密进近引导服务。为了进一步提高卫星导航精密进近着陆引导系统定位精度和完好性，国内团队正在积极研究新信号体制的质量监测、电离层异常模型监测、环境干扰检测与减轻、机载多故障综合监测、自动着陆安全引导等技术，自主研制基于多星座双频的Ⅲ类卫星导航地基增强系统。

全球导航卫星系统（GNSS）在民航飞行的广泛应用是国际民航组织（ICAO）的全球空中航行计划（GANP）的重要组成，其卫星导航地基增强系统，已成为ICAO导航技术的发展方向。根据航空界的发展计划和进程，基于单频单星座信号的Ⅲ类GBAS地面和机载设备及相关运行批准，预期将在2020～2025年期间基本同步完成；基于双频多星座信号的Ⅲ类GBAS地面和机载设备及运行批准将在2030～2035年期间基本同步完成。

系统组成

GBAS通过差分定位提高卫星导航精度的基础上，增加了一系列完好性监视算法，提高系统完好性、可用性、连续性，使机场覆盖空域范围内配置相应机载设备的飞机获得精密进近、着陆引导服务，系统由空间段、地面段和机载段组成，如图1所示。

（一）空间段

空间段由美国GPS、中国BDS、欧洲GALILEO和俄罗斯GLONASS组成，为地面段和机载段提供卫星信号，进行伪距测量。

（二）地面段

GBAS地面段包括基准接收机、地面处理站、甚高频数据广播（VDB）设备等。地面处理站通过结合来自每个参考接收机的测量值生成可见卫星的差分校正值；同时，通过实时监测导航信号本身或者地面站的异常，形成卫星导航系统和本站自身的完好性信息；然后把最后进近航段（FAS）数据、校正值和完好性信息通过VDB播发给机载用户。

（三）机载段

机载段为多模式接收机（MMR）、飞行管理计算机（FMS）和飞行控制与显示设备等。MMR不仅接收来自GNSS的信号，还要接收来自地面站广播的差分改正及完善性信息，处理器对GNSS观测数据进行差分定位计算，

同时确定垂直及水平定位误差保护级。FMS接收MMR计算的修正位置，实现自动引导，并在飞行控制与显示设备上显示相关信息。

技术优势

传统仪表着陆系统（ILS）只能在空间提供单一的一条下滑道，不适应各类型飞机进场着陆的要求，且工作频率低，天线尺寸大，安装调整很不方便。依靠地面反射形成下滑道，对地形环境很敏感，下滑道随季节和气候变化而变化，航道容易弯曲，故要求安装场地非常平整和宽阔。而一套GBAS设备可同时满足多个进近程序的使用需求，且具有设备场地环境要求低、信号稳定、建设和运行成本低、使用灵活等运行优势。具体性能对比如表1。

表1：ILS与GBAS性能对标

存在的问题及解决方法

多星座多频GNSS 可提供更多测距源，有效改善卫星几何分布，可消除电离层导致的差分校正误差，摆脱电离层的影响。从而，双频多星座卫星导航精密进近着陆系统将具备更高的服务可用性，尤其是在低纬度电离层活动剧烈的地区。但双频多星座GNSS 也为卫星导航精密进近着陆系统带来了新的技术挑战，主要体现在：

（1）异质导航误差的动态校正。双频多星座卫星导航信号的使用将星座间的时间和空间基准偏差以及更多的观测噪声引入定位结果中，导致附加差分校正误差。

（2）多元耦合故障的准确监测。双频多星座卫星导航信号的使用将引入更多的故障来源因素，导致完好性风险增加、服务连续性和可用性降低。

（3）按需密集飞行的安全引导。基于卫星导航精密进近着陆系统的高精度导航能力，用户使用基于性能导航（PBN）的飞行方式可以任意选择最优航路飞行，但由于机场环境复杂、用户需求多变、飞行密集会导致碰撞风险增加。

针对上述存在的问题，本文提出以下解决方法，推进双频多星座卫星导航地基增强系统的应用。

（1）双频多星座卫星导航局域差分方法，主要包括：

·精确双频载波平滑滤波方法

评估不同GNSS信号的码伪距和载波相位测量噪声统计特性，分析不同双频载波平滑滤波技术的差分校正残差，从而提出精确双频载波平滑滤波方法，消除电离层误差的影响，并降低平滑滤波器输出噪声。

·多星座导航信号优选定位方法

分析不同几何分布下导航信号时空间基准不同和差分校正残差异质对定位误差的耦合影响，提出多星座异质卫星导航信号的快速优选方法。

·异质导航信号误差包络方法

分析不同卫星导航信号差分校正残差的统计特征，研究基于有限样本残差统计特征的厚尾估计方法，提出不同卫星导航信号的差分校正残差包络方法，用于建立基于仰角的卫星导航信号差分校正精度模型。

（2）双频多星座卫星导航完好性监测方法，主要包括：

·新信号体制的质量监测方法

分析双频多星座卫星导航信号间的相互干扰机理和新体制卫星导航信号的相关峰畸变特征，并建立故障模型，建立新体制卫星导航信号的信噪比异常统计模型，研究对新体制卫星导航信号相互干扰、信噪比异常和相关峰畸变故障监测方法。

·电离层异常模型监测方法

分析电离层活动导致的新体制卫星导航信号码/载波分离特征，建立新体制卫星导航信号码/载波分离故障模型并提出监测方法，研究利用双频卫星导航信号对单频信号电离层异常的辅助监测方法。

·星座故障监测方法

研究多星座卫星导航信号的测距误差统计特征，分析空间信号精度异常的成因、特性及其影响，提出星座主要服务故障模型并评估其导致的运行风险。

（3）Ⅲ类卫星导航精密进近着陆引导方法，主要包括：

·自动着陆安全引导方法

研究Ⅲ类精密进近下滑航径快速生成方法及Ⅲ类精密进近水平和垂直航迹偏差准确计算方法，提出满足Ⅲ类精密进近着陆运行需求的机载导航性能监视与告警方法。

·基于性能导航（PBN）精密进近方法

研究PBN精密进近的垂直引导方法和PBN精密进近飞行程序设计方法，评估PBN精密进近的飞行技术误差和实时飞行性能，提出连续下降运行（CDO）与PBN精密进近的衔接程序。

·终端区高密度灵活运行方法

研究基于地基增强系统的终端区曲线进近方法、基于地基增强系统的终端区连续下降运行方法、基于地基增强系统的平行跑道独立运行方法和基于地基增强系统的终端区4维航迹运行技术，从而提高终端区高密度灵活运行效率。

结语：

从上述分析可看出，卫星导航地基增强系统进近方式灵活，可以减少飞行里程和燃油消耗，并改善噪音；安装灵活且对保护区要求低，可以有效利用机场区域并解决高原机场问题；单站48个进近程序，可增加进近容量并减少导航频率需求。因此，在从传统导航向基于性能的导航（PBN）演变的过程中，卫星导航地基增强系统以其高精度、高可用性和低成本的特点，必将发挥重要的作用。

目前全球导航卫星系统GNSS技术正在从单一服务星座和单一工作频率向双频多星座系统模式过渡，尤其是双频GNSS信号的应用，对于GBAS克服电离层风险并提高Ⅲ类运行性能将十分便利和有效。中国民航应借鉴欧美民航强国的发展实施策略和方法，重点开展基于双频多星座的Ⅲ类GBAS技术研究、标准制定、设备研制和示范验证工作，推进Ⅲ类GBAS应用，提升航班运行保障能力。