论GBAS技术在中国民航的应用

张也

摘要：卫星导航地基增强系统（GBAS）是一种典型的GNSS增强技术，本文介绍了GBAS技术的基本原理，对比了卫星着陆系统（GLS）较传统仪表着陆系统（ILS）的优势，并论述了GBAS技术在中国民航的发展现状及未来应用需解决的问题。

关键词：GBAS;GNSS;卫星导航;北斗

中图分类号：V355 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0063-03

0 引言

随着未来航空应用需求的日益增长，现行航行系统已无法满足未来航空运输中对的安全、容量和效率的要求。国际民航组织颁布的《全球空中航行计划》（Doc9750号文件）提出基于全球卫星导航系统（GNSS）的终端区灵活引导和基于性能的引导，在导航方面路基导航将逐渐向星基导航过渡，星基导航将成为未来导航的主要技术手段。

GNSS作为未来民航运行的主要导航手段，已进入快速发展和应用实施阶段。GNSS通过导航卫星网络可为飞机提供全球覆盖的定位和定时数据，具有提高空域利用率、飞行灵活性、运行安全性等优势。GNSS包括三大主要部分：一是卫星星座，包括美国的GPS（Global Positioning System）、俄罗斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、中国的北斗卫星导航系统BDS（BeiDou Navigation Satellite System）和欧洲的GALILEO（Galileo Satellite Navigation System）;二是增强系统，是为提升民航运行完好性，满足民航应用安全需求而产生的卫星导航增强技术的具体实现;三是机载接收机。本文所涉及的地基增强系统（GBAS）技术正是一种典型的增强技术，是卫星导航技术在机场进近、着陆阶段应用的重要支撑。

1 卫星导航地基增强系统（GBAS）技术原理

1.1 GBAS技术简介

GBAS对GNSS进行差分定位和完好性监视，可为配置相应机载设备的航空用户提供安装了GBAS地面设备的机场终端区覆盖空域约23海里半径范围内导航、精密进近及着陆引导服务。GBAS具有极高的导航精度、完好性、连续性和可用性，可满足CAT-I类，未来甚至是CAT-II/III类精密进近的需求。目前，在有效覆盖范围内的GBAS，其精度在水平和垂直方向均优于1米。

以GPS卫星导航系统为例，GBAS包含地面部分、机载部分和空间部分。GBAS地面设备通常由位于机场的参考接收子系统、地面处理子系统和VHF数据广播（VDB）子系统组成[1]。参考接收子系统通常由4部相同的GNSS参考接收机和全球定位系统天线组成，支持GPS天线及相关电源的浪涌保护，主要为处理子系统提供原始GPS数据。地面处理子系统包含差分修正处理器（DCP），至少可以处理12颗卫星，用于计算GPS差分修正，监测GBAS正常运行，以及确保满足完好性的需求。VDB子系统主要包含VDB发射机、VDB接收机以及VDB天线，为进近的飞机提供空间信号。

GBAS机载设备包括VDB天线、机载接收机和相关的处理设备。目前空管设备生产厂家已将GBAS机载设备与使用仪表着陆系统、微波着陆系统的机载设备进行融合，这种可通过操作面板选择不同着陆系统的机载设备称为多模接收机（MMR）[2]。GBAS系统结构如图1所示。

如图1所示，参考接收机接受GNSS发出的信号，并把数据传送到地面处理站处理。地面处理站处理产生GPS增强信息，包括差分修正量和GNSS完好性信息，并将其格式化。接着地面处理站向机场塔台更新状态信息，并将差分修正量、GNSS完好性信息、精密进近路径定义数据通过VDB向服务区域覆盖的航空用户广播。航空用户通过接收到的GBAS广播数据与本机接收到的GPS信息进行差分，实施精密进近和着陆。

GBAS系统利用差分增强技术，将GNSS定位过程中影响定位精度的各种因素进行修正，从而提高定位精度。GBAS由硬件、软件组成，硬件的处理性能和软件采用的算法，决定系统的整体性能。

1.2 GBAS技术优势

随着机場的迅速扩建，预计到2020年全国民航机场将达到244个，由于一套传统仪表着陆系统（ILS）只能在空间提供单一航径的一条下滑道，运行效率低，且工作频道只有40个，对地理上数量密集的机场造成拥堵，故现有的路基导航系统的数量及导航能力无法满足运行需求。同时，由于ILS依靠地面反射形成下滑道，对地形要求较高，且受环境影响大，而地形和气象条件复杂的机场将越来越多，故对场地要求条件高、费用大[3]。

卫星着陆系统（GLS）较传统仪表着陆系统（ILS）具有以下优点：可减少进近、着陆的危险和敏感区域;可提供高精度定位服务，支持RNAV运行;可为同一个机场多条跑道提供服务;提供多个进近下滑以及跑道入口内移;可引导复飞;可提供曲线进近;可为邻近机场提供服务;对地面站点场地要求较低等[4]。ILS与GLS的性能对比如表1所示。

2 GBAS技术在中国民航的应用

2.1 GBAS在中国民航的发展与审定

我国正在积极应用和发展GBAS系统。美国霍尼韦尔（Honeywell）公司的SLS-4000型GBAS设备已安装在上海浦东机场，并于2015年3月20日利用空客A321在浦东机场进行了地基增强着陆系统（GLS）的演示验证。

2015年4月26日到29日，中国电子科技集团第二十研究所和北京航空航天大学共同研制的GBAS卫星导航着陆系统，在天津滨海国际机场开展了演示验证实验，不仅验证了支持现有基于GPS的GBAS着陆引导能力，还验证了基于北斗（BDS）的GBAS着陆引导能力，得到了科技部和民航局领导专家的一致认可。

鉴于GBAS是国际民航组织提出的航空系统组块升级（ASBU）中导航部分的核心技术之一，也属于新航行技术的核心之一，其应用关系到航空运行的安全与效率。2015年8月民航局颁布文件《关于成立GBAS使用许可合格审定与运行验证委员会的通知》，成立GBAS合格审定与运行验证委员会，以积极稳妥推进GBAS在中国民航的验证与应用。同时，为推进GBAS技术验证应用，民航局批准两项重大标准GBAS设备技术要求和测试方案的编制，为合格审定提供依据。

2017年1月民航局正式发布标准MH/T 4045-2017《民用航空地基增强系统（GBAS）地面设备技术要求——I类精密进近》，2019年4月民航局正式发布标准MH/T 4501-2018《民用航空地基增强系统（GBAS）地面设备测试方法——I类精密进近》。

2016年1月22日，霍尼韦尔公司正式提交其SLS-4000型GBAS地面设备临时使用许可证申请材料;2016年6月1日，中电科现代导航（西安）科技有限公司正式提交其DH-GEGBAS-LGF-1A型GBAS地面设备临时使用许可证申请材料。

就霍尼韦尔公司的GBAS地面设备的合格审定工作而言，包括资料技术审核、工厂技术审核、功能性能测试、运行环境测试、飞行测试等环节，审定流程如图2所示。各环节工作阐述如下：

（1）资料技术审核主要指针对GBAS地面设备的一般性资料、系统设计资料和补充技术资料的审核。

（2）工厂技术审核主要包括对公司的质量管理体系、产品设计与开发、生产和测试、与顾客有关的要求、采购与验证等方面的现场审核，以及与FAA比对GBAS审定流程、确认纽瓦克机场GBAS设备现场运行情况等工作。

（3）功能性能测试主要包括文档审查、性能测试（包括地面精度指示测试、定位域精度测试、连续性测试、地面伪距不确定测试、对流层参数和残差测试、电离层参数和残差测试、类型1电文测试、类型2电文测试、类型4电文测试、发射频率及其稳定性测试、无用发射测试、邻信道发射测试等）、功能测试（包括：GNSS监测功能测试、VDB监测功能测试、可维护性测试）。

（4）运行环境测试要求指GBAS地面设备在满足中国民航相关功能性能标准的前提下持续不间断正常运行，对其开展的可用性、可靠性、稳定性、安全性、空间信号等测试。

（5）飞行测试主要包括地面检查、场面滑行、大圆飞行、水平飞行、圆弧飞行和进近飞行等测试科目。

历时三年多，通过设备生产厂家、中国民航局、合格审定机构、测试机构等各单位的努力，2019年3月，中国民航顺利完成美国霍尼韦尔公司SLS-4000型GBAS地面设备和中国电子科技集团公司DH-GEGBAS-LGF-1A型GBAS地面设备的合格审定工作。下一步将开展飞行验证工作，验证通过后，GBAS地面设备才能获得在中国民航的使用许可。

2.2 GBAS技术在中国民航应用所面临的问题

由于GBAS是应用在进近和着陆阶段的导航技术，直接关系飞行安全，作为一项新技术，在中国民航的应用中仍面临着诸多的问题。

第一，我国GBAS相关标准不够完善。GBAS作为一项新的技术和运行模式，需要全面的技术标准的支撑。在国际民航组织层面，GBAS相关标准包括《ICAO Annex 10 Vol. 1， Sixth Edition》，相对比较全面的明确了GBAS的运行性能、功能、覆盖、数据链、技术指标、校飞等。此外，FAA、RTCA、EUROCAE都发布了相关的技术标准。在运行层面，ICAO也发布了一系列标准，包括：支持系统建设的选址标准、场地规范;支持系统运行和维护的校飞标准、维护规程;支持飞行程序运行的运行标准等。和国际相比，我国在GBAS的相关标准上，还存在巨大的差距，这些问题不解决，GBAS应用推进会受到较大的制约。

第二，中国区域的电离层分析工作刚刚起步。电离层会对GBAS的完好性产生影响，导致卫星信号畸变、不同位置信号延迟差异等问题。虽然美国对其研究较为领先，但由于地点和环境的不同，美国的研究模型不一定适合中国电层离的情况。且我国南方地区，如广州、福建，经济发展前沿的地区，均处于磁赤道异常区域，电离层情况非常复杂，研究难度大。故需要在低纬度地区，对进行电离层监测，建立本区域的电离层模型，以支持GBAS的应用。

第三，需持续推进北斗在GBAS的应用工作。BDS较GPS存在以下优势：（1）北斗卫星导航系统是我国自主建设和运行的导航系统，故更安全、可靠;（2）北斗具有通信功能，应用更为广泛;（3）其导航精度不低于GPS。但目前，北斗还未纳入国际民航组织GNSS标准框架，且现有运行的大型运输机主要由国外生产，缺乏相应的北斗机载设备。故需要持续推进北斗在GBAS的应用工作。

3 结语

推进GBAS新技术在中国的应用是一项长期且复杂的工作，需要空管运行单位、民航科研院所、工业界、机场、航空公司、局方等各单位的共同合作，发挥各自优势，共同推动GBAS相关标准的制定。同时，需要开展基于GPS星座的GBAS电离层模型分析研究工作和中国区域内中、高纬度地区GBAS通用模型的验证工作，以推动中国区域内低纬度地区，GBAS电离层监测、模型建立、验证等工作。相信在不久的将來，中国民航对GBAS的应用将以提升安全水平、运行效率和投资效益为核心，获得更长远的发展。

参考文献

[1] 黄晋，江文波.浅谈现代GBAS的运作与发展[J].中国信息科技，2014（10）：114-117.

[2] Andreas Lipp GBAS Implementation Workshop[C]. Ground Based Augmentation Systems （GBAS） Introduction，2011.

[3] 曾思弘.GBAS技术特征与应用[J].科技通报，2015（9）：148-150+199.

[4] 赵志军.GBS与ILS功能比较[J].科技与创新，2016（20）：118.

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