5G给无线电高度表和仪表着陆带来的挑战

Marijan Jozic 周青华

众所周知，无线电高度表（RA）输出的高度数据是飞行中的重要参数之一，因为该数据用于着陆飞行阶段。同时，空中交通警戒与防撞系统（TCAS）、地形指示和警告系统（TAWS）和风切变（Windshear）等其他系统也会用到无线电高度数据。在自动着陆操作中，要求所有的无线电高度表都必须保持同步。

仪表着陆系统（ILS）分为CAT 1、CAT 2和CAT 3三个类别，如CAT 3B，它要求飞机上所有相关的传感器保持极高的精度，以实现在几乎零能见度的情况下完成自动着陆。CAT 3的官方定义是指在没有决策高度或决策高度低于100英尺（30米）、跑道可视范围小于700英尺（200米）的情况下实现的精确仪表进近和着陆。对于这样一个关键的过程，一切设备都必须完美无差错地工作。如果在自动着陆过程中出现任何问题，飞行员只能选择复飞或绕行，没有任何犹豫的可能，因为完全没有排除潜在问题的时间。由此可见，无线电高度表对于飞机着陆的重要性毋庸置疑。

近年来，外部环境的变化似乎给自动着陆的实现带来了一些不确定性，这就是5G网络的推广。5G网络是实现高速无线互联网的必经之路，而5G网络建设离不开信号发射基站，其中许多发射基站还建在机场附近。正因如此，问题随之而来。

截至2021年3月底，5G商业服务已经在欧盟27国中的24个国家进行了部署，使用最多的频段是700MHz和3.3～3.8GHz，后者被确立为5G的全球主力频段。美国在为5G提供28GHz频段（短距离、家庭应用）方面处于世界领先地位，其他几个国家，包括日本和韩国也迅速跟进。

即使稍微留意一下5G建设上的投入，人们也可以看到很多大的电信公司正在支付如天文数字一般的资金以获得他们最想要的C波段频率许可证，每一笔投入都可能超过数十亿美元。在2021年初结束的拍卖中，美国移动运营商就为3.7～3.98GHz频段支付了巨额费用，电信运营商总共为该频段支付了810亿美元，加上为现有卫星运营商腾出该频段而支付的97亿美元的补偿，他们期待在3.7～4.2GHz这个频段范围内实现更多的应用似乎是合情合理的，因为只有这样电信运营商的投入才会有所回报。

这些频率的设置是由联邦通信委员会（FCC）提出并管理的，显然5G标准的制定并没有考虑到可能给航空运行带来的不利影响，因此无线电高度表干扰问题的解决可能会涉及到方方面面的企业和组织，如FCC、5G电信行业、RTCA、ARINC IA、民航管理局（FAA/ EASA/CAA）、飞机运营人、机体制造商和OEM等。

无线电高度表设计于数十年前，在过去的几十年里，没有人对其受到外部信号的干扰有过任何抱怨。但现在情况发生了改变，来自5G网络的信号正在渗透到无线电高度表所在的频段，从而破坏了高度测量的准确度，导致仪表显示的高度有时会和飞机实际离地高度之间产生较大的偏差。

在飞机盲降时，如果无线电高度表输出的高度数据不可靠，这将是一个严重的安全隐患。进入5G时代后可能会出现这样的情况，即飞机上的两个或三个无线电高度表都处于同步状态，但提供的数据却是错误的。如此情况下，飞行员可能会失去对飞机自动着陆功能的信任，而这正是航空业所不希望看到的，我们不希望飞行员对自动驾驶仪的自动着陆功能失去信心。

在自动着陆状态下，自动驾驶仪使用航向信标探测跑道中心，使用下滑信号探测垂直进近角度，通过无线电高度表获得飞机离地的高度。这一仪表着陆的方式同时适用于民航运输、商务飞行和直升机飞机，但其底线是要求所有的无线电高度表在自动着陆期间必须是可用和可靠的。如果无线电高度表接收到错误的信号，而且它们还不能及时识别出此类错误，显然这种情况在自动着陆这种飞行关键阶段是不可接受的，因为这意味着无线电高度表没有发挥预期的功能。

非营利性组织RTCA最近发表了其第274-20/PMC-2073号文件，通过评估C波段电信干扰对低范围雷达高度表工作的影响，从而确认5G网络和无线电高度表之间存在潜在的干扰问题。5G电信行业最终否定了这份报告，他们宣称没有确凿的证据证明问题的存在，而 RTCA在实验室里却再现了这种干扰。

正因如此，FAA发布了适航指令AD 2021-23-12，要求修订飞机飞行手册（AFM）以确保飞机在受到5G信号干扰时对部分需要使用无线电高度数据的操作进行限制。这就意味着如果气象条件低于仪表着陆CAT1的要求，飞机就不能在受到5G信号干扰的机场正常运行，直至天气好转。这有可能使得航空公司损失数百万美元的收入，预计这一指令将影响到美国至少80个机场。

欧洲正在使用700MHz、3.5GHz和26GHz的频率用于5G，这和无线电高度表在频谱中的位置不尽相同。此外欧盟在保护机场免受5G信号干扰方面比美国采取了更多措施，例如设置了更大的5G缓冲区、将5G基站的发射功率调整至较低水平以及要求5G天线在安装时保持向下倾斜的发射角度。因此，欧洲人声称，他们使用的5G对飞行不会带来任何安全问题。但他们可能忽视了航空業是一个高度全球化的行业，欧洲运营人的航班也会飞往美国，这意味着美国80个机场的限制也会影响他们的正常运营。

对于如何解决这个问题，目前还没有出现一劳永逸的方案。因为涉及巨大的资金投入，很难去强制要求5G电信公司停止当前的业务发展，并停止在机场附近建设新的5G基站或者改变5G发射频率。尽管作为无线电高度表收发机OEM之一的霍尼韦尔公司宣称其主流产品ALA-52B型无线电高度表，因为采用了特定的带通射频滤波器可以免受5G信号的干扰，但是更多的在翼无线电高度表均无法保证在5G信号的影响下还能安全可靠地工作。

航空业是首先使用机场和C波段这一频段的行业，因此从理论上来说航空业不应该受到该事件的影响并为此承担额外的成本，但问题是各国政府肯定也不愿意承担飞机升级的费用。所以针对这一频率冲突的解决方案仍然悬而未决。

巧合的是，多年以前航空业在频谱方面出现过类似的问题。之前的干扰出现在FM调频设备上，这类机载设备受到了来自商业电台的干扰。国际民航组织随后发布了附件10，要求飞机上的所有调频无线电设备都进行改装，以防止商业电台对ILS、VOR和VHF通讯的干扰。在某些特定情况下，因为老旧的LRU不支持改装升级，所以航空公司会被迫使用一个新的调频抗扰LRU进行替换，这就带来了新的LRU采购费用和重新认证的成本。我们很难保证这一历史不会再次重演。如果答案是肯定的，则这次的主角无疑将变成无线电高度表。这意味着将来OEM生产的新一代无线电高度表必须具备消除5G信号干扰的能力，而在翼的大部分主流无线电高度表将迎来强制的改装指令，通过送往维修车间执行服务公告更换滤波器和相关软硬件以达到“5G免疫”的效果，我们暂且可以将这一改装命名为“5G免疫计划” 。

虽然新技术的演变之路仍未可知，但是至少我们现在已经开始重视5G给无线电高度表造成的干扰问题，各个民航局和相关组织也在积极收集二者相互影响的数据并对其进行分析和研究，相信针对该问题的解决方案将在业界的共同努力之下逐渐浮出水面。BCC1C276-DA1E-40AA-BF21-0C37DABB7D23