乌鲁木齐机场GNSS地基增强I类精密进近研究与实现

吴德庆

乌鲁木齐机场GNSS地基增强I类精密进近研究与实现

吴德庆

（民航新疆空中交通管理局，乌鲁木齐 830016）

2019年民航局发布《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》，推动北斗卫星导航系统民航应用。为研究融合北斗卫星的地基增强系统（GBAS）新技术在乌鲁木齐“智慧机场”的应用，对GBAS的发展研究现状进行了说明，论证了乌鲁木齐机场GBAS建设的必要性和可行性，在此基础上完成了GBAS技术方案，满足GNSS地基增强I类精密进近的技术需求，为后续乌鲁木齐机场GBAS的相关建设提供了重要的理论依据。

机场；地基增强系统；I类精密进近

0 引言

新疆是我国面积最大的省级行政区，地域辽阔，位置特殊，航空业务有着巨大的发展潜力。乌鲁木齐国际机场作为“一带一路”枢纽机场，战略地位凸显重要。

乌鲁木齐机场周围地形复杂，属于多山地带，部分山峰海拔在4500 m以上。受周围高山地形环境以及附近机场影响，乌鲁木齐机场航空器起飞和进近飞行空域、航路航线多有限制，现有的陆基着陆系统不能满足未来民航迅速发展的安全、容量及效率需要。

2009年10月民航局发布《中国民航基于性能导航实施路线图》，阐述GBAS导航系统可以为区域导航（Regional Area Navigation，RNAV）和所需导航性能（Required Navigation Performance，RNP）提供有效服务，并提出近期在部分机场建设地基增强系统（Ground-Based Augmentation Systems，GBAS），实现全球导航卫星系统着陆系统（GNSS Landing System，GLS）进近，远期将适时使用GLS进近取代仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）进近的工作目标。

时隔10年，2019年12月民航局发布《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》[1]，将推进兼容北斗卫星的双频多星座地基增强系统国际民航组织标准及建议措施（ICAO SARPs）的修订列为近期目标，远期（2025年）建设部署兼容北斗系统的地基增强系统。

1 地基增强系统研究现状

美国、澳大利亚及欧洲多国机场已经使用I类GBAS系统。基于单频单星座III类GBAS技术的产品研发和实验验证工作也正在紧锣密鼓地进行。

美国、法国和日本等国家重点推进了基于双频多星座的GBAS地面和机载设备研究验证，削减由电离层频繁变化造成的定位误差，提升导航信号的连续性和可用性。

近些年中国在卫星导航的研究及精密进近应用上成绩斐然。中国电科历经近3年半时间， 2019年3月完成I类GBAS产品合格审定，11月完成飞行验证工作，最终于12月17日取得中国民航颁发的首张临时使用许可证。

目前国内正在积极研究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，研制基于多星座双频的Ⅱ/III类卫星导航地基增强系统。

基于此，新疆空管局筹划“十四五”期间于乌鲁木齐机场建设融合北斗卫星的GBAS系统，验证、积累多星座GBAS系统的运行标准和经验。

2 乌鲁木齐机场GBAS运行必要性及可行性分析

乌鲁木齐机场飞行区技术等级指标为4E，现有一条长3 600 m、宽45 m的跑道，可满足B747-400飞机及其以下机型全载起降。

2.1 乌鲁木齐机场GBAS建设必要性

乌鲁木齐机场一条跑道如图1所示，25号方向（主降方向）为Ⅱ类精密进近系统，07号方向（次降方向）为Ⅰ类精密进近系统。

图1 乌鲁木齐机场卫星图

乌鲁木齐机场作为“一带一路”战略枢纽，航空业务量发展迅猛。2019年旅客吞吐量已突破了 2 300万人次，单跑道日高峰606架次，起降 500架次以上已达157天。

航空业务量高速发展对机场保障能力提出了更高的要求。尤其是乌鲁木齐机场冬春季运行常出现大雾、大雪等天气，机场又只有一条跑道，航班正常运行高度依赖单跑道双向ILS。期间ILS一旦故障，或因飞行校验使用甚高频全向无线电信标（VHF Omni-directional Radio-range，VOR）或距离测量设备（Distance Measuring Equipment，DME）等非精密仪表进近，就会因跑道能见度标准不够发布流量控制，甚至引发航班延误、取消等不正常事件。此外，ILS航道和下滑道保护区对场地环境敏感，夏季除草，冬季清雪，场地环境要求高，运行维护难度大。

为保障机场的正常运行，指引航班安全起降，急需建设一套精密进近着陆设备，与现有ILS相互冗余备份。

国内外有些机场，通过单跑道方向建设两套ILS来缓解单系统故障风险。本文认为，此举增加设备投入，维护及定期校验支出，使原本敏感的飞行区场地及电磁环境愈加复杂，不如使用基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的GBAS安全、高效。

2.2 乌鲁木齐机场GBAS建设可行性分析

2.2.1 GBAS与传统着陆系统性能比较

GBAS与ILS比较[2-4]如表1所示。

表1 GBAS与传统着陆系统性能比较

从表1中可以看到，GBAS精度高，场地要求低，受环境影响较小，适用于山区、戈壁等环境较差的地方，满足乌鲁木齐机场运行条件，具备推广价值。

2.2.2 GNSS导航条件

中纬度地区电离层暴可以延伸数百千米，持续时间从几分钟到几小时。电离层暴发生时，会在短距离上产生较大的电离层梯度效应，给GNSS信号带来很大的电离层延迟和显著的差分定位误差，威胁飞行安全[5,6]。

按照中国民航局空管局要求[7]，在GBAS前期规划阶段，需对机场终端区的电离层总体情况进行监测和分析，以及评估该地区电离层活动对GBAS安全运行的影响。

为了评估乌鲁木齐机场电离层活动总体水平，利用该地区架设的GNSS监测站，采集了2021年 1月5日～2021年12月31日，共计348天的GNSS数据。经过对数据的处理、分析与仿真评估得到的结果与结论如图2和图3所示。

图2 监测期内电离层梯度变化情况

图3 监测期内电离层梯度标准差分时变化情况

监测期内，电离层梯度值基本保持在100 mm/km以内，最大梯度值为148.32 mm/km，未发现电离层梯度异常情况（梯度值大于200 mm/km）；24小时电离层波动程度方面，在UTC时间3～16时（本地时间11～24时），电离层相对活跃；监测期内，电离层梯度总体分布服从高斯分布，膨胀后高斯分布的标准差为20.46 mm/km。

为了评估电离层影响下的GBAS地面子系统是否满足中国民航对GBAS I类精密进近安全定义的要求，需评估如表2所示的性能指标[8,9]。

表2 中国民航GBAS I类精密进近运行指标要求

为了仿真评估电离层对GBAS服务性能的影响，假设飞机最终决断点与GBAS主站之间的距离为 3 km，卫星仰角掩角为5°。另外，由于飞机进近安全对垂直定位误差（Vertical Position Error，VPE）非常敏感，通常VPE满足要求时，水平误差也会满足要求，因此在准确性评估时，可只考虑对VPE的评估。

监测期内，如图4所示，虽然出现了VPE大于4 m的情况（其中最大值为6.83 m），但并未发现任何历元的VPE超过垂直误差保护级（Vertical Protection Level，VPL），经过计算，如图5所示，累积概率95%的VPE小于0.706 7 m，满足I类精密进近性能要求；通过统计VPE和VPL的大小关系，可知：在电离层影响下，落入“可用”区域的概率为99.941%，没有任何历元落入“危险误引导（Hazardous Misleading Information，HMI）”区域，如图6所示，因此完好性为100%。因此，可用性和完好性均满足中国民航GBAS I类精密进近运行指标要求。

图4 监测期内VPE变化情况

图5 VPE累积概率曲线

图6 VPE与VPL关系图

监测评估结果表明，乌鲁木齐机场区域电离层活动相对平静，GBAS设备满足中国民航I类精密进近运行指标要求。由此可见，乌鲁木齐机场具备实施GBAS的GNSS导航条件。

3 乌鲁木齐机场GBAS技术方案

系统建设过程中，重点研究地面设备的选址规划，保障GBAS地面设备既能与现有机场导航设备兼容，又能适应未来航空发展要求。

3.1 GBAS场址选择

按照《民用航空导航台（站）设置场地规范》中的要求[10]，对乌鲁木齐机场预选的GBAS站点进行综合比选。

GBAS选址包括“图上初选”、“正式站点测量”及“站点综合分析”三个阶段。

经综合比选，将GBAS主站放置在现跑道西侧航向台机房（25跑道航向台），基准接收子系统放置在跑道西侧航向台附近，位置域监测子系统放置在现跑道东侧航向台（07跑道航向台）机房（设备机房之间需具备网络通信（光纤环网）条件）。

3.2 拟选场址概况

拟选场址地形地貌、工程地质、净空及电磁环境、机房供电、通信等附属设施情况如下。

3.2.1 净空及电磁环境分析

GBAS主站系统机柜拟放置在现跑道西侧航向台机房内，甚高频广播（VHF Data Broadcast，VDB）天线和4个基准接收天线分别放置在跑道另一侧空地。场内障碍物主要是基地航空公司南航机库及乌鲁木齐机场货运仓库。但距西下滑台距离远，遮蔽角小于2°，通视情况良好。基准接收天线之间、天线与跑道、滑行道之间距离均满足技术要求。

VDB广播塔通视情况良好，电磁干扰分析报告未发现电磁干扰，净空环境满足要求。

3.2.2 机房供电、通信等附属设施情况

西下滑/测距台机房面积30 m2，为砖混结构。

采用2路低压供电，分别引自机场1号箱变和2号箱变，线路长度分别约为300 m和200 m，机房内同时配置1套延时4小时的蓄电池作为备用电源。机房至航管楼敷设有1条光环网及10对通信电缆。机房采用联合接地系统，接地电阻为2.9 Ω，满足防雷接地要求。

3.3 GBAS地面设备布局

按照乌鲁木齐机场构型，GBAS地面设备部署主要包括4个地面基准接收机、1个地面处理设备及对空台VDB站等。设备配置如表3所示。

表3 乌鲁木齐机场GBAS设备配置

25号航向台附近设置4个地面基准接收机，负责获得伪距信息和载波相位观测量值，同时对接收到的导航电文进行解码。基准接收机安装时要考虑减小多路径误差。

GBAS主站计算伪距改正数以及载波相位的变化量值，并将处理后数据传送到对空VDB台。对空VDB台负责按一定格式对所有广播数据（包括进近数据、伪距修正量及导航信号完好性信息）进行编码播报。

结合远期规划，考虑到待建乌鲁木齐机场二、三跑道导航信号覆盖，需在二、三跑道间设置一处扩展VDB站，实现乌鲁木齐机场VDB信号全覆盖。

位置域监测子系统放置在现跑道东侧（07号）航向机房，对25跑道入口GNSS精度进行监测。如图7所示。

图7 位置域监测子系统选址平面示意图

GBAS主站设备同时要对GBAS完好性风险进行评估：将基准接收机观测数据，和广播的改正数进行差分修正计算，与相应的垂直告警门限（Vertical Alert Limit，VAL）及侧向告警门限（Lateral Alert Limit，LAL）进行比较。如果空间信号超出告警门限，应中止导航。

4 结语

民航局《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》一声号角，北斗卫星导航系统即将远航。“十四五”期间，新疆空管局将携手乌鲁木齐机场，实施融合北斗卫星的地基增强系统应用验证工作。下一步，新疆机场集团规划继续在喀纳斯、那拉提、巴里坤等复杂地形机场建设满足CAT I的基于多星座的地基增强系统。

同时，新疆空管局将持续关注基于双频多星座的II/III类地基增强系统技术研究和示范验证工作，推进II/III类地基增强系统应用，进一步提升航班运行保障能力。

[1] 中国民用航空局. 中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图[S]. 2019.

[2] 陈康. 仪表着陆系统航向信标的分析与研究[J]. 2011（06）：9-11.

[3] 唐凌飞. 仪表着陆系统与GBAS导航系统对比分析[J]. 硅谷，2011（10）：175.

[4] 苟江川. 仪表着陆系统（ILS）电磁环境分析及测试系统集成[D]. 成都：西南交通大学，2016.

[5] Lee J. Enhancements of Long Term Ionospheric Anomaly Monitoring for the Ground-Based Augmentation System[C]. Proceedings of the 2011 International Technical Meeting of the Institute of Navigation，2011（01）：930-941.

[6] Datta-Barua S，Lee J，Pullen S，et al. Ionospheric Threat Parameterization for Local Area GPS-Based Aircraft Landing Systems[J]. AIAA Journal of Aircraft，2010，7（04）：1141-1151.

[7] AC-85-TM-2020-01. 卫星导航地基增强系统开放与运行管理实施细则（试行）[S]. 北京：中国民用航空局， 2020.

[8] 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[S]. 北京：中国民用航空局，2017.

[9] MH/T 4051-2018. 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[S]. 北京：中国民用航空局，2018.

[10] MH/T 4003.1-2021. 民用航空通信导航监视台（站）设置场地规范第1部分：导航[S]. 北京：中国民用航空局，2021.

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。

吴德庆（1974.09—），新疆乌鲁木齐人，硕士，高级工程师，主要研究方向为空管导航、雷达及相关空管新技术规划、工程实现及应用。