衛星導航地基增強系統概述

□ 民航局空管局技術中心 李 鵬/文

衛星導航地基增強系統（GBAS）被民航界認為是提高繁忙機場運行效率、保障復雜機場運行安全、解決機場全天候起降和終端區高密度運行難題的關鍵。能夠提供更加精準、靈活和高效的著陸引導服務，已成為國際民航組織積極推進應用、世界主要航空強國及其廠商競相研制的關鍵新技術裝備，并已逐步投入實際應用。

國外，基于GPS L1 C/A 信號的精密進近著陸技術已基本成熟，支持I類（CAT I）精密進近著陸運行的系統已經在歐美多機場使用。目前，挪威和德國兩個國家相關機構率先針對基于單頻單星座Ⅲ類GBAS技術進行了產品研發和實驗驗證工作，但上述系統僅使用單星座單頻導航信號，導致衛星幾何分布較差，易受電離層風暴影響，系統可用性不足。為此，美國、法國和日本等國家重點推進了基于雙頻多星座的GBAS地面和機載設備及運行，消減由電離層頻繁變化造成的定位誤差，以提升導航信號的連續性和可用性。

在國內，I類GBAS產品研發和技術基本成熟，于2019年4月和7月先后兩次完成驗證飛行活動。驗證飛行期間，通過兩套錄像設備分別記錄駕駛艙儀表及機外情況，同時通過專用設備記錄機載前艙航電設備的所有相關數據。驗證結果表明，國產GBAS設備與機載設備配合良好，能夠為航空器提供精密進近引導服務。為了進一步提高衛星導航精密進近著陸引導系統定位精度和完好性，國內團隊正在積極研究新信號體制的質量監測、電離層異常模型監測、環境干擾檢測與減輕、機載多故障綜合監測、自動著陸安全引導等技術，自主研制基于多星座雙頻的Ⅲ類衛星導航地基增強系統。

全球導航衛星系統（GNSS）在民航飛行的廣泛應用是國際民航組織（ICAO）的全球空中航行計劃（GANP）的重要組成，其衛星導航地基增強系統，已成為ICAO導航技術的發展方向。根據航空界的發展計劃和進程，基于單頻單星座信號的Ⅲ類GBAS地面和機載設備及相關運行批準，預期將在2020～2025年期間基本同步完成；基于雙頻多星座信號的Ⅲ類GBAS地面和機載設備及運行批準將在2030～2035年期間基本同步完成。

系統組成

GBAS通過差分定位提高衛星導航精度的基礎上，增加了一系列完好性監視算法，提高系統完好性、可用性、連續性，使機場覆蓋空域范圍內配置相應機載設備的飛機獲得精密進近、著陸引導服務，系統由空間段、地面段和機載段組成，如圖1所示。

（一）空間段

空間段由美國GPS、中國BDS、歐洲GALILEO和俄羅斯GLONASS組成，為地面段和機載段提供衛星信號，進行偽距測量。

（二）地面段

GBAS地面段包括基準接收機、地面處理站、甚高頻數據廣播（VDB）設備等。地面處理站通過結合來自每個參考接收機的測量值生成可見衛星的差分校正值；同時，通過實時監測導航信號本身或者地面站的異常，形成衛星導航系統和本站自身的完好性信息；然后把最后進近航段（FAS）數據、校正值和完好性信息通過VDB播發給機載用戶。

（三）機載段

機載段為多模式接收機（MMR）、飛行管理計算機（FMS）和飛行控制與顯示設備等。MMR不僅接收來自GNSS的信號，還要接收來自地面站廣播的差分改正及完善性信息，處理器對GNSS觀測數據進行差分定位計算，

同時確定垂直及水平定位誤差保護級。FMS接收MMR計算的修正位置，實現自動引導，并在飛行控制與顯示設備上顯示相關信息。

技術優勢

傳統儀表著陸系統（ILS）只能在空間提供單一的一條下滑道，不適應各類型飛機進場著陸的要求，且工作頻率低，天線尺寸大，安裝調整很不方便。依靠地面反射形成下滑道，對地形環境很敏感，下滑道隨季節和氣候變化而變化，航道容易彎曲，故要求安裝場地非常平整和寬闊。而一套GBAS設備可同時滿足多個進近程序的使用需求，且具有設備場地環境要求低、信號穩定、建設和運行成本低、使用靈活等運行優勢。具體性能對比如表1。

表1：ILS與GBAS性能對標

存在的問題及解決方法

多星座多頻GNSS 可提供更多測距源，有效改善衛星幾何分布，可消除電離層導致的差分校正誤差，擺脫電離層的影響。從而，雙頻多星座衛星導航精密進近著陸系統將具備更高的服務可用性，尤其是在低緯度電離層活動劇烈的地區。但雙頻多星座GNSS 也為衛星導航精密進近著陸系統帶來了新的技術挑戰，主要體現在：

（1）異質導航誤差的動態校正。雙頻多星座衛星導航信號的使用將星座間的時間和空間基準偏差以及更多的觀測噪聲引入定位結果中，導致附加差分校正誤差。

（2）多元耦合故障的準確監測。雙頻多星座衛星導航信號的使用將引入更多的故障來源因素，導致完好性風險增加、服務連續性和可用性降低。

（3）按需密集飛行的安全引導?；谛l星導航精密進近著陸系統的高精度導航能力，用戶使用基于性能導航（PBN）的飛行方式可以任意選擇最優航路飛行，但由于機場環境復雜、用戶需求多變、飛行密集會導致碰撞風險增加。

針對上述存在的問題，本文提出以下解決方法，推進雙頻多星座衛星導航地基增強系統的應用。

（1）雙頻多星座衛星導航局域差分方法，主要包括：

·精確雙頻載波平滑濾波方法

評估不同GNSS信號的碼偽距和載波相位測量噪聲統計特性，分析不同雙頻載波平滑濾波技術的差分校正殘差，從而提出精確雙頻載波平滑濾波方法，消除電離層誤差的影響，并降低平滑濾波器輸出噪聲。

·多星座導航信號優選定位方法

分析不同幾何分布下導航信號時空間基準不同和差分校正殘差異質對定位誤差的耦合影響，提出多星座異質衛星導航信號的快速優選方法。

·異質導航信號誤差包絡方法

分析不同衛星導航信號差分校正殘差的統計特征，研究基于有限樣本殘差統計特征的厚尾估計方法，提出不同衛星導航信號的差分校正殘差包絡方法，用于建立基于仰角的衛星導航信號差分校正精度模型。

（2）雙頻多星座衛星導航完好性監測方法，主要包括：

·新信號體制的質量監測方法

分析雙頻多星座衛星導航信號間的相互干擾機理和新體制衛星導航信號的相關峰畸變特征，并建立故障模型，建立新體制衛星導航信號的信噪比異常統計模型，研究對新體制衛星導航信號相互干擾、信噪比異常和相關峰畸變故障監測方法。

·電離層異常模型監測方法

分析電離層活動導致的新體制衛星導航信號碼/載波分離特征，建立新體制衛星導航信號碼/載波分離故障模型并提出監測方法，研究利用雙頻衛星導航信號對單頻信號電離層異常的輔助監測方法。

·星座故障監測方法

研究多星座衛星導航信號的測距誤差統計特征，分析空間信號精度異常的成因、特性及其影響，提出星座主要服務故障模型并評估其導致的運行風險。

（3）Ⅲ類衛星導航精密進近著陸引導方法，主要包括：

·自動著陸安全引導方法

研究Ⅲ類精密進近下滑航徑快速生成方法及Ⅲ類精密進近水平和垂直航跡偏差準確計算方法，提出滿足Ⅲ類精密進近著陸運行需求的機載導航性能監視與告警方法。

·基于性能導航（PBN）精密進近方法

研究PBN精密進近的垂直引導方法和PBN精密進近飛行程序設計方法，評估PBN精密進近的飛行技術誤差和實時飛行性能，提出連續下降運行（CDO）與PBN精密進近的銜接程序。

·終端區高密度靈活運行方法

研究基于地基增強系統的終端區曲線進近方法、基于地基增強系統的終端區連續下降運行方法、基于地基增強系統的平行跑道獨立運行方法和基于地基增強系統的終端區4維航跡運行技術，從而提高終端區高密度靈活運行效率。

結語：

從上述分析可看出，衛星導航地基增強系統進近方式靈活，可以減少飛行里程和燃油消耗，并改善噪音；安裝靈活且對保護區要求低，可以有效利用機場區域并解決高原機場問題；單站48個進近程序，可增加進近容量并減少導航頻率需求。因此，在從傳統導航向基于性能的導航（PBN）演變的過程中，衛星導航地基增強系統以其高精度、高可用性和低成本的特點，必將發揮重要的作用。

目前全球導航衛星系統GNSS技術正在從單一服務星座和單一工作頻率向雙頻多星座系統模式過渡，尤其是雙頻GNSS信號的應用，對于GBAS克服電離層風險并提高Ⅲ類運行性能將十分便利和有效。中國民航應借鑒歐美民航強國的發展實施策略和方法，重點開展基于雙頻多星座的Ⅲ類GBAS技術研究、標準制定、設備研制和示范驗證工作，推進Ⅲ類GBAS應用，提升航班運行保障能力。