5G給無線電高度表和儀表著陸帶來的挑戰

Marijan Jozic 周青華

眾所周知，無線電高度表（RA）輸出的高度數據是飛行中的重要參數之一，因為該數據用于著陸飛行階段。同時，空中交通警戒與防撞系統（TCAS）、地形指示和警告系統（TAWS）和風切變（Windshear）等其他系統也會用到無線電高度數據。在自動著陸操作中，要求所有的無線電高度表都必須保持同步。

儀表著陸系統（ILS）分為CAT 1、CAT 2和CAT 3三個類別，如CAT 3B，它要求飛機上所有相關的傳感器保持極高的精度，以實現在幾乎零能見度的情況下完成自動著陸。CAT 3的官方定義是指在沒有決策高度或決策高度低于100英尺（30米）、跑道可視范圍小于700英尺（200米）的情況下實現的精確儀表進近和著陸。對于這樣一個關鍵的過程，一切設備都必須完美無差錯地工作。如果在自動著陸過程中出現任何問題，飛行員只能選擇復飛或繞行，沒有任何猶豫的可能，因為完全沒有排除潛在問題的時間。由此可見，無線電高度表對于飛機著陸的重要性毋庸置疑。

近年來，外部環境的變化似乎給自動著陸的實現帶來了一些不確定性，這就是5G網絡的推廣。5G網絡是實現高速無線互聯網的必經之路，而5G網絡建設離不開信號發射基站，其中許多發射基站還建在機場附近。正因如此，問題隨之而來。

截至2021年3月底，5G商業服務已經在歐盟27國中的24個國家進行了部署，使用最多的頻段是700MHz和3.3～3.8GHz，后者被確立為5G的全球主力頻段。美國在為5G提供28GHz頻段（短距離、家庭應用）方面處于世界領先地位，其他幾個國家，包括日本和韓國也迅速跟進。

即使稍微留意一下5G建設上的投入，人們也可以看到很多大的電信公司正在支付如天文數字一般的資金以獲得他們最想要的C波段頻率許可證，每一筆投入都可能超過數十億美元。在2021年初結束的拍賣中，美國移動運營商就為3.7～3.98GHz頻段支付了巨額費用，電信運營商總共為該頻段支付了810億美元，加上為現有衛星運營商騰出該頻段而支付的97億美元的補償，他們期待在3.7～4.2GHz這個頻段范圍內實現更多的應用似乎是合情合理的，因為只有這樣電信運營商的投入才會有所回報。

這些頻率的設置是由聯邦通信委員會（FCC）提出并管理的，顯然5G標準的制定并沒有考慮到可能給航空運行帶來的不利影響，因此無線電高度表干擾問題的解決可能會涉及到方方面面的企業和組織，如FCC、5G電信行業、RTCA、ARINC IA、民航管理局（FAA/ EASA/CAA）、飛機運營人、機體制造商和OEM等。

無線電高度表設計于數十年前，在過去的幾十年里，沒有人對其受到外部信號的干擾有過任何抱怨。但現在情況發生了改變，來自5G網絡的信號正在滲透到無線電高度表所在的頻段，從而破壞了高度測量的準確度，導致儀表顯示的高度有時會和飛機實際離地高度之間產生較大的偏差。

在飛機盲降時，如果無線電高度表輸出的高度數據不可靠，這將是一個嚴重的安全隱患。進入5G時代后可能會出現這樣的情況，即飛機上的兩個或三個無線電高度表都處于同步狀態，但提供的數據卻是錯誤的。如此情況下，飛行員可能會失去對飛機自動著陸功能的信任，而這正是航空業所不希望看到的，我們不希望飛行員對自動駕駛儀的自動著陸功能失去信心。

在自動著陸狀態下，自動駕駛儀使用航向信標探測跑道中心，使用下滑信號探測垂直進近角度，通過無線電高度表獲得飛機離地的高度。這一儀表著陸的方式同時適用于民航運輸、商務飛行和直升機飛機，但其底線是要求所有的無線電高度表在自動著陸期間必須是可用和可靠的。如果無線電高度表接收到錯誤的信號，而且它們還不能及時識別出此類錯誤，顯然這種情況在自動著陸這種飛行關鍵階段是不可接受的，因為這意味著無線電高度表沒有發揮預期的功能。

非營利性組織RTCA最近發表了其第274-20/PMC-2073號文件，通過評估C波段電信干擾對低范圍雷達高度表工作的影響，從而確認5G網絡和無線電高度表之間存在潛在的干擾問題。5G電信行業最終否定了這份報告，他們宣稱沒有確鑿的證據證明問題的存在，而 RTCA在實驗室里卻再現了這種干擾。

正因如此，FAA發布了適航指令AD 2021-23-12，要求修訂飛機飛行手冊（AFM）以確保飛機在受到5G信號干擾時對部分需要使用無線電高度數據的操作進行限制。這就意味著如果氣象條件低于儀表著陸CAT1的要求，飛機就不能在受到5G信號干擾的機場正常運行，直至天氣好轉。這有可能使得航空公司損失數百萬美元的收入，預計這一指令將影響到美國至少80個機場。

歐洲正在使用700MHz、3.5GHz和26GHz的頻率用于5G，這和無線電高度表在頻譜中的位置不盡相同。此外歐盟在保護機場免受5G信號干擾方面比美國采取了更多措施，例如設置了更大的5G緩沖區、將5G基站的發射功率調整至較低水平以及要求5G天線在安裝時保持向下傾斜的發射角度。因此，歐洲人聲稱，他們使用的5G對飛行不會帶來任何安全問題。但他們可能忽視了航空業是一個高度全球化的行業，歐洲運營人的航班也會飛往美國，這意味著美國80個機場的限制也會影響他們的正常運營。

對于如何解決這個問題，目前還沒有出現一勞永逸的方案。因為涉及巨大的資金投入，很難去強制要求5G電信公司停止當前的業務發展，并停止在機場附近建設新的5G基站或者改變5G發射頻率。盡管作為無線電高度表收發機OEM之一的霍尼韋爾公司宣稱其主流產品ALA-52B型無線電高度表，因為采用了特定的帶通射頻濾波器可以免受5G信號的干擾，但是更多的在翼無線電高度表均無法保證在5G信號的影響下還能安全可靠地工作。

航空業是首先使用機場和C波段這一頻段的行業，因此從理論上來說航空業不應該受到該事件的影響并為此承擔額外的成本，但問題是各國政府肯定也不愿意承擔飛機升級的費用。所以針對這一頻率沖突的解決方案仍然懸而未決。

巧合的是，多年以前航空業在頻譜方面出現過類似的問題。之前的干擾出現在FM調頻設備上，這類機載設備受到了來自商業電臺的干擾。國際民航組織隨后發布了附件10，要求飛機上的所有調頻無線電設備都進行改裝，以防止商業電臺對ILS、VOR和VHF通訊的干擾。在某些特定情況下，因為老舊的LRU不支持改裝升級，所以航空公司會被迫使用一個新的調頻抗擾LRU進行替換，這就帶來了新的LRU采購費用和重新認證的成本。我們很難保證這一歷史不會再次重演。如果答案是肯定的，則這次的主角無疑將變成無線電高度表。這意味著將來OEM生產的新一代無線電高度表必須具備消除5G信號干擾的能力，而在翼的大部分主流無線電高度表將迎來強制的改裝指令，通過送往維修車間執行服務公告更換濾波器和相關軟硬件以達到“5G免疫”的效果，我們暫且可以將這一改裝命名為“5G免疫計劃” 。

雖然新技術的演變之路仍未可知，但是至少我們現在已經開始重視5G給無線電高度表造成的干擾問題，各個民航局和相關組織也在積極收集二者相互影響的數據并對其進行分析和研究，相信針對該問題的解決方案將在業界的共同努力之下逐漸浮出水面。BCC1C276-DA1E-40AA-BF21-0C37DABB7D23