CAT II/III precision approach guidance flight verification at Xianyang airport based on domestic GBAS
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摘要: 卫星导航地基增强系统(Ground Based Augmentation System，GBAS)，可以提高卫星导航的精度、完好性、连续性和可用性，使飞机在复杂天气和恶劣环境下依然能够实现安全、高效的进近和着陆，满足民航精密进近和着陆引导等高精度导航需求.目前GBAS一类精密进近(CAT I)服务水平已经完成验证和应用，但是其定位精度等服务水平仍不能完全满足民航需求. GBAS二类/三类精密进近(CAT II/III)具有更好的服务水平，其技术和应用仍在开发验证中. 为了提高民航运行效率和安全，急需开展基于CAT II/III与CAT III的飞行校验活动. 当前GBAS主要采用基于单频GPS的工作模式，在系统可用性、安全性和自主性方面非常受限，因此需要开发自主可控的兼容北斗的GBAS系统. 本文设计了飞行校验方案，使用自主研制的国产GBAS设备，设计了飞行校验方案，在西安咸阳机场完成了CAT II/III盲降精密进近着陆引导的GBAS飞行校验. 试验结果表明：兼容北斗的国产GBAS具备支持CAT II/III精密进近的能力，并且其性能远超传统仪表着陆系统(instrument landing system，ILS). 这一成果的取得为我国航空运输的安全性提供了有力保障.
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关键词:
- 卫星导航地基增强系统(GBAS) /
- 飞行校验 /
- 精密进近 /
- 飞行科目设计 /
- 精度
Abstract: Ground-Based Augmentation System (GBAS) can improve the accuracy, integrity, continuity and availability of satellite navigation, making it possible for aircraft to achieve safe and efficient approach and landing in complex weather and harsh environment, which can meet the high-precision navigation needs of civil aviation such as precision approach and landing guidance. At present, the GBAS Category I (CAT-I) service level has been verified and applied, but its service level, such as positioning accuracy, still can’t fully meet the needs of civil aviation. The technology and application of GBAS Category II/III (CAT II/III), which have better service level, are still under development and validation. In order to improve the efficiency and safety of civil aviation operations, there is an urgent need to carry out flight verification activities based on CAT II/III. Currently, GBAS is mainly based on single-frequency GPS, which is very limited in terms of system availability, safety and autonomy, so it is necessary to develop an autonomous and controllable GBAS system which is compatible with BDS. This article designs a flight verification scheme, which has completed the GBAS flight verification for CAT II/III blind approach and landing guidance at Xi’an Xianyang Airport by using the domestic GBAS system. The test results show that GBAS compatible with BDS has the ability to support CAT II/III precision approach and its performance is far superior to the traditional instrument landing system. This achievement provides a strong guarantee for the safety of air transporation in China. -
0. 引 言
卫星导航地基增强系统(Ground Based Augmentation System，GBAS)是一种通过地面设施对卫星导航系统进行增强和补充的系统[1]. 该系统主要由地面站、监控设备和机载设备组成，旨在提高卫星导航的精度、完好性、连续性和可用性，以满足民航精密进近和着陆引导等高精度导航需求[2]. GBAS可以有效提高民航运行效率和安全，降低空管运行成本，已成为民航进近引导的重要装备. 当前，有数十个机构研究GBAS装备与技术，根据服务能力水平，GBAS可分为CAT I、CAT II/IIIA、CAT IIIB等多个服务等级. GBAS飞行验证活动是用于验证地面站发射的信号是否正常, 检验GBAS服务能力，全面评估 CAT I/II/III的精密进近性能[3-4]. 北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统[5]. 虽然北斗系统已正式加入国际民航组织 (International Civil Aviation Organization，ICAO)成为全球民航通用的卫星导航系统，但是国内外关于GBAS系统的研究和研制多是基于GPS L1的单频模式[6]. 这不仅让我国的GBAS研究处于被动状态，系统的可用性、安全性和自主性非常有限，而且北斗系统的不兼容性限制了后续北斗系统在GBAS方面的应用和发展. 我国已有自主研发且兼容北斗的国产GBAS系统，但是该系统是否能提供GBAS 进近服务类型C(GBAS approach service type C，GAST-C)和GAST-D服务[7]，还需进行飞行验证.
GBAS飞行验证活动主要包括搭载飞行、飞行校验和商业航班飞行验证[8-13]，其中，搭载飞行主要用于厂家自验证活动；飞行校验通过第三权威机构按照GBAS运行服务能力进行全部科目的遍历飞行测试，具有测试全面和结果可行的特点；商业航班飞行验证一般用于验证已成熟装备运行能力，难以全面评估性能. 目前CAT I精密进近已经经过飞行验证，具备运行条件，但是CAT II/III精密进近作为民航高等级服务能力，其技术与应用仍在开发验证. 为了提高民航运行效率和安全，急需开展基于CAT II/III精密进近的飞行校验活动. 本文利用自主研制的兼容北斗的国产GBAS系统完成了基于CAT II/III精密进近的飞行校验活动，验证了其具有提供GBAS进近服务的能力.
1. 国产GBAS设备组成和工作原理
由中国电子科技集团公司第五十四研究所自主研发的国产GBAS系统主要由地面完好性监测分系统、机载接收处理分系统、以及数据收发分系统所组成. 地面完好性监测分系统由地面参考接收机、抗多径接收天线、易折杆、射频光端机、时统设备、供电单元以及信息处理设施组成. 其中抗多径 GNSS 接收天线、易折杆、射频光端机(电-光)均为室外设施，而时统设备、射频光端机(光-电)、参考接收机、信息处理设施以及供电单元均为室内设施.
如图1所示, 国产GBAS系统技术原理为：通过6台地面参考接收机完成视场内GPS、BDS、Galileo的多星座空间信号的采集，并利用电光转换设备将GNSS射频信号转变为6路光信号并传输至中心站，中心站的光电转换设备接收光信号并将其转换为6路射频信号，分别送至6台地面参考接收机. 6台地面参考接收机采用4台主用2台备份方式，完成视场内GPS、BDS、Galileo的多星座信号的跟踪接收，获取伪距、载波相位、载噪比、多普勒等观测量，通过传输网络，送入2套冗余热备地面信息处理设备. 地面信息处理设备控制6台地面参考接收机的运行管理，对观测数据进行完好性和增强处理，并将数据按照规定协议格式，送入GBAS地空数据链的地面发射电台发射出去. GBAS地空数据链的地面接收电台用于监测发射数据是否正常，若出现异常则告警并切换到备份发射机工作. 地面信息处理设备具备GBAS导航数据库功能，可对最后进近航段(final approach segment，FAS)数据和系统工作参数进行管理与维护. 机载多模接收机(multi-mode-receiver，MMR)同时接收空中的卫星导航信号，也接收地面甚高频(very high frequency，VHF)链路数据信息，对接收到的增强信息进行处理，并同时为飞机提供高精度、高可靠的位置信息，引导飞机在有限的空中航线中有序、灵活、安全着陆，提高机场流量管理容量.
2. 飞行校验的过程和内容
飞行验证包括GBAS飞行程序的验证和GBAS服务范围内甚高频数据广播(very high frequency data broadcast，VDB)信号强度的检查[10].
在 GBAS 服务范围内，最小场强应为−99 dBw/m2，最大应为−27 dBw/m2. 附加服务范围内的最小场强从低于跑道表面3.7~11 m的−99 dBw/m2增加到高于跑道表面11 m的−89.5 dBw/m2. 最小和最大场强与发射天线的最小距离为 80 m, 射程为43 km(23 n mile)相一致[14].
GBAS服务范围包括最小 GBAS 进近服务范围和支持自动着陆和引导起飞的进近服务的最小额外 GBAS 服务范围. GBAS最小进近服务范围从着陆阈值点/虚设阈值点(landing threshold point/functional threshold point，LTP/FTP)左右 140 m处向进近路径两侧 35° 延伸 28 km的水平范围内确定[15]. 随后是进近路径两侧 10° 的扇形区域，距离为 37 km. GBAS垂直进近服务区从滑翔路径拦截点(glide path intercept point，GPIP)开始[16]. 其最大临界高度(height above touch down，HAT)受限于7°或 1.75 倍滑翔路径角的较大角度，以及
3000 m的高度. 如果滑翔路径拦截程序要求，则以0.45倍或0.3倍滑翔路径角的角度，以及1/2最低决断高度或 3.7 m的较大值来定义该服务区的下限. 最小额外服务量沿跑道全长确定. 在水平方向上，它延续了 LTP 左右两侧的最小进近服务区，直到跑道的停止端.根据国际民航组织规定[17]，设计了如下6个飞行科目.
1)地面验证
校验飞机在停机坪上进行地面验证，验证信号接收是否正常，核对FAS数据、机场数据等固定数据内容是否一致. 同时，检查机载多模接收机是否进入差分模式.
2)场面滑行
校验飞机在跑道上进行滑行试验，以验证VDB信号在跑道上的覆盖情况，并验证地面站提供的机场数据和FAS数据是否与机载数据库和FAS数据一致. 包括校验飞机沿跑道中心线滑行测试和校验飞机沿跑道中心线S形滑行，如图2所示.
3)圆周飞行
如图3所示，以半径23 n mile(以设备标定的覆盖距离为准)，高度
2743 m，进行圆周飞行，用于验证机场区域内VDB空间信号覆盖情况，确定VDB信号覆盖范围，评估VDB信号是否存在受遮蔽或干扰的情况.4)水平圆弧飞行
如图4所示，以特定的距离为半径，按照给定的高度，对不同的跑道进行横切航道的弧度飞行，以评估在所需水平区域内VDB信号的覆盖情况，确定机载MMR输出类仪表着陆系统(instrument landing system，ILS)航向信号的宽度、对称性及余隙情况是否与地面GBAS设备设定值一致.
5)水平飞行
如图5所示，从特定的距离开始，沿着跑道中心延长线按照给定的高度飞行，飞行至跑道另一方向的2.5 n mile处，以评估进近及复飞区域内VDB信号的覆盖情况，确定机载MMR输出类ILS下滑信号的宽度、对称性及余隙情况是否与地面GBAS设备设定值一致.
6)进近及复飞检查
如图6所示，从中间进近定位(intermediate approach fix，IF)点开始进行进近飞行，飞行至决断高度61 m处拉平，衔接复飞程序，以评估进近方向VDB信号覆盖和差分定位精度. 确定机载MMR输出类ILS信号(包括航向和下滑)引导指示的正确性，获得类ILS航向及下滑参数的正确性以及与FAS数据的一致性.
3. 飞行校验试验和结果
中国电子科技集团公司第五十四研究所、中国民用航空飞行校验中心以及中国民用航空西北地区空中交通管理局于2021年10月1日至2021年10月11日在西安咸阳国际机场05R跑道开展了针对GAST-C和GAST-D的基于CAT II/III精密进近的GBAS实际飞行测试验证. 图7~9是飞行验证过程中，使用的地面参考接收机、天线及GBAS软件界面、飞行校验系统软件界面以及精密进近过程中水平位置指示器(horizontal situation indicator，HSI)的照片.
具体实施过程及结果如下：
1)地面验证与滑行
地面验证与滑行过程中，首先校验飞机在停机坪上开机，校验台设备接收GBAS地面站发送的增强信号，并记录接收到的数据，飞行校验员验证信号接收正常并核对GBAS类型2、类型4报文数据无误后，开展场面滑行活动. 校验飞机分别进行了S形场面滑行与直线场面滑行，校验系统对场面滑行结果进行了场面滑行校验结果输出，符合GBAS校验需求.
图10是直线滑行的航向偏差(localizer deviation，LOC Dev)和VDB校验结果，其中横轴是距离跑道入口的距离，纵轴是航向偏差. 从图10可以看到，直线滑行过程中，航向指示与实际情况符合，且VDB结果满足GBAS服务范围内的最低要求.
图11是S形滑行的航向偏差和校验结果，其中横轴是距离跑道入口的距离，纵轴是VDB 自动增益控制 (automatic gain control，AGC). 从图11可以看到，S形滑行过程中，航向指示与实际情况符合，且VDB结果满足GBAS服务范围内的最低要求.
2)圆周飞行
校验飞机进行了半径20 n mile，2 700 m高度的飞行结果如图12所示，3 000 m高度的飞行结果如图13所示，校验系统进行了圆周飞行校验，验证了机场区域内VDB空间信号覆盖情况，确定了VDB信号覆盖范围，符合GBAS校验需求.
2700 m高度和3000 m高度的飞行结果如图12所示，其中横轴是方位(bearing，Brg)，纵轴是VDB AGC. 可以看到，360°范围内VDB信号覆盖无盲区，且VDB最小信号强度满足校验需求.3)水平飞行
校验飞机的水平飞行进近，从15.56 n mile的距离开始，沿着跑道中心线延长线按照
1000 m的高度飞行，飞行至跑道另一方向的2.29 n mile处，校验系统进行了水平飞行校验，评估了进近及复飞区域内VDB信号的覆盖情况，确定了机载MMR输出类ILS下滑信号的宽度、对称性及余隙情况是否与地面GBAS设备设定值一致，评估结果符合GBAS校验需求，具体结果如表1和图14所示. 图14中的横轴是距离跑道入口的距离，纵轴分别是下滑信标(glide slope，GS)和VDB AGC，从表1和图14中可以看到进近及复飞区域VDB信号全覆盖，信号强度、宽度/对称性满足要求.表 1 水平飞行校验结果表检查高度/
m开始距离/
n mile结束距离/
n mile宽度/
对称性VDB最小信号
强度/dBm1000 15.56 2.29 0.75/49.96 −85.06 4)圆弧飞行
校验飞机开展了圆弧飞行，以15 n mile的距离为半径，按照
1500 m的高度，对不同的跑道进行横切航道的弧度飞行，校验系统评估了在所需水平区域内VDB信号的覆盖情况，确定了机载MMR输出类ILS航向信号的宽度、对称性及余隙情况是否与地面GBAS设备设定值一致. 具体结果如表2和图15所示. 图15中横轴是方位角(azimuth angle，Azm)，纵轴分别是航向偏差和VDB AGC校验结果. 从表2和图15可以看到进近方向VDB信号全覆盖，信号强度、宽度/对称性满足要求.表 2 圆弧飞行校验结果表检查高度/
m半径/
n mile覆盖/
(°)宽度/对称性/
(°/%)VDB最小信号
强度/dBm1500 15 ±35 2.92/50.48 −80.63 5)进近飞行
校验飞机先后完成CAT I精密进近、CAT II精密进近、CAT III精密进近的类ILS进近飞行校验. 飞行过程从IF开始进行进近飞行，飞行至决断高度61 m处拉平，衔接复飞程序，校验系统评估进近方向VDB信号覆盖，确定机载MMR输出类ILS信号(包括航向和下滑)引导指示的正确性，获得类ILS航向及下滑参数如航道校值、航道结构、下滑角、下滑入口高度等数据的正确性以及与FAS数据的一致性. 具体结果如图16和表3所示.
图16和表3是CAT I进近飞行的校验结果. 图中横轴是距离跑道入口的距离，纵轴分别VDB AGC、时隙F(slotF)VDB AGC、时隙G(slotG)VDB AGC、时隙H(slotH)VDB AGC. 从图16和表3中可以看到VDB信号强度符合规范要求，即VDB信号覆盖满足要求, 并且下滑角、入口高度误差在容限范围内.
表 3 CAT I精密进近飞行校验结果表开始距离/n mile 10 开始高度/m 1500 最大使用距离/n mile 20 VDB最小信号强度/dBm −76.62 可见卫星数量 30 可用卫星数量 9 校直/(°/μA) −0.00/0.24R 航向结构/距离/(μA/n mile) 1/10.34 1/2.53 1/0.52 下滑角/入口高度/(°/m) 3.00/16.64 下滑结构/距离/(μA/n mile) 1/7.47 2/0.58 1/0.14 图17和表4是CAT II进近飞行的校验结果. 图中横轴是距离跑道入口的距离，纵轴分别VDB AGC、时隙F(slotF)VDB AGC、时隙G(slotG)VDB AGC、时隙H(slotH)VDB AGC. 从图17和表4中可以看到VDB信号强度符合规范要求，且下滑角、入口高度误差在容限范围内.
表 4 CAT II精密进近飞行校验结果表开始距离/n mile 15 开始高度/m 1500 最大使用距离/n mile 20 VDB最小信号强度/dBm −81.58 可见卫星数量 29 可用卫星数量 11 校直/(°/μA) −0.00/0.48R 航向结构/距离/(μA/n mile) 1/15.90 1/1.99 1/0.10 下滑角/入口高度/(°/m) 3.00/16.38 下滑结构/距离/(μA/n mile) 1/10.11 4/0.57 2/0.00 图18和表5是CAT III进近飞行的校验结果. 图中横轴是距离跑道入口的距离，纵轴分别VDB AGC、时隙F(slotF)VDB AGC、时隙G(slotG)VDB AGC、时隙H(slotH)VDB AGC. 从上图和表中可以看到VDB信号强度符合规范要求，且下滑角、入口高度误差在容限范围内.
表 5 CAT III精密进近飞行校验结果表开始距离/n mile 17 开始高度/m 1500 最大使用距离/n mile 20 VDB最小信号强度/dBm −80.73 可见卫星数量 31 可用卫星数量 11 校直/(°/μA) 0.01/0.56L 航向结构/距离/(μA/n mile) 1/17.60 1/2.58 1/0.00 1/−0.35 5/−1.68 下滑角/入口高度/(°/m) 3.00/16.49 下滑结构/距离/(μA/n mile) 1/10.43 2/0.58 3/0.01 4. 结束语
近年来，我国在卫星导航领域取得了显著的进展，自主研发了兼容GPS/BDS/Galileo多个系统的GBAS系统. 在咸阳机场的飞行试验中，基于自研可控的北斗GBAS装备以及测试设备，设计了试验CAT II/III精密进近GLS(GNSS landing system)飞行程序和飞行校验方法，完成了CAT II/III精密进近盲降精密进近着陆引导的GBAS飞行校验，国产GBAS的能力已经得到了充分验证. 试验结果表明，国产GBAS具备支持CAT II/III精密进近盲降精密进近的能力，并且其性能远超传统ILS. GBAS作为新一代的航空导航技术，其高精度、高可靠性和高可用性等特点，使得飞机在复杂天气和恶劣环境下依然能够实现安全、高效的进近和着陆. 这一成果的取得，不仅为航空运输的安全性提供了有力保障，也为我国在全球航空导航领域赢得了更多的尊重和认可. 未来将通过研究卫星、电离层、多径、干扰等误差的全链路、多维度抑制、监测与改正技术，攻克复杂环境误差的精细化处理难题，进一步提高自研北斗GBAS装备的导航服务质量，并完成适航取证，将自研北斗GBAS装备应用到更多机场，在航空导航领域发挥更加重要的作用.
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表 1 水平飞行校验结果表
检查高度/
m开始距离/
n mile结束距离/
n mile宽度/
对称性VDB最小信号
强度/dBm1000 15.56 2.29 0.75/49.96 −85.06 
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表 2 圆弧飞行校验结果表
检查高度/
m半径/
n mile覆盖/
(°)宽度/对称性/
(°/%)VDB最小信号
强度/dBm1500 15 ±35 2.92/50.48 −80.63
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表 3 CAT I精密进近飞行校验结果表
开始距离/n mile 10 开始高度/m 1500 最大使用距离/n mile 20 VDB最小信号强度/dBm −76.62 可见卫星数量 30 可用卫星数量 9 校直/(°/μA) −0.00/0.24R 航向结构/距离/(μA/n mile) 1/10.34 1/2.53 1/0.52 下滑角/入口高度/(°/m) 3.00/16.64 下滑结构/距离/(μA/n mile) 1/7.47 2/0.58 1/0.14
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表 4 CAT II精密进近飞行校验结果表
开始距离/n mile 15 开始高度/m 1500 最大使用距离/n mile 20 VDB最小信号强度/dBm −81.58 可见卫星数量 29 可用卫星数量 11 校直/(°/μA) −0.00/0.48R 航向结构/距离/(μA/n mile) 1/15.90 1/1.99 1/0.10 下滑角/入口高度/(°/m) 3.00/16.38 下滑结构/距离/(μA/n mile) 1/10.11 4/0.57 2/0.00
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表 5 CAT III精密进近飞行校验结果表
开始距离/n mile 17 开始高度/m 1500 最大使用距离/n mile 20 VDB最小信号强度/dBm −80.73 可见卫星数量 31 可用卫星数量 11 校直/(°/μA) 0.01/0.56L 航向结构/距离/(μA/n mile) 1/17.60 1/2.58 1/0.00 1/−0.35 5/−1.68 下滑角/入口高度/(°/m) 3.00/16.49 下滑结构/距离/(μA/n mile) 1/10.43 2/0.58 3/0.01
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