技术交流 | 浅谈地基增强系统（GBAS）地面站选址

引言

随着民用航空在全世界范围内的快速发展，航空运输对安全、容量和效率的要求越来越高，国际民航组织颁布的《全球空中航行计划》（GANP，Doc9750）中提出了基于全球导航卫星系统（GNSS）的终端区灵活引导和基于性能的引导，陆基导航逐渐向星基导航过渡，星基导航将成为未来主要的导航技术手段^[1]。

为了实现导航所需性能，国际民航组织提供了三种类型的增强系统，包括机载增强系统ABAS（Aircraft Based Augmentation System）、地基增强系统GBAS（Ground Based Augmentation System）、星基增强系统SBAS（Satellite Based Augmentation System）。在《民用航空导航技术应用政策》（AC-115-TM-2015-03）中也提到，中国未来15年稳步推进从陆基导航向星基导航的过渡，并在大型枢纽机场建设I类GBAS。GBAS的应用是星基导航在机场进近、着陆阶段的重要技术支撑，其可以支持飞机从跑道任意一端降落，并提供飞机并行进近、曲线进近等更多线路进港，有利于缓解空域拥堵，提升机场吞吐能力，提高航班准点率。

地基增强系统简介

地基增强系统（GBAS）可以对全球导航卫星系统（GNSS）进行差分定位和完好性监视，具有极高的导航精度、完好性、可用性和连续性，可为机场覆盖空域范围内的航空用户提供导航、精密进近和着陆引导服务^[2]。

GBAS由空间系统、地面系统和航空器组成（图2.1）。空间系统由一个或多个卫星导航星座构成，地面系统安装于机场内或机场附近，直接从地基发射机向航空器发送卫星导航增强信息，装备相应机载设备的航空器可以获得I类精密进近甚至更高等级的进近导航服务。

地面系统作为GBAS最重要的组成部分，主要包括基准接收子系统、地面处理子系统、甚高频数据广播（VDB）子系统、位置域监测子系统以及监控维护子系统。

基准接收子系统通常由4台GNSS接收机和定位天线组成，主要为接收到的卫星信号提供伪距测量并检测卫星的工作状态，向地面处理子系统提供相关原始定位数据；地面处理子系统接收来自基准接收子系统带有时间标记的卫星原始测量信息，生成卫星定位差分改正信息、差分基准点数据、最后进近航段数据的电文，并将电文提供给VDB子系统；VDB子系统将上述电文数据转换为用于传输到航空器的射频信号，为进近的航空器提供空间信息；位置域监控子系统用于检测VDB子系统发送的数据和GBAS系统的完好性，并将检测结果传输至地面处理子系统、监控维护子系统，完成对增强信号的闭环监测；监控维护子系统可以检测GBAS各地面设备的工作状态，并对系统的工作参数进行设置。

GBAS地面站选址

根据GBAS地面系统组成，地面站包括基准接收子系统的基准接收站、VDB子系统的VDB发射站。在进行GBAS地面系统整体设计时，如何合理的选择各地面站的位置是非常关键的步骤。对于单跑道机场，由于机场整体环境相对简单，我们只需根据《民用航空通信导航监视台(站)设置场地规范 第1部分：导航》^[3]（以下简称《场地规范》）中的相关要求，在飞行区灵活选择合适的场地位置，综合考虑机场净空、天线附近障碍物、飞机尾流直接喷射情况、供电、通信以及整体建台费用等因素一步一步进行设置即可；但是对于多跑道机场，机场整体环境比较复杂，除了结合机场总体规划和布局，还需要根据机场的实际情况，进行针对性的分析。下面我们就以国内某大型枢纽机场为例，探讨该如何进行GBAS地面站选址。

某大型枢纽机场有南北两个飞行区，近期规划4条跑道（2组近距），从北向南分别为N2跑道（3800m×45m）、N1跑道（3800m×45m）、S1跑道（3800m×60m）、S2跑道（3000m×45m）。N1、N2跑道飞行区指标为4E，跑道间距为413.5m；S1、S2跑道飞行区指标为4F，跑道间距为380m；N1与S1跑道之间间距为2290m，航站区位于南、北飞行区之间。

根据空域和飞行程序及管制运行需求，该机场除了设有仪表着陆系统ILS（Instrument Landing System）外，还需建设1套I类GBAS，作为ILS系统的备份系统。

（1）基准接收站

根据《场地规范》要求，基准接收子系统通常由多个基准接收站组成，几何中心距最低决断高度位置的水平距离通常不超过6km。

对单跑道机场来说，只要将基准接收站设在飞行区内，基本都能满足基准接收站的几何中心距最低决断高度位置的水平距离通常不超过6km的要求。但对于该机场，由于存在4条跑道，我们需要首先确定每条跑道决断高度的位置。

决断高度是指按精密进近着陆程序进近时，飞机驾驶员对飞机继续进近或复飞做出决断的最低限定高度，I类决断高度为60m（以跑道入口标高为基准）。我们假定正常情况下，飞机以3°标准下滑角进行进近，飞机在跑道入口时高度为15m，则跑道决断高度位置距跑道入口的距离L为：

L=(60-15)÷tan⁡3°

计算得到L=858.65，将L向上取整为860。

接下来，以每条跑道2个方向飞机达到决断高度时的水平位置为圆心（图3.2中8个圆点位置），半径6km画圆，得到8个半径为6km的圆重叠后的不规则封闭图形（图3.2中6km范围界限），基准接收站应设置在该封闭区域内。结合该机场总体规划布局以及飞行区技术标准中相关规定要求，该机场范围内能满足基准接收站位置设置要求的区域为图3中N2跑道北侧以及S2跑道南侧斜条纹阴影区域。

图3.2  基准接收站选址范围

再根据《场地规范》中对基准接收天线的具体要求，基准接收天线底部高度通常在1m~4m之间，天线位置应尽量远离跑道中心线延长线（不少于75m）。当配置3部及以上基准接收机时，相邻基准接收天线的间距不应小于50m。所有基准接收天线不应在一条直线上，任意两个基准接收天线不宜与滑行道、栅栏、大型障碍物等平行或等距设置。

结合可选区域通信、供电条件以及机场的远期发展，本次将基准接收站设在N2跑道北侧靠近西GP/DEM台位置，各基准接收站位置如图3.3所示。

图3.3 基准接收站位置

（2）VDB发射站

根据《场地规范》要求，VDB天线距所服务跑道入口的水平距离不超过5.6km。

同样对单跑道机场来说，VDB发射站位置选址较为简单，只要在机场范围内基本都能满足5.6km的要求，再结合规范中对通视、覆盖等要求，无论是设在航站区较高的建筑物屋面还是设在飞行区内也都可以满足要求。但是对多跑道机场或者跑道构型不规则的机场，航站区环境比较复杂，为了满足规范要求，甚至需要采用增加VDB扩展站的方式来解决，下面根据该机场的具体环境来分析VDB发射站的选址。

以该机场每条跑道入口为圆心，半径5.6km画圆，得到8个半径为5.6km的圆重叠后的不规则封闭图形（图3.4中5.6km范围界限），VDB发射站应设置在该封闭区域内。

图3.4 天线选址范围

再根据《场地规范》中对VDB天线覆盖区的要求：“能够覆盖以每条进近跑道最低决断高度位置为圆心，半径为5.6km的圆周区域；与所服务跑道最低决断高度位置通视；不小于进近覆盖区域”，确定VDB发射站位置。

由于机场航站区位于南、北飞行区之间，首先我们考虑将VDB发射站天线设在机场航站区，结合通信、供电保障条件，首选该机场最高点，即塔台作为天线安装地点，经现场踏勘，塔台屋面无VDB天线安装位置。接着我们尝试将天线安装在航站区其它建筑物上的可能性，通过分析发现当天线安装在航站区其它建筑物时，容易受航站楼遮挡，无法满足天线与每条跑道最低决断高度位置通视的要求。最后，经过综合分析比较，我们拟采用VDB主站+VDB扩展站的方式，将VDB主站设在北飞行区，用于N1、N2跑道进近服务；将VDB扩展站设在南飞行区，用于S1、S2跑道进近服务；这样可以解决航站区建筑物遮挡及覆盖的问题。

接下来我们建立该机场航站区建筑物模型，利用软件对VDB天线信号覆盖进行模拟分析，用于检验信号覆盖的可行性，具体分析如下：

a）VDB主站天线信号覆盖情况

当在北飞行区设置VDB发射站时，北飞行区N1、N2跑道4个方向信号覆盖良好；南飞行区S1、S2跑道4个方向受到障碍物（主要为航站楼）遮挡，跑道两端进近航线上有大面积的信号屏蔽区（图3.5中右侧阴影区域），且无法满足VDB天线与S1、S2跑道最低决断高度位置通视的要求。

图3.5 VDB主站天线信号覆盖图

b）VDB扩展站天线信号覆盖情况

当在南飞行区设置VDB发射站时，南飞行区S1、S2跑道4个方向信号覆盖良好；北飞行区N1、N2跑道4个方向受到障碍物（主要为航站楼）遮挡，跑道两端进近航线上有大面积的信号屏蔽区（图3.6中左侧阴影区域），且无法满足VDB天线与N1、N2跑道最低决断高度位置通视的要求。

图3.6 VDB扩展站天线信号覆盖图

c）VDB主站+VDB扩展站天线信号覆盖情况

在VDB主站+扩展站天线双重覆盖条件下，4条跑道两端信号覆盖情况良好，各方向进近过程中五边区域信号覆盖良好，满足飞行程序使用要求。

图3.7 VDB主站+扩展站天线信号覆盖图

结合通信、供电保障等级，VDB主站设在北飞行区N2跑道西GP/DME台北侧，VDB扩展站设在南飞行区S2跑道东GP/DME台西侧。基准接收站和VDB发射站在该机场的整体布局如图9所示。

图3.8 GBAS各地面站平面位置图

结语