GBAS帶來的改變

薛飛

今年4月底，中國民航首次GLS（GBAS Landing System）的演示驗證在上海浦東機(jī)場順利完成，一架來自東方航空的空客A320飛機(jī)和一架來自山東航空的波音737飛機(jī)執(zhí)行了此次驗證飛行任務(wù)。這套GBAS系統(tǒng)是由霍尼韋爾航空航天集團(tuán)提供的SmartPath精準(zhǔn)著陸系統(tǒng)。

信號可靠性是關(guān)鍵

GBAS Landing System是GLS的全稱，中文為地基增強型著陸系統(tǒng)，這是一種利用衛(wèi)星對飛機(jī)著陸進(jìn)行定位計算的一項技術(shù)。相比目前被廣泛應(yīng)用的儀表著陸系統(tǒng)，應(yīng)用GPS信號對飛機(jī)著陸進(jìn)行定位被認(rèn)為是一種更精確、高效的著陸技術(shù)。但是在飛機(jī)進(jìn)近階段，普通的全球定位定位系統(tǒng)（GPS）信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，無法滿足飛機(jī)著陸階段的精度要求。所以，衛(wèi)星定位系統(tǒng)需要一套獨立的誤差修正基站，對飛機(jī)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，才能滿足著陸所需精度的要求。

GBAS（Ground Based Augmentation System）是地基增強系統(tǒng)，采用在地面建設(shè)地面站的形式，收集并計算一定范圍內(nèi)對偽距和電離層廣域差分校正數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)廣播給機(jī)載用戶，消除一定范圍內(nèi)的GPS信號定位誤差，并提供GPS完好性信息，為飛機(jī)著落提供精確引導(dǎo)服務(wù)。

“GBAS的技術(shù)原理很簡單，原理并不是核心問題，”霍尼韋爾航空航天集團(tuán)亞太區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)那保羅（Paul Nef）表示：“重要的是如何證明這個技術(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，我們在GBAS系統(tǒng)中設(shè)置了很多探測器，會對系統(tǒng)本身的運轉(zhuǎn)情況和信號準(zhǔn)確性進(jìn)行實時監(jiān)測。此外，霍尼韋爾還為GBAS設(shè)置了冗余系統(tǒng)，防止在特殊情況下一套系統(tǒng)失效時，仍能保證可靠性。”

在飛機(jī)進(jìn)近階段，一旦遇到突發(fā)情況，留給機(jī)組做出準(zhǔn)確判斷的時間非常短暫，飛行員往往需要在極短的時間內(nèi)來決定是落地還是復(fù)飛，所以對著陸系統(tǒng)可靠性和準(zhǔn)確性的要求非常高。

“其實只要是信號傳輸都會發(fā)生干擾，對于儀表著陸來說，沒有人預(yù)先知道它是否發(fā)生了干擾，只有飛行員在著陸過程才會發(fā)現(xiàn)，所以飛行員已經(jīng)習(xí)慣了因為干擾導(dǎo)致飛機(jī)‘跳舞的現(xiàn)象，但這種波動的不穩(wěn)定性，會給飛行員帶來不安全感。”那保羅表示：“對于GBAS來說，系統(tǒng)層面就能監(jiān)測這種干擾，不管是基站接收的衛(wèi)星信號發(fā)生干擾，還是基站發(fā)射給飛機(jī)的信號發(fā)生干擾，都會報告給飛行員，GBAS可以給飛行員帶來更大的安全感和確定性。”

測試不同進(jìn)近角度

GBAS系統(tǒng)是一個綜合了空中、地面、機(jī)載設(shè)備的集成系統(tǒng)，它包含了3個部分：空中衛(wèi)星子系統(tǒng)、地面站子系統(tǒng)、機(jī)載子系統(tǒng)。據(jù)霍尼韋爾方面介紹，其提供的GBAS系統(tǒng)允許多達(dá)4條跑道、26架次飛機(jī)的同時精準(zhǔn)進(jìn)近，機(jī)場無需再為多條跑道配備數(shù)套儀表著陸系統(tǒng)。相對于儀表著陸系統(tǒng)，新系統(tǒng)能有效降低維護(hù)成本，每年最高可節(jié)省40萬美元的維護(hù)成本。通過減少飛機(jī)起飛前的排隊等待時間，該系統(tǒng)可以緩解機(jī)場跑道擁堵情況并提高機(jī)場吞吐能力。

對于大型的樞紐型機(jī)場，GBAS系統(tǒng)可以為不同類型航空器提供獨立的進(jìn)場、進(jìn)近和離場引導(dǎo)。目前，各種類型的大小飛機(jī)普遍采用同一個航跡進(jìn)行著陸，當(dāng)類似空A380、波音777這樣的寬體飛機(jī)飛過時，受尾流的影響，其后的小飛機(jī)需要很長的空中間距才能進(jìn)入著陸程序，這也增加了飛機(jī)的排隊時間。使用GBAS技術(shù)以后，它可以讓大飛機(jī)和小飛機(jī)在進(jìn)近的航跡上采用不同的傾角，大飛機(jī)采用比較小的傾角，小飛機(jī)采用比較大的傾角。

據(jù)那保羅介紹，在本次GBAS演示驗證試驗中，與常規(guī)的3度進(jìn)近角度不同，試驗采用了3.2度的進(jìn)近角度，并將飛機(jī)接地點向后移動了100米，希望理論上可以完全避開尾流的影響。根據(jù)霍尼韋爾方面的計劃，采用中小型渦槳飛機(jī)更適合采用類似的進(jìn)近方案，不過，傳統(tǒng)的進(jìn)近引導(dǎo)燈光照射角度的調(diào)整問題依然沒有解決，如果專門針對中小型飛機(jī)設(shè)置一套燈光系統(tǒng)，顯然會遇到較大的成本阻力。

GBAS潛力巨大

與傳統(tǒng)的ILS系統(tǒng)相比，GLS不會因干擾導(dǎo)致信號彎曲，可以更加精確地引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近，并可以最大限度的降低天氣對飛行的影響，大大提高機(jī)場的可用性。同時GLS地面站是全向廣播數(shù)據(jù)，相對于ILS系統(tǒng)一個頻率支持一條跑道，使得一個地面站支持多條跑道甚至鄰近機(jī)場成為可能。

那保羅表示，目前GLS技術(shù)正處于推廣期，這項技術(shù)完全可以代替現(xiàn)有的儀表著陸系統(tǒng)，目前國外已經(jīng)有一些新建機(jī)場計劃完全采用GLS技術(shù)，這也意味著所有想在這個機(jī)場降落的航班都需要加裝GBAS。

多位參與驗證飛行的東方航空機(jī)長均表示，GLS技術(shù)使得著陸變得非常穩(wěn)定，可以說是“未來技術(shù)的發(fā)展方向”。相對于傳統(tǒng)的儀表著陸系統(tǒng)，GLS成本較低且安裝靈活，對機(jī)場凈空要求降低，可以節(jié)約大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。不過對于相對較老的飛機(jī)，仍需要一筆不小的改裝費用。此外，GLS維護(hù)簡單，校驗成本低，不需要周期性校驗，GLS飛行驗證主要是修正VDB數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍內(nèi)連續(xù)性服務(wù)問題。

對于年代較新的機(jī)型，實施GLS運行只需要在機(jī)載設(shè)備的軟件上稍加修改和升級，同時對MMR接收機(jī)進(jìn)行一定的線路改裝以用來激活GLS功能，除此之外無需加裝新的硬件諸如計算機(jī)、天線等設(shè)備，因而機(jī)載設(shè)備改裝起來容易實現(xiàn)。另一方面，飛機(jī)在加裝GLS系統(tǒng)之后，對駕駛艙控制面板、儀表等的改動微乎其微，飛行員可以快速適應(yīng)從ILS向GLS系統(tǒng)操作的過渡。“對飛行員來說學(xué)習(xí)成本非常低，澳航給飛行員的飛行通告只有半頁A4紙。”那保羅表示。

GLS系統(tǒng)的組成

衛(wèi)星系統(tǒng)

衛(wèi)星系統(tǒng)（主要是GPS衛(wèi)星群）為機(jī)載接收機(jī)（MMR）和地面站接收機(jī)提供位置信息，這些位置信息由于GPS在定位計算中不可避免地存在如星歷誤差、電離層反射等誤差，是不太準(zhǔn)確的位置信息。

地面站系統(tǒng)

地面站系統(tǒng)主要包括2部或以上的GPS接收機(jī)、一個數(shù)據(jù)處理器、一部水平極化全向VDB（VHF data broadcast）天線。每個GPS地面接收機(jī)根據(jù)衛(wèi)星到接收機(jī)之間傳輸信號的時間來測量在其一定區(qū)域范圍內(nèi)衛(wèi)星的偽距，發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器會將計算的偽距與實際的距離進(jìn)行比較計算差分修正值。同時地面站也會運用相關(guān)的測試和技術(shù)處理手段對衛(wèi)星的完好性、健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，即如果附近范圍內(nèi)有衛(wèi)星有潛在的故障或者無法被監(jiān)控到，那么地面站會停止向外廣播該衛(wèi)星的校正數(shù)據(jù)，阻止機(jī)載設(shè)備使用該衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)。

在獲取了差分修正值以及衛(wèi)星完好性信息之后，由全向的VDB天線（頻率范圍108MHz～117.9MHz）將以上信息發(fā)送給一定范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)好的機(jī)載接收機(jī)，用來修正機(jī)載接收機(jī)對飛機(jī)位置計算的誤差。除此之外，處理器還通過VDB將每條跑跑道的最終進(jìn)近路徑FAS（Final Approach Segment）包含水平和垂直的限制警告，以及當(dāng)?shù)貦C(jī)場的大氣數(shù)據(jù)模型等信息發(fā)送到關(guān)聯(lián)飛機(jī)上。

機(jī)載用戶系統(tǒng)

機(jī)載系統(tǒng)主要包括FMS和MMR。FMS根據(jù)一個5位的通道編碼從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)取并調(diào)諧相應(yīng)的GLS頻率以便從地面站獲得本架飛機(jī)進(jìn)近跑道的FAS數(shù)據(jù)，調(diào)諧可以是FMS自動或是MCDU人工輸入，也可以是RMP中進(jìn)行備用導(dǎo)航的人工調(diào)諧。MMR中的GPS接收機(jī)接收空間GPS數(shù)據(jù)，計算飛機(jī)“大概”的位置數(shù)據(jù)，同時飛機(jī)上的LOC天線接收來自地面站廣播的差分修正信息、完好性信息發(fā)送給機(jī)載MMR中VDB接收機(jī)，由MMR內(nèi)部處理器對其進(jìn)行進(jìn)一步處理，計算出更加精確地位置信息。這些“準(zhǔn)確”的位置信息一方面提供給FMS、EGPWS等系統(tǒng)，另一方面MMR綜合接收到的FAS數(shù)據(jù)，計算水平和垂直偏差值，由FMS控制飛機(jī)去“截獲”橫向道和下滑道，一旦截獲，由MMR接管FMS控制自動駕駛儀進(jìn)行著落程序。