地基增強(qiáng)系統(tǒng)VDB天線選址仿真

張夢(mèng)龍，趙巍巍，張光明

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

地基增強(qiáng)系統(tǒng)(ground-based augmentation system，GBAS)是提供全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)差分校正和完好性檢測(cè)的系統(tǒng)，GBAS在主機(jī)場(chǎng)附近(約45 km半徑)提供導(dǎo)航和精密進(jìn)近服務(wù)，通過(guò)來(lái)自地面的發(fā)射機(jī)發(fā)射甚高頻(very high frequency，VHF)無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈路廣播差分校正信息。

VHF信號(hào)須在進(jìn)近空域與跑道上覆蓋并達(dá)到要求。甚高頻數(shù)據(jù)廣播(VHF data broadcasting，VDB)天線的選址是GBAS系統(tǒng)地面站安裝的重要環(huán)節(jié)，將直接影響到信號(hào)的覆蓋，信號(hào)的完好對(duì)航空器安全著陸至關(guān)重要。VDB天線安裝過(guò)程中須考慮地形和建筑對(duì)信號(hào)的遮蔽問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)民航領(lǐng)域GBAS處于剛起步與實(shí)驗(yàn)階段，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)地基增強(qiáng)系統(tǒng)最終將建成全國(guó)一張網(wǎng)[1]。國(guó)外在VDB天線選址中大多選擇實(shí)際安裝后再對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而周期長(zhǎng)、成本高；而且各個(gè)機(jī)場(chǎng)地形差異大，導(dǎo)致方法缺乏普遍性。

針對(duì)具體機(jī)場(chǎng)物理環(huán)境的不同，采用一種能廣泛評(píng)估信號(hào)覆蓋的方法顯得尤為必要。本文基于系統(tǒng)仿真，提供一種分析與評(píng)估VDB信號(hào)覆蓋的方法，擬解決現(xiàn)行VDB天線選址過(guò)程中的問(wèn)題。

1 GBAS地面站選址理論依據(jù)

1.1 VDB天線初步選址

美國(guó)聯(lián)邦航空局發(fā)布的文件界定了GBAS選址的一些關(guān)鍵要求[2]，其中規(guī)定VDB天線須在系統(tǒng)的跑道入口5.6 km以?xún)?nèi)。圖1顯示了國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)A中的3條跑道，以每條跑道入口為圓心，5.6 km為半徑畫(huà)圓的交集，圖中灰色橢圓陰影區(qū)域是滿足要求的VDB天線可用選址范圍。結(jié)合該機(jī)場(chǎng)可用環(huán)境，圖1中的黑色方形陰影區(qū)域是機(jī)場(chǎng)可提供的VDB天線安裝最佳區(qū)域。

圖1 機(jī)場(chǎng)A中VDB天線位置初選

VDB天線的選址是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，有關(guān)GBAS選址的文件FAAO 6884中只是給出了基本的參考或初步的選址范圍，要進(jìn)一步精確選址須建立更加詳細(xì)的模型以對(duì)已選位置的信號(hào)覆蓋進(jìn)行評(píng)估。

1.2 機(jī)場(chǎng)VHF信號(hào)傳播模型

精確選址與建模須評(píng)估機(jī)場(chǎng)建筑對(duì)VHF信號(hào)的遮蔽效應(yīng)，其中包括候機(jī)樓、氣象雷達(dá)等。在VDB天線和跑道以及機(jī)場(chǎng)建筑物之間建立起無(wú)線電傳播的基本模型，如圖2所示。

圖2 機(jī)場(chǎng)VDB信號(hào)傳播模型

由圖可知，VDB天線發(fā)射信號(hào)到達(dá)機(jī)場(chǎng)跑道的主要過(guò)程包含了電磁波的視距傳播、反射、衍射等過(guò)程。對(duì)以上3個(gè)主要傳播過(guò)程分別列式[3-5]為

(1)

(2)

(3)

飛機(jī)在跑道上滑行或起降過(guò)程中接收天線Rx在跑道位置不同的點(diǎn)上所接收到的信號(hào)可能存在較大差異。在VDB天線安裝好以后需要在跑道上對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，具體的檢測(cè)過(guò)程包含了信號(hào)強(qiáng)弱、信號(hào)質(zhì)量、一致性校驗(yàn)等。本文主要對(duì)接收機(jī)信號(hào)功率門(mén)限問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 機(jī)場(chǎng)資料測(cè)量

國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)A的平面圖如圖3所示，位置1是VDB天線擬定點(diǎn)，位置2是候機(jī)樓，位置3分別是2條跑道。其中位置1的選定十分關(guān)鍵，VDB天線的安裝高度也是要考慮的因素之一，所發(fā)射的信號(hào)有可能被位置2的候機(jī)樓影響導(dǎo)致跑道上信號(hào)質(zhì)量下降甚至達(dá)不到所需門(mén)限。

圖3 機(jī)場(chǎng)A平面建筑物圖

為避免反復(fù)安裝測(cè)量所帶來(lái)的不便，采用電磁環(huán)境模擬仿真的方法對(duì)擬選定的VDB天線進(jìn)行分析。在反復(fù)仿真后得出若干優(yōu)化的安裝方案，以減少實(shí)施過(guò)程中的不確定因素。

2.2 機(jī)場(chǎng)模型建立與仿真

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)仿真涉及的領(lǐng)域越來(lái)越廣；電磁場(chǎng)不可見(jiàn)，對(duì)所獲取的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)利用可視化的方法加以表達(dá)，將不可見(jiàn)的電磁場(chǎng)可視化，從而使仿真用戶(hù)可以方便地觀察仿真的結(jié)果[7]。Wireless Insite是一款基于蒙特卡洛方法對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境建模仿真分析的系統(tǒng)，在基于電磁波傳播模型下可在50 MHz～40 GHz頻段內(nèi)提供精確的計(jì)算結(jié)果。

建立如圖4所示的機(jī)場(chǎng)模型，以15號(hào)和16號(hào)2條跑道(RWY15和RWY16)為研究對(duì)象，并在跑道中心線上測(cè)量高為2.4～11.0 m 的VDB信號(hào)功率。根據(jù)國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)發(fā)布的文件[8]，III類(lèi)精密進(jìn)近中要求在跑道表面3.7 m高度(推薦為2.4 m)上覆蓋信號(hào)以支持航空器自動(dòng)降落，可參考圖5。

圖4 VDB天線位置選取與模型建立

同時(shí)在VDB天線可能選址的地點(diǎn)上，根據(jù)天線到接收機(jī)不同的距離和天線到建筑物不同的距離建立20個(gè)編號(hào)為01～20的VDB天線模擬器。

圖5 天線高度范圍與功率強(qiáng)度最低要求

其中主要變量是其位置和天線高度的不同，同時(shí)也必須滿足FFAO ORDER 6884.1選址規(guī)范中天線遮蔽角小于5o的要求。VDB天線位置變量可以用各個(gè)臺(tái)與機(jī)場(chǎng)建筑物的距離X、各個(gè)臺(tái)到跑道中心線的距離Y表示(如圖4所示)，具體排列位置數(shù)據(jù)如表1所示。

模擬分貝系統(tǒng)公司的DBS100天線，工作頻段在108～118 MHz，水平極化，設(shè)置發(fā)射功率為46 dBm，詳細(xì)參數(shù)參考ICAO附件規(guī)范[9]。在圖4中顯示了各個(gè)VDB天線的位置參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表中X為距建筑物端距離、Y為到建筑物對(duì)稱(chēng)面距離，單位皆為m，在RWY16一側(cè)為正、RWY15一側(cè)為負(fù)。

根據(jù)A機(jī)場(chǎng)的環(huán)境將機(jī)場(chǎng)簡(jiǎn)化(實(shí)際工程中某些機(jī)場(chǎng)具有更復(fù)雜的建筑系統(tǒng)時(shí)還需考慮周邊建筑，以及在天氣條件不同的情況下各部分材料反射系數(shù)不同的問(wèn)題)為機(jī)場(chǎng)地面、跑道面、機(jī)場(chǎng)建筑(對(duì)筑物構(gòu)型簡(jiǎn)化，但主體參數(shù)仍可在模型中反映)3個(gè)主要部分的模型。參考該機(jī)場(chǎng)相關(guān)資料并查閱有關(guān)電磁學(xué)文獻(xiàn)[10-11]得到在甚高頻波段每個(gè)部分的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率和厚度，具體參數(shù)如表2所示。

表1 不同VDB天線位置到建筑物的距離

表2 機(jī)場(chǎng)模型的反射系數(shù)

2.3 跑道信號(hào)仿真與分析

分別定義VDB天線高10、20 m(最適合的天線高度可通過(guò)此方法反復(fù)試驗(yàn)得到)，通過(guò)仿真運(yùn)算對(duì)每一個(gè)VDB所產(chǎn)生的信號(hào)分別在RWY15與RWY16跑道中心線某確定高處進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量，經(jīng)過(guò)甄選，得到部分典型信號(hào)，如圖6～圖8所示。

圖6 改變天線高度后功率對(duì)比

圖7 RWY15接收機(jī)功率曲線

圖8 RWY16接收機(jī)功率曲線

圖6中改變VBD天線的高度分別為10和20 m，此時(shí)隨著天線高度的增加，多路徑影響更加明顯，受到影響的跑道長(zhǎng)度增加。而多徑干擾是影響定位精度的主要因素之一[12]。

在圖7和圖8中分別顯示了2條跑道中心線上高為2.4 m處的功率曲線。由于該機(jī)場(chǎng)2條跑道之間的建筑物遮蔽問(wèn)題，圖7中RWY15號(hào)跑道上VDB03處所收信號(hào)在跑道3 200 m以后出現(xiàn)了明顯的快衰弱，而在圖8中RWY16號(hào)跑道上VDB17處信號(hào)在跑道1 000 m左右位置出現(xiàn)了明顯的衍射與多路徑問(wèn)題并且快接近門(mén)限值。

在此次仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理得到VDB天線的最佳位置應(yīng)該在VDB07、VDB13與VDB14位置。在多次重復(fù)試驗(yàn)后，通過(guò)模擬與仿真可縮小VDB電臺(tái)的選擇范圍，對(duì)VBD天線的安裝進(jìn)行參考與指導(dǎo)。

2.4 地形覆蓋仿真與分析

考慮到機(jī)場(chǎng)及附近建筑物對(duì)VDB信號(hào)在跑道上的覆蓋問(wèn)題后，還需要考慮航空器進(jìn)近空域范圍信號(hào)的覆蓋問(wèn)題。由于VDB天線位于地表，VHF信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)被地形遮蔽，遮蔽物對(duì)信號(hào)的繞射效應(yīng)使得信號(hào)在被遮蔽后產(chǎn)生較大衰減[13]。這種情況在高高原機(jī)場(chǎng)體現(xiàn)更加明顯。圖9分別為國(guó)內(nèi)某高高原機(jī)場(chǎng)B的衛(wèi)星圖和地形圖。

圖9 機(jī)場(chǎng)B衛(wèi)星圖和地形圖

圖9中灰色圓形陰影區(qū)域?yàn)閂DB信號(hào)覆蓋的研究區(qū)域。由于該機(jī)場(chǎng)地形的限制，VDB天線的安裝可選區(qū)域較小。為研究VBD選址以及信號(hào)覆蓋問(wèn)題，將圖中VDB-A、VDB-B 2個(gè)地點(diǎn)(這2個(gè)點(diǎn)分別在機(jī)場(chǎng)跑道的2邊且均滿足初選要求所以具有代表性)設(shè)為選址地點(diǎn)，并分別比較二者信號(hào)覆蓋的區(qū)別。

地形仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)中天線模擬分貝系統(tǒng)公司的Tree Element VDBANTENNA天線，該天線采用三元素堆疊的水平極化偶極子陣列，天線標(biāo)稱(chēng)增益為5.0 dBi(由該天線的方向圖分析，此天線更能反映由地形原因產(chǎn)生的遮蔽問(wèn)題)，實(shí)際過(guò)程中也可根據(jù)航空器進(jìn)近方向調(diào)整水平極化的VDB天線角度以達(dá)到更好的信號(hào)覆蓋。

根據(jù)選址標(biāo)準(zhǔn)FFAO ORDER 6884.1與天線安裝在較低位置的原則，此處設(shè)置天線高度為10 m、工作頻率為114 MHz、發(fā)射功率為46 dBm，地形反射類(lèi)型為樹(shù)林(反射系數(shù)如表2所示)。地形數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的搖桿衛(wèi)星數(shù)字影像格式GeoTIFF，坐標(biāo)采用WGS84坐標(biāo)系。

分別測(cè)出在機(jī)場(chǎng)標(biāo)高100、1 000和3 000 m高度層的信號(hào)功率分布。部分仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 機(jī)場(chǎng)B信號(hào)功率覆蓋

圖10中陰影圓表示45 km半徑的覆蓋范圍。經(jīng)過(guò)對(duì)比位置A和B的VDB信號(hào)覆蓋，得到A位置的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在大于-85 dBm的覆蓋范圍內(nèi)大于B位置的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，因此A位置選址明顯優(yōu)于B位置。通過(guò)此方法經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)得到較為優(yōu)化的選址方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在近年來(lái)電磁環(huán)境仿真研究的基礎(chǔ)上提出一種方法來(lái)研究GBAS系統(tǒng)VDB天線安裝與信號(hào)覆蓋的問(wèn)題，旨在有效解決VDB天線選址評(píng)估問(wèn)題。可以總結(jié)出大型機(jī)場(chǎng)GBAS系統(tǒng)VDB天線安裝的位置通常要考慮以下3個(gè)問(wèn)題：1)各跑道之間是否有類(lèi)似于候機(jī)樓的大型建筑物，需考慮該建筑物對(duì)信號(hào)在各個(gè)跑道上的影響；2)增加天線高度或許可以解決信號(hào)覆蓋問(wèn)題，但是水平極化的VDB天線可能在覆蓋范圍內(nèi)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的多路徑問(wèn)題，天線高度的選擇需要具體測(cè)試以安裝在合適的高度；3)在一些地形較為特殊的機(jī)場(chǎng)，需要考慮并測(cè)量機(jī)場(chǎng)周?chē)牡匦问欠駮?huì)影響VBD信號(hào)的覆蓋。

下一步研究方向：1)通過(guò)地面移動(dòng)站和試飛航空器測(cè)試實(shí)際信號(hào)和模擬仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得出差異數(shù)據(jù)以及其他因素的影響；2)增加VDB天線的個(gè)數(shù)也是解決信號(hào)覆蓋問(wèn)題的方案，未來(lái)將研究應(yīng)用多個(gè)VBD天線解決信號(hào)覆蓋問(wèn)題。

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