地基增强系统VDB天线选址仿真

张梦龙，赵巍巍，张光明

(中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307)

0 引言

地基增强系统(ground-based augmentation system，GBAS)是提供全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)差分校正和完好性检测的系统，GBAS在主机场附近(约45 km半径)提供导航和精密进近服务，通过来自地面的发射机发射甚高频(very high frequency，VHF)无线电数据链路广播差分校正信息。

VHF信号须在进近空域与跑道上覆盖并达到要求。甚高频数据广播(VHF data broadcasting，VDB)天线的选址是GBAS系统地面站安装的重要环节，将直接影响到信号的覆盖，信号的完好对航空器安全着陆至关重要。VDB天线安装过程中须考虑地形和建筑对信号的遮蔽问题。目前国内民航领域GBAS处于刚起步与实验阶段，北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)地基增强系统最终将建成全国一张网[1]。国外在VDB天线选址中大多选择实际安装后再对信号质量进行测量，进而周期长、成本高；而且各个机场地形差异大，导致方法缺乏普遍性。

针对具体机场物理环境的不同，采用一种能广泛评估信号覆盖的方法显得尤为必要。本文基于系统仿真，提供一种分析与评估VDB信号覆盖的方法，拟解决现行VDB天线选址过程中的问题。

1 GBAS地面站选址理论依据

1.1 VDB天线初步选址

美国联邦航空局发布的文件界定了GBAS选址的一些关键要求[2]，其中规定VDB天线须在系统的跑道入口5.6 km以内。图1显示了国内某机场A中的3条跑道，以每条跑道入口为圆心，5.6 km为半径画圆的交集，图中灰色椭圆阴影区域是满足要求的VDB天线可用选址范围。结合该机场可用环境，图1中的黑色方形阴影区域是机场可提供的VDB天线安装最佳区域。

图1 机场A中VDB天线位置初选

VDB天线的选址是需要考虑的关键问题，有关GBAS选址的文件FAAO 6884中只是给出了基本的参考或初步的选址范围，要进一步精确选址须建立更加详细的模型以对已选位置的信号覆盖进行评估。

1.2 机场VHF信号传播模型

精确选址与建模须评估机场建筑对VHF信号的遮蔽效应，其中包括候机楼、气象雷达等。在VDB天线和跑道以及机场建筑物之间建立起无线电传播的基本模型，如图2所示。

图2 机场VDB信号传播模型

由图可知，VDB天线发射信号到达机场跑道的主要过程包含了电磁波的视距传播、反射、衍射等过程。对以上3个主要传播过程分别列式[3-5]为

(1)

(2)

(3)

飞机在跑道上滑行或起降过程中接收天线Rx在跑道位置不同的点上所接收到的信号可能存在较大差异。在VDB天线安装好以后需要在跑道上对信号进行检测，具体的检测过程包含了信号强弱、信号质量、一致性校验等。本文主要对接收机信号功率门限问题进行研究。

2 实验与结果分析

2.1 机场资料测量

国内某机场A的平面图如图3所示，位置1是VDB天线拟定点，位置2是候机楼，位置3分别是2条跑道。其中位置1的选定十分关键，VDB天线的安装高度也是要考虑的因素之一，所发射的信号有可能被位置2的候机楼影响导致跑道上信号质量下降甚至达不到所需门限。

图3 机场A平面建筑物图

为避免反复安装测量所带来的不便，采用电磁环境模拟仿真的方法对拟选定的VDB天线进行分析。在反复仿真后得出若干优化的安装方案，以减少实施过程中的不确定因素。

2.2 机场模型建立与仿真

随着系统仿真技术的发展，系统仿真涉及的领域越来越广；电磁场不可见，对所获取的电磁场数据利用可视化的方法加以表达，将不可见的电磁场可视化，从而使仿真用户可以方便地观察仿真的结果[7]。Wireless Insite是一款基于蒙特卡洛方法对复杂电磁环境建模仿真分析的系统，在基于电磁波传播模型下可在50 MHz～40 GHz频段内提供精确的计算结果。

建立如图4所示的机场模型，以15号和16号2条跑道(RWY15和RWY16)为研究对象，并在跑道中心线上测量高为2.4～11.0 m 的VDB信号功率。根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)发布的文件[8]，III类精密进近中要求在跑道表面3.7 m高度(推荐为2.4 m)上覆盖信号以支持航空器自动降落，可参考图5。

图4 VDB天线位置选取与模型建立

同时在VDB天线可能选址的地点上，根据天线到接收机不同的距离和天线到建筑物不同的距离建立20个编号为01～20的VDB天线模拟器。

图5 天线高度范围与功率强度最低要求

其中主要变量是其位置和天线高度的不同，同时也必须满足FFAO ORDER 6884.1选址规范中天线遮蔽角小于5o的要求。VDB天线位置变量可以用各个台与机场建筑物的距离X、各个台到跑道中心线的距离Y表示(如图4所示)，具体排列位置数据如表1所示。

模拟分贝系统公司的DBS100天线，工作频段在108～118 MHz，水平极化，设置发射功率为46 dBm，详细参数参考ICAO附件规范[9]。在图4中显示了各个VDB天线的位置参数，具体数据见表1。表中X为距建筑物端距离、Y为到建筑物对称面距离，单位皆为m，在RWY16一侧为正、RWY15一侧为负。

根据A机场的环境将机场简化(实际工程中某些机场具有更复杂的建筑系统时还需考虑周边建筑，以及在天气条件不同的情况下各部分材料反射系数不同的问题)为机场地面、跑道面、机场建筑(对筑物构型简化，但主体参数仍可在模型中反映)3个主要部分的模型。参考该机场相关资料并查阅有关电磁学文献[10-11]得到在甚高频波段每个部分的相对介电常数、电导率和厚度，具体参数如表2所示。

表1 不同VDB天线位置到建筑物的距离

表2 机场模型的反射系数

2.3 跑道信号仿真与分析

分别定义VDB天线高10、20 m(最适合的天线高度可通过此方法反复试验得到)，通过仿真运算对每一个VDB所产生的信号分别在RWY15与RWY16跑道中心线某确定高处进行信号强度测量，经过甄选，得到部分典型信号，如图6～图8所示。

图6 改变天线高度后功率对比

图7 RWY15接收机功率曲线

图8 RWY16接收机功率曲线

图6中改变VBD天线的高度分别为10和20 m，此时随着天线高度的增加，多路径影响更加明显，受到影响的跑道长度增加。而多径干扰是影响定位精度的主要因素之一[12]。

在图7和图8中分别显示了2条跑道中心线上高为2.4 m处的功率曲线。由于该机场2条跑道之间的建筑物遮蔽问题，图7中RWY15号跑道上VDB03处所收信号在跑道3 200 m以后出现了明显的快衰弱，而在图8中RWY16号跑道上VDB17处信号在跑道1 000 m左右位置出现了明显的衍射与多路径问题并且快接近门限值。

在此次仿真实验中，通过对数据的处理得到VDB天线的最佳位置应该在VDB07、VDB13与VDB14位置。在多次重复试验后，通过模拟与仿真可缩小VDB电台的选择范围，对VBD天线的安装进行参考与指导。

2.4 地形覆盖仿真与分析

考虑到机场及附近建筑物对VDB信号在跑道上的覆盖问题后，还需要考虑航空器进近空域范围信号的覆盖问题。由于VDB天线位于地表，VHF信号在传播过程中会被地形遮蔽，遮蔽物对信号的绕射效应使得信号在被遮蔽后产生较大衰减[13]。这种情况在高高原机场体现更加明显。图9分别为国内某高高原机场B的卫星图和地形图。

图9 机场B卫星图和地形图

图9中灰色圆形阴影区域为VDB信号覆盖的研究区域。由于该机场地形的限制，VDB天线的安装可选区域较小。为研究VBD选址以及信号覆盖问题，将图中VDB-A、VDB-B 2个地点(这2个点分别在机场跑道的2边且均满足初选要求所以具有代表性)设为选址地点，并分别比较二者信号覆盖的区别。

地形仿真测试实验中天线模拟分贝系统公司的Tree Element VDBANTENNA天线，该天线采用三元素堆叠的水平极化偶极子阵列，天线标称增益为5.0 dBi(由该天线的方向图分析，此天线更能反映由地形原因产生的遮蔽问题)，实际过程中也可根据航空器进近方向调整水平极化的VDB天线角度以达到更好的信号覆盖。

根据选址标准FFAO ORDER 6884.1与天线安装在较低位置的原则，此处设置天线高度为10 m、工作频率为114 MHz、发射功率为46 dBm，地形反射类型为树林(反射系数如表2所示)。地形数据采用标准的摇杆卫星数字影像格式GeoTIFF，坐标采用WGS84坐标系。

分别测出在机场标高100、1 000和3 000 m高度层的信号功率分布。部分仿真结果如图10所示。

图10 机场B信号功率覆盖

图10中阴影圆表示45 km半径的覆盖范围。经过对比位置A和B的VDB信号覆盖，得到A位置的信号场强在大于-85 dBm的覆盖范围内大于B位置的信号场强，因此A位置选址明显优于B位置。通过此方法经过多次反复的实验得到较为优化的选址方案。

3 结束语

本文通过在近年来电磁环境仿真研究的基础上提出一种方法来研究GBAS系统VDB天线安装与信号覆盖的问题，旨在有效解决VDB天线选址评估问题。可以总结出大型机场GBAS系统VDB天线安装的位置通常要考虑以下3个问题：1)各跑道之间是否有类似于候机楼的大型建筑物，需考虑该建筑物对信号在各个跑道上的影响；2)增加天线高度或许可以解决信号覆盖问题，但是水平极化的VDB天线可能在覆盖范围内产生更加严重的多路径问题，天线高度的选择需要具体测试以安装在合适的高度；3)在一些地形较为特殊的机场，需要考虑并测量机场周围的地形是否会影响VBD信号的覆盖。

下一步研究方向：1)通过地面移动站和试飞航空器测试实际信号和模拟仿真结果进行比较，得出差异数据以及其他因素的影响；2)增加VDB天线的个数也是解决信号覆盖问题的方案，未来将研究应用多个VBD天线解决信号覆盖问题。

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