III类GBAS发展现状和趋势

文/程松

1 地基增强系统

地基增强系统（GBAS）因其精度高、抗干扰能力强、运行成本低、支持一套地面设备服务多条跑道、支持曲线进近、能最大程度降低天气影响从而提高机场容量和运行效率等优点，成为国际民航组织在《空中航行计划》中明确的导航技术发展方向和重点推进的新技术，美国、欧洲、中国等国家和地区都将其作为未来终端区和进近运行的主用导航系统并制定了相应的实施路线。

GBAS 旨在支持CAT I/II/IIIa/IIIb 精密进近运行，此外还能支持带有垂直引导的进近运行（APV-I，APV-II）。GBAS 服务类别（GBAS Service Levels，GSL）定义不同的LAAS 进近服务性能。一种服务类别定义了一个层级上对精度、完好性和连续性的要求，如表1所示。

2 GBAS的技术发展趋势

国际上 GBAS 技术的发展包括了几种不同的运行概念：

2.1 支持CAT I运行标准

GAST-C：基于GPS 单频，国际相关标准已发布；

GAST-E：基于Galileo 单频。

2.2 支持CAT II/III运行标准

GAST-D：基于GPS 单频，国际相关标准已发布；GAST-F：基于双频多星座（DFMC），相关标准还在研究制定中。DFMC GNSS 可以改善导航性能，双频信号的使用可以弥补单频信号易受无线电频率干扰和电离层扰动影响的弱点。多星座信号的使用可以降低电离层闪烁影响和单星座时可见星不足的风险。

3 CAT II/III GBAS

3.1 GAST-D GBAS

GAST-D 基于GPS 单频实现CAT II/III 类运行，在地面设备部分，在GAST-C 对伪距做100 秒平滑后进行完好性监测和差分校正的基础上，增加了30 秒平滑伪距差分校正，对外播发数据增加30 秒平滑伪距差分修正信息MT11，以支持机载监测器对电离层影响的监测。

目前，美国、欧洲、日本和中国相继开展了GAST-D 原型系统的研制。FAA 于2017年开始对美国Honeywell 公司的GAST-D GBAS 系统进行系统设计许可（System Design Approval, SDA）审查，但由于资金等原因，FAA 暂停了相关的工作。欧洲Indra 公司和Thales 公司支持欧洲单一天空计划（SESAR）CAT III GBAS 项目的研发和验证。日本ENRI和NEC 联合在新石垣机场进行GAST-D GBAS 原型系统的研发和验证，2018年完成了地面和机载子系统软件的开发和部署，开始数据收集和分析，计划2019年进行空地实验。国内，中国电科正在其CAT I GBAS 产品的基础上进行GAST-D 升级的研发工作。

表1：GSL 划分

表2：CAT II/III GBAS 原型系统

GAST-D GBAS 面临的最大问题是电离层威胁，Honeywell 在巴西里约热内卢机场建立GBAS 系统支持其电离层监测工作，但是否能够保证达到CAT III 的运行标准需要继续论证和测试。

3.2 GAST-F GBAS

全球四大卫星导航系统（美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧洲的Galileo 和中国的BDS）在不断发展，各个卫星星座不同频点的数据也在不断完善，这为双频多系统（Dual-Frequency/Multi-Constellation，DFMC）的GBAS 提供了可能。因此支持II/III 类运行，基于双频多系统的GBAS 运行概念GAST-F 应运而生。由于双频信号能够消除电离层的影响，DFMC GBAS 成为了未来的发展趋势。欧洲基于Galileo 和GPS 开展双频多星座的研究已经取得了一些成果，Indra 在在巴塞罗那机场安装了用于GAST F 研究和验证的系统，SESAR 形成了DFMC GBAS 的概念框架。在空地接口上，MT2 电文中设计了Supported Constellations 指示，提出了不同星座组合下星历误差系数的组合方式，增加了L5 频点校正量的低频电文MT42 以及高频完好性指示报文MT50，用来指明系统支持的星座数量和频点使用信息。

CAT II/III GBAS 在全球的设备部署情况如表2所示。

4 基于北斗的GBAS

我国正在实施北斗三号系统建设。根据系统建设总体规划，2018年底，完成19 颗卫星发射组网，完成基本系统建设，向全球提供服务；2020年前后，完成30 颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。BDS 正在致力于被纳入国际民航信号体制，成为民航用户的可用星座，并为民航提供B1C 和B2a 双频信号。中国民航将兼容北斗的卫星导航民航应用列为未来的发展重点之一。发展兼容北斗的GBAS，特别是基于北斗研究DFMC GBAS 对于未来我国GBAS 的应用推广具有现实意义。

基于BDS实现支持CAT I运行的GAST-C GBAS，采用B1C 频点信号，报文内容需要在现有标准下增加对BDS 星座以及星座误差系数参数的分配。GAST-D GBAS 的实现采用B1C 频点信号，需要对电离层问题进行设计和验证，有模型法、依靠未来BDSBAS支持或实时监测电离层几种不同的方法。

结合BDS 实现DFMC GBAS，需要关注以下三个问题。

（1）星座的选择问题。相较于单星座，双星座对PDOP 值（Position Dilution of Precision）的改善较为明显，结合三个星座后，并没有带来更大的变化，因此考虑多星座其它方面的复杂度，选择双星座BDS+GPS 或BDS+Galileo。

（2）双频信号完好性监测。双频信号可以消除电离层的误差，针对双频信号，部分完好性监测环节需要进行调整。

（3）服务模式。在不能满足CAT II/III 类运行标准的情况下，需要对服务模式进行降级，从GAST-F 降级到GAST-C，或从GAST-D 降级到GAST-C，两种路线，需要有相应的指示器以及对电文内容进行调整。

5 展望

DFMC GBAS 在支持CAT II/III 类运行上，有技术优势，但兼容BDS 的的实现还需要加速相应标准的建立。中国民航将在2021年至2030年间大力推进在不具备仪表着陆系统设施的机场实现兼容BDS 的CAT IGBAS 实施，并在指定机场开展CAT II/III 类验证，未来将积极开展以北斗卫星导航系统为核心，兼容GPS、Galileo 的我国民航卫星导航体系的建设，推进北斗卫星导航系统的全球应用。