航空运输量的快速增长使得空域资源十分紧张。例如,北京首都国际机场每天进出港的航班数量约为1400架次,已接近饱和。与此同时,其他飞机的任务也在不断增多,使得本已紧张的空域更加拥挤。
国际民用航空组织(ICAO)与各缔约国和相关国际组织一道,致力于推广新技术,以满足未来空中交通管理的需求。人们已达成共识,将基于性能的导航(PBN)作为未来全球导航技术的主要发展方向。 PBN运营的导航设施主要是全球导航卫星系统(GNSS)。为了提高GNSS的精度和完整性,需要增强GPS的性能,以达到降低飞机最低着陆标准的目标,满足I类精密进场(CAT I)、II类精密进场(CAT I)的要求。 CAT II),甚至III 类精密进场(CAT III)运行要求。 GNSS增强系统分为三种类型:机载增强系统(ABAS)、星基增强系统(SBAS)和地基增强系统(GBAS)。
机载增强系统(ABAS)
ABAS使用机载GPS信息和其他传感器信息来监控机载导航系统的完整性。目前,航空公司普遍采用接收机自主完整性监控(RAIM),基于用户多模接收机(MMR)的冗余观测来监控用户定位结果的完整性。目的是检测导航过程中的故障。卫星确保导航定位精度。当没有其他增强系统可用时,航空公司的GNSS接收器必须具有ABAS功能,并且可以通过多个渠道获得RAIM预测值。
星基增强系统(SBAS)
SBAS是基于地球静止轨道卫星的区域广域差分增强系统。该系统确保GPS信号满足准确性、完整性、连续性和可用性要求。 SBAS主要由SBAS卫星、机载接收机和地面设备组成。其地面设备由地面站、参考站和主站组成。每个站都通过地面通信网络连接。
目前,SBAS包括美国的广域增强系统(WAAS)、欧洲的地球静止导航叠加系统(EGNOS)、日本的多功能卫星增强系统(MSAS)和印度的GPS辅助地球静止轨道增强导航系统(GAGAN)。但从全球飞机使用情况来看,WAAS和EGNOS仍是主要。
EGNOS是欧洲自主研发建设的星基导航增强系统。它通过增强GPS和GLONASS两大卫星导航系统的定位精度来满足高安全性用户的需求。目前EGNOS已覆盖欧洲大陆,欧盟成员国中有14个国家参与了EGNOS。 EGNOS通过地面测距和完整性监测站(RIMS)接收GPS卫星信号,通过网络将信号传输到4个主控制中心(MCC),并将校正后的GPS数据传输到5个陆地导航地球站(NLES)。 3颗地球静止轨道(GEO)卫星,包括东大西洋卫星(AOR-E)、印度洋IOR卫星和非洲上空的地球同步通信卫星阿耳忒弥斯卫星。然后,GEO 会将修正后的GPS 信号发送至飞机MMR,以提高飞机导航和定位精度。
美国于2003年7月10日开始建设WAAS系统。截至2015年6月28日,美国共公布了3554个LPV程序,满足1732个机场的需求。
WAAS系统通过美国大陆38个广域参考基站(WRS)接收GPS卫星信号,并通过地面传输网络将信号传输到3个WAAS主机站(WMS)进行数据处理。完成后,修正后的GPS信号将通过4个GEO数据链传输基站传输至2颗GEO卫星,GEO卫星将修正后的GPS信号发送至飞机MMR,以提高飞机导航定位精度。
地基增强系统GBAS
GBAS在差分定位提高卫星导航精度的基础上,增加了一系列完整性监测算法,提高系统完整性、可用性、连续性指标。在机场覆盖的空域内,配备相应机载设备的飞机可以获得CATI甚至更高标准的精密进近和着陆引导服务。与ABAS和SBAS相比,GBAS具有更高的精度,并且可以实现更低的着陆标准。
与传统的ILS相比,GBAS具有许多优势。与ILS最大的区别在于,GBAS只需要一套设备即可覆盖所有机场跑道,满足任意方向CAT I、CAT II、甚至CAT III的运行要求。如果系统在运行过程中出现故障,只需就近安装替代系统即可。但ILS系统一旦出现故障,将会影响整个跑道的运行,严重时甚至会导致机场关闭。另外,对于ILS进近,由于设备的固有限制,如果在服务区之外过早捕获航向道信号,可能会导致飞机过早开始切入航向道。但GBAS有服务边界限制,飞机在进场时不会出现这个问题。 GBAS 消除了大型机场的关键和敏感区域,并提高了跑道使用效率。
FAA于2009年对霍尼韦尔SmartPath系统的LASS系统进行了认证,并于2010年完成了CAT III LASS地面和机载设备原型的设计和建造。CAT III目前正在大西洋城(ACY)机场实施。 LASS 验证有效。截至2015年第一季度,美国已在纽瓦克(EWK)机场、格兰特县(MWH)机场和休斯敦(AIH)机场应用SmartPath系统引导飞机进场和降落。这三个机场的地勤单位设备均已安装完毕。升级至霍尼韦尔SLS-4000将更好地满足机场的运营需求。
欧洲自2009年起逐步部署GBAS测试系统并开展GBAS方法研究。 2012年2月13日,柏林航空使用符合CAT I标准的GBAS设备在不来梅机场完成了进场。此后,德国法兰克福机场、西班牙马拉加机场、瑞士苏黎世机场也纷纷实施GBAS运营。
澳大利亚于2006年在悉尼机场安装了霍尼韦尔SLS-3000 GBAS设备进行验证。从2006年到2010年,澳洲航空使用早期试验原型系统在悉尼机场执行了2000多次进场,并使用了GBAS。该系统执行了超过750 次进场飞行。 2012年12月,Airservices和澳洲航空联合对霍尼韦尔的SLS-4000 GBAS地面增强系统进行了操作测试和评估。配备机组人员和相应设备的波音737-800和空客A380飞机能够根据天气条件进行SmartPath进场飞行。 2014 年7 月,Airservices 开始在悉尼机场安装新的着陆系统,使SmartPath 首次在南半球投入运行。
2006年,鉴于林芝机场特殊的地理条件,中国民航局空管局批准了民航GNSS卫星完整性监测工程二期工程林芝机场GBAS测试项目,由中国电子科技集团公司第二十研究所主办。与民航数据通信有限公司共同承担该项目的实施工作,建立GBAS系统,为林芝机场提供准确稳定的GPS信号,并通过数据采集和跑车测试验证了GPS信号增强的效果。
2014年7月28日,中国电子科技集团公司研制的国内首套GBAS卫星导航着陆系统在天津滨海国际机场安装并取得适航证。 2015年4月29日,东航一架A321和山东航空一架波音737在上海浦东国际机场完成了霍尼韦尔SmartPath精密进近系统的首次飞行验证。
(国航培训部李峰;中国民航管理学院空管系李东斌)
原文发表于《国际航空》 2015年第8期,以上为部分内容。欢迎分享,转载请注明出处。
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