  ——中国民航飞行学院 陈红英 陈哲 随着北斗三号全球卫星导航系统正式投入使用，我国的北斗卫星导航系统BDS（BeiDou Navigation Satellite System）可以为全球用户提供全天候、全时段、高精度的定位、导航和授时服务。目前民航局正在推进兼容北斗的地基增强系统GBAS（Ground-based augmentation system）的国际民航组织标准及建议措施修订，民航局明确要求由空管和机场运行单位负责建设、运行和维护GBAS[1]。 卫星着陆系统GLS（GBAS landing system）是根据GBAS系统提供的飞行指引和着陆功能来实现精密进近[2]。在GLS进近中，机载系统通过接收VHF数据广播VDB（VHF Data broadcasting）传送的FAS（Final approach segment)数据块，计算并构建一条真实数据的航向道和下滑道，并计算航空器偏离预定航迹的水平和垂直偏差，以及与跑道入口的距离，并在驾驶舱相关仪表上显示，使飞机自动驾驶或飞行员能及时调整并保持在下滑道上。 目前，国产的GBAS设备已通过了适航审定和验证，并开始在部分机场安装建设。因此应用基于BDS和国产GBAS设备的GLS进近是必然趋势，在运输航空推广应用GLS进近，飞行员必须理解使用仪表着陆系统ILS（Instrument Landing System)与使用GLS的差异，本文通过分析GLS与ILS的工作原理差异、飞行程序设计差异以及飞行中使用的差异，总结了GLS使用的关键要点，为推广使用基于BDS的GLS精密进近奠定了基础。 1.ILS仪表着陆系统的工作原理ILS是我国目前最主要精密进近着陆方式。截至到2022年9月全国民航运输机场已达到258个，95%以上的机场都安装有至少一套ILS，干线机场通常根据跑道数量会安装多套ILS系统。ILS是通过机载接收设备接收真实的航向道和下滑道信号，使飞机始终保持在航向道和下滑道信号覆盖范围内下降，并安全着陆。ILS系统包括机载接收设备、地面的航向台、下滑台以及指点标台（可以使用DME（Distance measuring equipment）替代），如图1所示。 航向台通常设置在跑道末端，距离跑道末端250~400m，下滑台通常位于进近跑道入口内300m左右，跑道中心线左侧75~200m[3]，DME台通常使用下滑台合装的DME台或者本场VOR台合装的DME台。
图1 ILS仪表着陆系统工作原理 2.GLS卫星着陆系统的工作原理GBAS由卫星系统、地面站和机载系统三部分组成，如图2所示。卫星系统包括GPS和BDS等星座。地面站系统由参考接收机、VHF数据广播VDB和地面处理系统[4]。参考接收机通常安装4部，布置为正四边形。安装位置应在开阔地带，以尽量减少多路径信号的干扰。VDB发射机的VHF频段为108~117.975MHz，通常安装在开阔地带或者候机楼顶上，必须确保广播信号在进近程序的决断高位置处无遮挡。机载系统包含天线、GBAS接收机或者多模式接收机MMR（Multimode receiver）以及控制显示设备。
图2 GLS卫星着陆系统工作原理 在商用运输飞机上MMR是集成GBAS功能的首选加装包，因为MMR很容易将GBAS功能集成到已经存在的ILS着陆系统上。同时已有的机载ILS或者VOR天线可用于接收GBAS的VDB数据，而不需要重新安装VDB接收天线。 3.GLS与ILS工作原理的差异相比ILS，GLS具有导航精度高、建设运行成本低和安全可靠等优点，两者工作原理的差异如表3所示。 表3 卫星着陆系统GLS与仪表着陆系统ILS工作原理差异
总之，GLS是建立真实数据的航向道和下滑道，通过航空器的机载设备计算的航空器位置并确保处于GLS的水平服务区或垂直服务区。因该服务区是由导航数据库确定，因此稳定可靠，不受环境和其他信号干扰影响。 1.GLS飞行程序设计要点GLS进近程序的起始、中间进近航段和复飞最后段，遵守一般飞行程序设计准则。GLS最后进近程序设计，就是构建与ILS相似的障碍物评价面OAS（obstacle assessment surfaces）面，根据穿透OAS面的障碍物确定着陆运行标准。与ILS不同，GLS进近程序设计还需完成相应的FAS数据块的编码[5]。因此GLS与ILS进近程序设计差异主要是确定GARP到入口距离和构建FAS数据块。 GLS进近程序中引入了飞行航径对正点FPAP（Flight path alignment point）和方位基准点GARP（GNSS azimuth reference point）。FPAP位于跑道末端或延长线上，与跑道入口点LTP（Landing threshold point）相反，GARP定义在LTP/FTP与FPAP的连线上，距FPAP为305m（1000ft）位置处的点。FPAP坐标是直接测量的WGS84坐标，GARP坐标由到FPAP的距离和方位计算得到。正常直线进近中FPAP和GARP位置的确定有以下两种情况[6]。 第一种情况是跑道没有安装ILS系统，此时FPAP位于跑道末端，GARP距离FPAP 305m，此时偏置距离为零，如图4所示。 第二种情况是跑道安装有ILS系统，若航向台与跑道末端的距离小于305m，则FPAP设置在跑道末端，GARP距离FPAP 305m，此时偏置距离为零，但GARP与航向台不重合，如图5所示。若航向台距跑道末端的距离大于305m，则航向台位置为GARP位置，FPAP距离GARP为305m，此时偏置距离为FPAP到跑道末端的长度，如图6所示。  图4 FPAP位置示意图（无ILS跑道）  图5 FPAP位置示意图 （ILS跑道，航向台距跑道末端小于305m） 图6 FPAP位置示意图 （ILS跑道，航向台距跑道末端大于305m） FAS数据块是用于保护数据，并确保提供给用户程序信息是程序设计人员所设计的。 GBAS的FAS数据块包含循环冗余码校验余数字段（CRC）一共有20位字段。前19个数据字段受CRC的保护，表7给出了标准FAS数据块内容。 表7 FAS数据块内容
2.GLS飞行程序设计实例以某机场06号跑道为例设计GLS进近程序，机场基本信息如表8所示。 表8 某机场基本信息
06号跑道有ILS系统，航向台距离跑道末端400m，超过了305m，因此GARP为航向台，则FPAP距离GARP305m，此时偏置距离为95m。则跑道入口距离GARP为3400m。 GLS进近与ILS进近的OAS面参数一致。由于目前各运输机场进场和起始进近都主用RNAV或RNP，所以设计了RNP+GLS的进近复飞程序，保护区如图9所示。中间进近航段的超障评估按一般原则，最后进近使用OAS面评估，复飞超障评估差异较大，从图6中分析可知，复飞超障评估从起始爬升位置SOC（Start of climb）开始，1区（绿区）按照OAS的复飞Z面进行超障评估，2区（洋红色区）按照OAS的Y面进行超障评估，3区（蓝色区）按照OAS面的Y面数学外推进行超障评估，4区（红色区）按照RNP1的主区进行超障评估，5区（青色区）按照RNP1的副区进行超障评估。经评估RNP+ILS的运行标准DH为60m，RVR为800m。 图9 某机场跑道RNP+GLS进近复飞保护区 实施GLS有许多设备条件的限制，首先需要支持全球范围内的导航卫星系统，目的地机场需要装有为本地区信号差分修正的地面站GBAS，飞机需要完成适航改装具备与GLS进近相关的飞行管理计算机和多模式接收机等。此外相应机场、空管人员和机组也需要完成相关的培训。 1.GLS与ILS航图的差异GLS进近程序通道号由五位数字组成，范围是20001～39999。如图10所示的悉尼机场34L跑道展示了两种进近程序航图的差异。 首先是航图标题和测距表的差异，ILS和GLS进近图分别用ILS RWY34L和GLS RWY34L表示。ILS航图中测距表的参考点是以DME台（ISN）为基准。而GLS航图中测距表是以RW34L为基准。 其次由于GLS进近没有陆基的导航台，因此航图中显示的是相应程序的信道号Chanel21968，不需要调谐频率，但需要在机载导航控制面板RMP面板上输入程序的通道号[7]，或者在飞行管理计算机上选择相应GLS程序后数据库自动匹配对应的通道号，每一个GLS进近程序对应唯一通道号。 最后GLS进近与ILS进近都有相应的航道。在实际运行时仍然需要调定相应的航道。二者不同的是ILS是两条波束确定的实际航道下滑道，ILS进近程序一旦确定其航道和下滑角度就确定。而GLS是基于数据计算的航道下滑道，数据变化可以通过修改FAS数据包实现。
图10 卫星着陆系统GLS和仪表着陆系统ILS航图对比 2.GLS与ILS在飞行操作中的差异飞行员在实施GLS进近之前要完成相关飞行准备，GLS进近程序通道号可使用导航控制面板调定，空客机型在MCDU进近程序选择页面上选择后计算机将会自动调谐相应频道号。B737NG导航控制面板如图11所示。GLS进近飞行实施在仪表显示和程序操作上基本与ILS一致，在PFD上观察到的航向道偏离和下滑道偏离位置和信息几乎与ILS进近是一致的，如图12所示，但PFD上仪表的满偏刻度不一样，ILS的水平满偏刻度为2.5°，垂直满偏刻度为0.7°，而GLS的水平满偏刻度为2.0°，垂直满偏刻度为0.36°，显示精度更加精确。
图11 卫星着陆系统GLS 进近程序导航控制面板 图12卫星着陆系统GLS 进近在PFD上的显示 飞行员收到可以建立进近许可的进近指令以后，飞行员以相同的步骤选择MCP方式。飞行员可以按照进近程序要求，也可以在管制的指挥下切入五边进近航道。传统盲降通常采用先截获LOC后截获GP的方式，目的是防止因为提前截获到错误的下滑信号而引起飞机提前下降，从而突破保护区触发地形告警风险。GLS的限制与其十分相似，GLS进近飞机截获下滑道之前也应先建立航向道，并且下滑道切入点距离跑道的水平距离通常不小于6NM。 3.GLS的降级处置在GLS进近过程中需要特别注意降级处置，当系统导航精度不足出现告警时，相应的偏离指示可能会变成琥珀色，ND上可能会显示GPS降级类的信息以提示机组精度不够。原因可能是空间星座信号丢失，或者飞机超过容差时间过长，或者FAS数据包丢失或者VDB故障等，或者飞机出现系统故障导致导航能力降级。 出现此种情况飞行员必须及时终止进近或者复飞。一旦复飞执行，从多模式接收机得到的进近引导会被复飞程序替代。由于飞机的引导降级可能是多种原因，飞行员必须确认相应的导航精度是否满足复飞要求，如果精度足够按照数据库中的复飞程序飞行，如果不够要及时通报ATC或者按照传统导航复飞程序飞行，由于此阶段飞行工作负荷大，同时又涉及航图转换和通信等时间压力，尽量使用自动驾驶以减少工作负荷。 GLS作为一种精密进近引导方式，有许多其他设备无法比拟的优越性，总结如下。 首先GLS设备简单，维护方便，运行维护成本低，一套设备可为多条跑道提供引导，一套设备仅需要占用一个VHF频率发射数据，降低了中短距离范围内频率干扰误调的可能，减少了机场区域的设备布局，降低了机场周边净空的要求。 其次从运行使用上考虑，GLS导航精度高，运行中可以与RNP进近程序组合使用，及RNP+GLS运行，就如现行的RNP+ILS程序一样，可以提高空间利用效率，增大机场终端运行容量。 从操作层面上，GLS进近飞行操作方法与ILS进近操作基本一致，减少了差异化飞行训练的内容，在关键节点上标准操作程序动作与ILS高度相似减少了人为出错的概率。 [1] 中国民用航空局,中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图[S],2019.11.26. [2] 中国民用航空局飞行标准司,卫星着陆系统（GLS）运行批准指南(AC-91-FS-2015-29) [S], 2015. [3] 中国民用航空局,航空无线电导航设备 第一部分 仪表着陆系统(ILS)技术要求[S],1999.8.1. [4] 张也，论GBAS技术在中国民航的应用[J],数字技术与应用，2019.9：VOL37 NO9. [5] 赵磊，肖欢畅，民航GLS 进近运行技术研究[J], 数字技术与应用，2017.8. [6] 中国民用航空局飞行标准司,航空器运行目视和仪表飞行程序设计规范（AC-97-FS-005R1）[S],2021.10.13 [7] 和佳雯,GBAS飞行程序研究[J], 现代导航,2019.2. ——本文源自《飞行员》杂志2023年第3期 总第119期 |
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