引言：本文主要对地基增强系统进行了介绍，并将基于地基增强系统的精密进近着陆系统（GLS）与目前广泛应用的仪表着陆系统（ILS）进行比较。同时，结合地基增强系统的特点及其对保护区环境限制的要求，介绍了GBAS系统对机场运行效率提高的作用。另外，根据GBAS系统信号与导航原理的特点，描述了其对窄距跑道机场运行效率提高的作用。
背景及意义
随着中国民航事业的发展，繁忙的空中交通网络对于国内一些中、大型机场的容量要求显著增大，各机场普遍存在航班流量增大、航班间隔缩小的情况。为了保证进近降落航班能够接收到稳定可靠的仪表着陆系统信号，在《航空无线电导航台（站）电磁环境要求（GB6364-2013）》规定，起飞航班及车辆不得进入仪表着陆系统电磁信号临界区与敏感区。通常情况下，因航向信标敏感区域的限定，航班等待位置至航班滑跑起点位置较远，导致前一航班着陆后，起飞航班需较长时间才能滑行到滑跑起点位置，因此影响了机场航班运行效率。同时，由于仪表着陆系统电磁保护区的限制，在机场实际运行中，可能存在滑行道限制使用、运行维护车辆通行受到限制的情况。而相比于仪表着陆系统（ILS），基于地基增强系统的精密进近着陆系统（GLS）对电磁环境保护区要求显著降低，有助于减小机场内对航班及车辆位置的限制，从而改善机场运行效率。
此外，为满足航班流量增大的需求，越来越多的国内机场使用平行跑道运行模式。而对于不同机场，由于用地经济成本、地理环境等因素的差异，跑道中心线间距也存在差异。国内一些大型机场，如广州新白云机场、上海浦东机场、上海虹桥机场、重庆江北机场等，建有跑道中心线间距小于900m的窄距跑道[1]。在过去的几十年里，仪表着陆系统（以下简称ILS）配合场监雷达能够有效地运用在跑道间距大于1350米的机场航空器的起降，但对于跑道中心线间距小于900米的窄距跑道，由于ILS系统只能引导航班延固定角度及航道进行进近着陆，且航班间存在飞机尾流相互作用等因素的影响。因此传统的起降模式、简单的仪表着陆及场监雷达系统不足以保障双跑道同时起降飞机的安全性，并会显著降低其运行效率。一般来说，窄距跑道的运行效率会显著降低。
而随着导航与定位技术的发展，一种更为精密的飞机进近着陆系统——基于地基增强系统的航空器精密进近着陆系统（GLS）被逐步完善，并已在欧美国家得到了广泛应用。大量数据证明，GLS技术的有效运用，不仅可以提高跑道运行的安全性与可靠性，而且能够增加跑道运行效率，缩短航空器延误时间。
GLS系统介绍
2.1 GLS系统简介
基于地基增强系统的航空器精密进近着陆系统[2]（GLS）是由国际民航组织提出的，具有提供全球、全天候、连续实时导航能力的精密进近导航系统。地基增强系统通过差分GPS信号进行航空器定位，并根据系统完好性、可用性及连续性等参数指标，配合系统监视算法来提高卫星导航的精度。
GBAS系统由地面站、监控设备与机载设备构成，地面站包括：
1）四对参考接收机和天线；
2）地面数据处理设备；
3）甚高频数据广播设备；
4）甚高频数据广播天线。
首先，参考接收机获取可见卫星的GPS信号，地面数据处理设备根据参考接收机的测量值计算出获得GPS信号差分校正值。监视设备不间断对地面站信号及卫星信号异常进行计算，用以检测GBAS系统完好性信息，并通过甚高频数据广播设备将GPS信号差分校正值及系统完好性信息发送给其他数据终端及机载设备。差分GPS系统精确的定位能力可有效提高配对进行时相邻飞机的侧向间距安全裕度，进而改善窄距跑道进近运行效率。
2.2 GLS与ILS系统间比较
GLS是一种基于GBAS的航空器精密进近着陆系统，包括精密的导航定位、飞行指引与着陆功能。实施GLS进近着陆，其飞行操作与仪表显示与ILS类似，与目前广泛应用的ILS系统相比，GLS系统具备以下几点优势：
1）定位精度较高
GBAS系统的定位精度误差不大于1cm，如此高的定位精度，有助于支持航空器进行更加复杂、机动性更高的进近程序，提高飞行效率，并有能力在地理环境较为复杂的机场为航空器提供引导着陆的信号。
2）抗干扰能力更强
ILS系统对保护区平整度要求非常高，积水、杂草的因素都会对信号产生较大影响。而GBAS系统的地面设备，由于接收卫星信号并由VHF天线发送给飞机，对保护区限制要求相对较宽松，抗干扰能力较强。
3）飞行校验频率较低
GLS系统设备通过投产飞行校验后，根据要求，只有当四个GPS接收机地理位置偏差大于6cm时，才需要进行飞机校验。而根据国家标准，I、II类仪表着陆系统（ILS）飞行校验周期为180天，相比而言，GLS系统大大节约了飞行校验经济与时间成本。
4）前方航空器不会影响后方航空器的信号接收[3]
对于ILS系统，为航空器提供的引导信号由信标天线发射，对于进近过程中的航空器，如果航空器与信标天线之间存在障碍物，会对航道信号产生严重影响，故飞机进近工程中，当使用ILS设备引导时，必须保证前方无其他航空器。而基于GBAS的航空器着陆系统（GLS）允许飞机在进近过程中前方存在其他航空器，前方飞机的信号不会对后方进近的飞机产生影响，这将大大提高飞机进近的效率。
5）可变下滑角
由于GLS系统信号的高精密性，GLS系统可以为航空器提供可变的下滑角，这使得管制人员可以根据航空器的大小等因素，指引航空器使用不同的下滑角执行进近，这不仅可以减小飞机尾流造成的相互干扰，提高飞行安全性，而且一定程度上也能提高飞机进近效率。
GLS系统对于航班及车辆限制区的改善
3.1 航向设备临界区和敏感区
为了保证进近降落航班能够接收到稳定可靠的仪表着陆系统信号，在《航空无线电导航台（站）电磁环境要求（GB6364-2013）》规定，起飞航班及车辆不得进入仪表着陆系统电磁信号临界区与敏感区。其中，对机场飞行区内航班运行影响最大的，是航向信标设备敏感区的范围限制。
I类运行的航向设备临界区及敏感区限制范围如下图：
图1 航向信标敏感区及临界区范围
航向设备临界区与敏感区范围与航向天线阵振子数量及最大航空器垂直尾翼高度密切相关。一般来讲，ILS航向天线振子数量越多，其敏感区范围越小，这是因为大孔径的航向天线可以使信号的能量波束变得相对集中，故大孔径的天线对航空器或车辆的限制范围也相对较小。因此，为了降低设备对车辆或航空器的限制，使航空器B型跑道等待位置点后延，可以考虑增加航向天线振子数量、增大天线阵孔径。
图2 天线振子数量对航向敏感区的影响
3.2 GLS系统保护区限制
1）GLS系统保护区限制可分为两个部分考虑，首先，以基准接收天线为圆心，半径155米垂直角度3°以上为障碍物区，限制障碍物存在。图3为基准接收天线障碍物限制区域示意图。
图3 基准接收天线障碍物限制区域
2）以甚高频数据广播天线为圆心，周围200米以外应限制航班的活动。可以发现，GLS设备障碍物限制区范围远小于ILS设备电磁环境保护区。并且，根据第二部分所述的GLS工作原理，其是接收卫星信号机内处理后并通过VDB天线发射，其对障碍物限制区的要求并不是绝对的，如果机场内存在特殊情况，无法移除保护区内的障碍物，可以经模拟分析、专家论证及实验手段分析障碍物的影响并决定是否可以允许该障碍物的存在。
在一些较大型的机场，GLS减小了导航设备保护区的限制，可使得航班B型等待点位置有一点程度的前移，有效缩短起飞航班到滑跑起点位置的距离。并且能够减少对飞行区范围内运行维护车辆的限制，提高机场运行效率。
GLS系统对于窄距跑道航班运行效率的改善
4.1 窄距跑道对航班运行效率影响
窄距跑道，由于ILS系统只能引导航班沿固定角度及航道进行进近着陆，为了保证航班安全间隔及消除飞机尾流影响，一般来说，窄距跑道的运行效率会显著降低。
根据美国联邦航空管理局（FAA）统计的机场平均延误时间数据，平均延误时间最长的芝加哥国际机场，使用宽距跑道传统运行模式，每天平均飞机延误总时长达83小时，而某些运用窄距跑道新运行技术的机场，如洛杉矶机场、西雅图机场、休斯顿机场跑道中心线间距分别约为260米，240米,240米，其每天平均飞机延误总时长均小于10小时[4]。
数据证明，窄距跑道运行的先进技术，不仅可以有效提高跑道运行的安全性与可靠性，而且能够大大增加跑道运行效率，缩短航空器延误时间。随着导航与定位技术的发展，一种更为精密的飞机进近着陆系统——基于地基增强系统的航空器精密进近着陆系统（GLS）被逐步完善，并已在欧美国家得到了广泛应用。大量数据证明，GLS技术的有效运用，不仅可以提高跑道运行的安全性与可靠性，而且能够增加跑道运行效率，缩短航空器延误时间。
4.2 国内外窄距跑道运行先进技术
1）航空器侧向间隔信息技术（AILS）
航空器侧向间隔信息技术[5]（AILS）是NASALangley实验室提出的旨在提高窄距跑道运行效率的空中交通管制技术。该技术重点在于在航空器平行进近的过程中控制航空器保持合理间距，当相邻航空器间距过小，超出预警值时，系统发出告警，由飞行员控制航空器做出调整。
2）终端区域流量增加概念（TECEC）
终端区域流量增加概念[6]（TECEC）是由美国雷神公司与美国国家航空航天局合作，联合提出的适用于跑道中心线间距不小于230米的窄距跑道飞行进近技术。该技术要求航空器在机场终端区边缘附近完成配对，每架飞机飞行程序根据空间与时间结合的四维参数设置，配对的飞机须严格要求预设的四维参数数据飞行以保证下降过程中免受邻机尾流干扰。程序中，在距跑道入口22千米处定义一个控制点，通过该点时，航空器需借助速度控制程序控制飞行速度来保持与前后机的间距。
3）改进的配对进近程序（PairedApproach）
改进的配对进近系统[7]是目前NASA重点发展的窄距跑道运行模式，又被称为“简单的基于航空器的配对进近程序”。其程序中加入了GLS系统的应用。不同于仪表着陆系统进近程序，基于GLS的配对进近程序能够更好地避免飞机冲撞及尾流干扰，并且允许配对完成的后机在进近过程中超越前机[8]。
4.3 GLS系统改善窄距跑道运行效率原理
本文以国外某大型A机场为例介绍其基于GLS应用对窄距跑道运行效率的改善。如图4，机场两条平行跑道中心线间距400米。首先，根据GLS定位精确度高的特点，航空器可以实现较精确的航路控制，当航空器引导到进近位置时，管制员手动或借助自动化系统根据飞机大小对飞机进行配对，原则上一个大飞机配对一个小飞机，这样做可以有效避免飞机间尾流的影响。
图4 某A机场基于GLS的进近改善方案
配对成功后，预降落东外跑道02R及20L方向的航空器在距跑道入口20公里处采取与跑道中心线延长线保持6°斜角的方式进近飞行，当飞机飞行到距跑道入口3.5公里位置时做出方向调整，转为沿跑道中心线延长线进行降落飞行。而另一方面，预降落东内跑道02L及20R方向飞机则按常规方式沿跑道中心线延长线进近飞行。这种配对进近方式最大限度的增加了配对飞机进近过程中的安全裕度。另外，在飞机成功配对后，距跑道入口18公里位置开始，后机为避免受到前机尾流干扰，还需根据接收到的前机信息，借助GLS系统精确控制与前机的距离。
此外，根据GLS系统下滑角可调的特点，参照图5，飞机配对成功后，体型较小的飞机可以适当增大下滑角进行降落，如3.02°，而体型较大的飞机，在跑道长度及机场环境允许的前提下，可以适当减小下滑角，如2.98°。这样做可以有效保持配对飞机间的安全间距，减小配对飞机间的尾流影响。
图5 GLS引导的进近着陆飞机不同下滑角降落
总 结
GLS系统可以帮助航空器实现精密定位，合理运用GLS系统，能够实现提高机场跑道运行效率、减少飞机等待时间、减小对机场内运行维护车辆限制、缩短航班滑行等待距离、增加飞机飞行安全性、减少误点率的目的。本文介绍了GLS原理并根据GLS与ILS系统特点，进行了两种航空器进近着陆系统的优缺点对比。另外，文中对目前ILS与GLS的保护区限制进行了介绍，提出增加航向天线振子数量或使用GLS系统的方法以设备信号保护区对航班及车辆运行的影响。最后，文中描述了GLS系统对改善窄距跑道机场运行效率的应用，利用GLS精确定位及飞行程序灵活性的特点，可以显著提高窄距跑道机场航班航班进近着陆及起飞效率。
参考文献
1、裘坚，关于重庆江北机场平行跑道运行的研究[J].中国科技纵横，2014，11:1617-1621.
2、刘强.差分GPS运动目标跟踪定位系统设计[D].山西太原：中北大学，2013.
3、陈明强，张光明，GBAS在终端区的应用[J].中国民航飞行学院学报，2011,11（22）：6-9.
4、SlatteryR, Lee K, Sanford B. EFFECTS OF ATC AUTOMATION ON PRECISIONAPPROACHES TO CLOSELY SPACED PARALLEL RUNWAYS[J]. Approach Control,1995.
5、WallerMarvin. C, Doyle. T. M. An Analysis of the Role of ATC in the AILSConcept[M]. TM 2000-210091, Fremont, CA: NASA, 2000.
6、Hammer J. Case Study of paired Approach Procedure to Closely SpacedParallel Runway[J]. Air Traffic Control Quarterly, 2000,3:223-252.
7、Guttman L. An Approach for Quantifying Paired Comparisons and RankOrder[J]. Annals of Mathematical Statistics, 1946, 17(2):144-163.
8、PritchettA.Pilot Performance at Collision Avoidance During Closely SpacedParallel Approaches[J]. Air Traffic ControlQuarterly,1999,7(1):47-55.
论文作者
任龙昊-中国民用航空中南地区空中交通管理局
来源：四型机场
