地基增强型卫星着陆系统（GLS）与仪表着陆系统（ILS）对比分析—

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地基增强型卫星着陆系统（GLS）与仪表着陆系统（ILS）对比分析——以天津滨海国际机场为例

发表时间：2021/6/16 来源：《探索科学》2021年5月作者：王妍心

[导读] 在新航行系统中，地基增强型卫星着陆系统（GLS）被认为可以替代目前广泛使用的仪表着陆系统（ILS）作为新一代着陆系统。本文介绍了GLS的组成部分及基本原理,论述了GLS较传统ILS的运行优势,并结合天津滨海国际机场实际案例对比分析了GLS与ILS仪表进近程序设计的区别，最后阐述了GLS实际运行遇到的问题并对其应用前景进行了展望。

北京民航局空管局航行情报服务中心王妍心

摘要：在新航行系统中，地基增强型卫星着陆系统（GLS）被认为可以替代目前广泛使用的仪表着陆系统（ILS）作为新一代着陆系统。本文介绍了GLS的组成部分及基本原理,论述了GLS较传统ILS的运行优势,并结合天津滨海国际机场实际案例对比分析了GLS与ILS仪表进近程序设计的区别，最后阐述了GLS实际运行遇到的问题并对其应用前景进行了展望。
关键词：地基增强型卫星着陆系统（GLS）；地基增强系统（GBAS）；仪表着陆系统（ILS）；运行优势；对比分析
        1.研究背景
        随着中国民航的飞速发展，民航的航班量与日俱增，空中管制的压力也越来越大，但目前绝大部分民用运输机场都仍以仪表着陆系统（ILS）为主要着陆手段，可是ILS存在如频道少、对场地敏感度高、成本较高、只能提供单一直线下滑道等缺陷，这些先天弊端也逐渐成为限制民航发展的障碍。中国作为民航大国，为克服这一障碍一直坚持引进并研究国际先进技术。地基增强型卫星着陆系统（GLS）支持多角度多路径的进近程序、对场地要求低、运行成本低，对于提升吞吐量和实现更安全高效的运行具有重要作用。世界各国对它的研究早在二十年前就已经开始了，并且部分发达国家已经进行了GLS飞行试验，取得了良好的试验效果。我国民航局近年来也一直出台相关政策积极推进GLS在中国的实施与运用。目前，GLS已经成为我国民航力推的四大航行新技术之一。推进GLS运行应用将作为民航局年度重点工作，同时也是路基导航向星基导航过渡的标志。
        2014年国内首套自主研制的GBAS卫星导航着陆系统（GLS）正式在天津滨海国际机场开展安装和试验运行工作。2019年天津机场完成了2次飞行验证。2020年至今，天津机场持续开展国产设备的投产开放相关准备工作。目前天津机场已经完成了GBAS设备的台址及频率申请与审批、飞行程序设计与审批、投产飞行校验、试飞验证、竣工验收、运行手册编制、人员培训及执照获取等工作，具备了申请投产开放的条件。民航局空管局航行情报服务中心是我国航行情报资料的发布单位，本人作为情报中心资料汇编室的编辑员有幸参与制作天津滨海国际机场GLS程序，本文将结合制作过程中对天津GLS程序的深入研究对GLS与ILS程序进行比较。
        2.地基增强型卫星着陆系统（GLS）概述
        “GLS是指地基增强系统（GBAS）提供的飞行指引和着陆功能，包含与自动驾驶及其他相关系统互联的机载GLS设备，以及建立在GBAS 增强的卫星定位信息基础上，实现的精密进近和着陆功能（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ类）。”
        “GBAS系统是一种用户接收机导航增强信息来自于地面发射机的卫星导航增强系统，包括空间导航卫星星座系统、地面增强系统和机载接收机系统三部分。”空间导航卫星星座系统，包括美国GPS星座、俄罗斯GLONASS星座、欧洲Galileo星座、我国北斗（BDS）星座等。其主要功能是同时给机载GBAS系统和GBAS地面站输送信息。地面增强系统，包括地面站、参考接收天线、甚高频数据广播（VDB）发射天线等。主要负责监控空间导航卫星星座发射的导航信号，并通过VDB向其作用范围内的所有航空器提供最后进近航段（FAS）数据块、伪距修正量及导航信号完好性信息等，以支持航空器的运行需求。机载接收机系统，主要是多模接收机（MMR）,主要用于接收GNSS卫星信号和GBAS地面站VBD发送的信息，解算并修正出航空器的定位信息，并定义所需下滑道，提供进近引导。
        因此，综合来看，GLS进近的基本原理就是机载子系统通过接收地面VDB传送的FAS数据块，来定义一个虚拟的航向道/下滑道，结合GBAS接收机/MMR的高精度三维定位输出，计算航空器偏离定义航迹的情况，形成垂直和水平偏差，以及到跑道入口的距离，并在相关仪表（PFD、ND）上显示。
        3. GLS相比ILS进近程序的运行优势
        与传统的ILS进近程序相比较，GLS精密进近程序有很多优势，这些优势主要包括以下几点:
        ⑴ 运行成本降低：一套ILS系统只可用于一条跑道的一个方向，而一套GLS系统可以同时满足多个仪表进近程序的运行需求，提高了机场容量和运行效率，并且GBAS设备定期校验时间间隔周期较长，ILS系统的航向台和下滑台校验周期短，因此GLS的设施/设备建设、维护成本低。
        ⑵ 场地要求低：ILS系统航向台和下滑台有敏感区和临界区保护的限制，对导航台的安装位置和运行的环境要求较高。ILS设备在有高大密集的障碍物或地形复杂的地区，由于电磁环境的影响而不适于安装。而GLS系统对安装场地要求较低，可以为那些因地理位置限制而无法安装ILS设备的机场提供精密进近导航，并且实施Ⅱ、Ⅲ类GLS运行的机场场地改造成本更低。
        ⑶ 受天气影响减小：ILS进近程序中，驾驶员根据能否充分看清跑道和有无把握让航空器着陆来决定是否继续着陆，若无法着陆需在决断点拉起复飞，或转飞备降机场。ILS着陆类别越高，越能让航空器在天气恶劣情况下着陆。但由于我国大部分机场的ILS都采用CAT I标准工作，因此我国机场受到天气影响而造成航班延误的现象比较频繁。GLS系统能在不改变原有机场布局的前提下，使其能够短时间内支持CAT I、II，甚至具有运行CAT IIIC的潜力。机场最大程度地降低了天气对飞行的限制, 大大提高了机场的可用性。
        ⑷ 航空器间隔缩小: 在最后进近航段上，位于前方的航空器不会遮挡后方航空器的GBAS信号，从而可缩小进近航空器的间隔。

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        ⑸ 航迹灵活性提高：ILS变更下滑道需调试GP参数，而GLS系统使着陆跑道入口（THR）变更更加灵活，最后进近下滑角度也更易于调整，可以降低噪音、缩短尾流间隔。导航性能更优，GLS与基于性能的导航（PBN）结合，可以实现曲线进近从而缩短航程。
        ⑹ 信号更加稳定：GLS系统不易受地面（如正在滑行的航空器和作业车辆等）和空中活动的影响，为缩小管制间隔创造了很好的条件。
        4. 结合天津机场实际案例对比分析GLS与ILS仪表进近程序
        一张仪表进近图包括图框外信息、平面图、测距表、剖面图、最低着陆标准、下降率表几部分内容。图框外信息包括机场名称、航图名称、跑道号、磁差、机场标高、入口标高以及通信频率等。平面图包括从起始进近定位点开始的起始进近、中间进近、精密进近和最后复飞航段的程序以及相关导航台信息、最低扇区高度信息、比例尺和导航规范。剖面图包括从中间进近定位点开始一直到复飞航段的剖面图、每个航段的最低下降高度（MDA）、基准高（RDH）、复飞程序的文字描述、过渡高度和过渡高度层信息等。本文以天津滨海国际机场16号跑道的GLS与ILS仪表进近图为例，将二者做以比较。
        ⑴ 在图框外信息这一部分，原本的天津ILS程序航图的图名为ILS/DME RWY16R，而GLS程序的图名为GLS RWY16R，其他部分没有任何区别。
        ⑵ 在平面图中，与ILS/DME程序相比，GLS程序在起始进近定位点（IAF）到中间进近定位点（IF）的过程中增加了一个区域导航空间点（PBN点），这是因为GLS程序中起始进近航迹与中间进近航迹的交角不应该超过90°，若交角大于70°，必须在转弯之前至少4km（2NM）处提供径向线、方位线、雷达引导、DME或RNAV信息进行确认，以便其转至中间航迹。
        ⑶ 在平面图中，GLS程序中IF点必须位于GBAS的服务范围以内，通常距着陆入口点（LTP）的距离不超过37km（20NM），但是ILS程序也满足此条件，所以IF点并未有所改动。
        ⑷ ILS程序中平面图和剖面图中都会有最后进近定位点（FAF），此点是在最后进近航段下滑道不工作（GP INOP）时，开始下降准备着陆的定位点。然而GLS程序中并没有FAF点，取而代之的是最后进近点（FAP），它是精密航段起始点，即此前航段的最低高度与标称下滑道的交点，位于入口之前，距入口不应该超过18.5km（10.0NM）处，并且有必要在FAP设置一个定位点以便对显示的下滑道与航空器高度表信息进行比较。
        ⑸ 在平面图中，因为GLS程序中航空器在跑道末端前禁止转弯，所以要在跑道末端增设一个PBN点，这也是在ILS程序中不需要的。
        ⑹ 在平面图中，GLS台和ILS台所标注的信息也是不同的，ILS台上标注了台的角度、频率、呼号和摩尔斯代码，然而GLS台上标注了通道号和参考路径标识符（RPI）。
        ⑺ 在平面图中，GLS程序一定要写明导航规范“要求GNSS”，而ILS程序则不需要。
        ⑻ 在剖面图中，GLS程序的标准条件是RDH必须为15m，而ILS的RDH是根据多次测量所得的平均值。
        ⑼ 除了上述这些不同点，由于GLS程序并不会像ILS程序存在下滑道不工作（GP INOP）的情况，所以在ILS程序中GP INOP时才需要的测距表、下降率表、FAP之后的最低下降高度阴影、GP INOP最低着陆标准在GLS程序中都是不需要公布的。
        由此可见，GLS与ILS仪表进近程序的差别较大，由GLS到ILS的完全过渡是需要一定时间的。因此我国民航对于GLS的应用方向主要是为大型繁忙机场做ILS系统的备份，仅在少数因地理条件限制而有特殊需求的中小机场作为精密进近的主要手段。
        5.研究进展与展望
        目前，我国虽然已在天津等地进行了GLS飞行程序实地试飞验证，但根据自然资源部《测绘地理信息管理工作国家秘密范围的规定》的有关规定，由于该程序的公布涉及到播发着陆入口点（LTP）等敏感坐标数据的对外公布，所以暂时还没有确定对外公布此程序的方法。然而，随着民航局空管局情报中心逐步开始独立制作并维护我国的机载导航数据库，而非继续依赖于国外的机载导航数据公司，该问题终将得到解决。2020年7月31日，习总书记宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗系统进入到全球服务新时代。民航作为北斗系统的重要应用领域，GBAS设备的开放和运行为后续兼容北斗系统的双频多星座技术的发展与应用奠定了基础。届时国家相关政策可能也会有所调整，更加支持GLS和北斗系统的发展。相信在不久的将来，GLS将会作为备用甚至主用着陆系统陆续出现在各大国际机场、多跑道机场以及一些高高原机场。
参考文献：
[1]AC-91-FS-2015-29.卫星着陆系统（GLS）运行批准指南[S].北京:中国民用航空局飞行标准司,2015.
[2]AC-97-FS-2011-01.民用航空机场运行最低标准制定与实施准则[S].北京:中国民用航空局飞行标准司,2011.
[3]魏光兴.GLS 进近的实施方法与优越性比较[J].中国民航飞行学院学报, 2006,17(06).
[4]于珊珊.GLS 导航数据编码理论研究[D].中国民用航空飞行学院,2016.
[5]刘君.基于GIS 的GBAS 着陆系统应用研究与仿真[D].天津:中国民航大学,2015.