張夢龍，趙巍巍，張光明

(中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

地基增強(qiáng)系統(tǒng)(ground-based augmentation system，GBAS)是提供全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)差分校正和完好性檢測的系統(tǒng)，GBAS在主機(jī)場附近(約45 km半徑)提供導(dǎo)航和精密進(jìn)近服務(wù)，通過來自地面的發(fā)射機(jī)發(fā)射甚高頻(very high frequency，VHF)無線電數(shù)據(jù)鏈路廣播差分校正信息。

VHF信號須在進(jìn)近空域與跑道上覆蓋并達(dá)到要求。甚高頻數(shù)據(jù)廣播(VHF data broadcasting，VDB)天線的選址是GBAS系統(tǒng)地面站安裝的重要環(huán)節(jié)，將直接影響到信號的覆蓋，信號的完好對航空器安全著陸至關(guān)重要。VDB天線安裝過程中須考慮地形和建筑對信號的遮蔽問題。目前國內(nèi)民航領(lǐng)域GBAS處于剛起步與實(shí)驗(yàn)階段，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)地基增強(qiáng)系統(tǒng)最終將建成全國一張網(wǎng)[1]。國外在VDB天線選址中大多選擇實(shí)際安裝后再對信號質(zhì)量進(jìn)行測量，進(jìn)而周期長、成本高；而且各個(gè)機(jī)場地形差異大，導(dǎo)致方法缺乏普遍性。

針對具體機(jī)場物理環(huán)境的不同，采用一種能廣泛評估信號覆蓋的方法顯得尤為必要。本文基于系統(tǒng)仿真，提供一種分析與評估VDB信號覆蓋的方法，擬解決現(xiàn)行VDB天線選址過程中的問題。

1 GBAS地面站選址理論依據(jù)

1.1 VDB天線初步選址

美國聯(lián)邦航空局發(fā)布的文件界定了GBAS選址的一些關(guān)鍵要求[2]，其中規(guī)定VDB天線須在系統(tǒng)的跑道入口5.6 km以內(nèi)。圖1顯示了國內(nèi)某機(jī)場A中的3條跑道，以每條跑道入口為圓心，5.6 km為半徑畫圓的交集，圖中灰色橢圓陰影區(qū)域是滿足要求的VDB天線可用選址范圍。結(jié)合該機(jī)場可用環(huán)境，圖1中的黑色方形陰影區(qū)域是機(jī)場可提供的VDB天線安裝最佳區(qū)域。

圖1 機(jī)場A中VDB天線位置初選

VDB天線的選址是需要考慮的關(guān)鍵問題，有關(guān)GBAS選址的文件FAAO 6884中只是給出了基本的參考或初步的選址范圍，要進(jìn)一步精確選址須建立更加詳細(xì)的模型以對已選位置的信號覆蓋進(jìn)行評估。

1.2 機(jī)場VHF信號傳播模型

精確選址與建模須評估機(jī)場建筑對VHF信號的遮蔽效應(yīng)，其中包括候機(jī)樓、氣象雷達(dá)等。在VDB天線和跑道以及機(jī)場建筑物之間建立起無線電傳播的基本模型，如圖2所示。

圖2 機(jī)場VDB信號傳播模型

由圖可知，VDB天線發(fā)射信號到達(dá)機(jī)場跑道的主要過程包含了電磁波的視距傳播、反射、衍射等過程。對以上3個(gè)主要傳播過程分別列式[3-5]為

(1)

(2)

(3)

飛機(jī)在跑道上滑行或起降過程中接收天線Rx在跑道位置不同的點(diǎn)上所接收到的信號可能存在較大差異。在VDB天線安裝好以后需要在跑道上對信號進(jìn)行檢測，具體的檢測過程包含了信號強(qiáng)弱、信號質(zhì)量、一致性校驗(yàn)等。本文主要對接收機(jī)信號功率門限問題進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 機(jī)場資料測量

國內(nèi)某機(jī)場A的平面圖如圖3所示，位置1是VDB天線擬定點(diǎn)，位置2是候機(jī)樓，位置3分別是2條跑道。其中位置1的選定十分關(guān)鍵，VDB天線的安裝高度也是要考慮的因素之一，所發(fā)射的信號有可能被位置2的候機(jī)樓影響導(dǎo)致跑道上信號質(zhì)量下降甚至達(dá)不到所需門限。

圖3 機(jī)場A平面建筑物圖

為避免反復(fù)安裝測量所帶來的不便，采用電磁環(huán)境模擬仿真的方法對擬選定的VDB天線進(jìn)行分析。在反復(fù)仿真后得出若干優(yōu)化的安裝方案，以減少實(shí)施過程中的不確定因素。

2.2 機(jī)場模型建立與仿真

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)仿真涉及的領(lǐng)域越來越廣；電磁場不可見，對所獲取的電磁場數(shù)據(jù)利用可視化的方法加以表達(dá)，將不可見的電磁場可視化，從而使仿真用戶可以方便地觀察仿真的結(jié)果[7]。Wireless Insite是一款基于蒙特卡洛方法對復(fù)雜電磁環(huán)境建模仿真分析的系統(tǒng)，在基于電磁波傳播模型下可在50 MHz～40 GHz頻段內(nèi)提供精確的計(jì)算結(jié)果。

建立如圖4所示的機(jī)場模型，以15號和16號2條跑道(RWY15和RWY16)為研究對象，并在跑道中心線上測量高為2.4～11.0 m 的VDB信號功率。根據(jù)國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)發(fā)布的文件[8]，III類精密進(jìn)近中要求在跑道表面3.7 m高度(推薦為2.4 m)上覆蓋信號以支持航空器自動(dòng)降落，可參考圖5。

圖4 VDB天線位置選取與模型建立

同時(shí)在VDB天線可能選址的地點(diǎn)上，根據(jù)天線到接收機(jī)不同的距離和天線到建筑物不同的距離建立20個(gè)編號為01～20的VDB天線模擬器。

圖5 天線高度范圍與功率強(qiáng)度最低要求

其中主要變量是其位置和天線高度的不同，同時(shí)也必須滿足FFAO ORDER 6884.1選址規(guī)范中天線遮蔽角小于5o的要求。VDB天線位置變量可以用各個(gè)臺與機(jī)場建筑物的距離X、各個(gè)臺到跑道中心線的距離Y表示(如圖4所示)，具體排列位置數(shù)據(jù)如表1所示。

模擬分貝系統(tǒng)公司的DBS100天線，工作頻段在108～118 MHz，水平極化，設(shè)置發(fā)射功率為46 dBm，詳細(xì)參數(shù)參考ICAO附件規(guī)范[9]。在圖4中顯示了各個(gè)VDB天線的位置參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。表中X為距建筑物端距離、Y為到建筑物對稱面距離，單位皆為m，在RWY16一側(cè)為正、RWY15一側(cè)為負(fù)。

根據(jù)A機(jī)場的環(huán)境將機(jī)場簡化(實(shí)際工程中某些機(jī)場具有更復(fù)雜的建筑系統(tǒng)時(shí)還需考慮周邊建筑，以及在天氣條件不同的情況下各部分材料反射系數(shù)不同的問題)為機(jī)場地面、跑道面、機(jī)場建筑(對筑物構(gòu)型簡化，但主體參數(shù)仍可在模型中反映)3個(gè)主要部分的模型。參考該機(jī)場相關(guān)資料并查閱有關(guān)電磁學(xué)文獻(xiàn)[10-11]得到在甚高頻波段每個(gè)部分的相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率和厚度，具體參數(shù)如表2所示。

表1 不同VDB天線位置到建筑物的距離

表2 機(jī)場模型的反射系數(shù)

2.3 跑道信號仿真與分析

分別定義VDB天線高10、20 m(最適合的天線高度可通過此方法反復(fù)試驗(yàn)得到)，通過仿真運(yùn)算對每一個(gè)VDB所產(chǎn)生的信號分別在RWY15與RWY16跑道中心線某確定高處進(jìn)行信號強(qiáng)度測量，經(jīng)過甄選，得到部分典型信號，如圖6～圖8所示。

圖6 改變天線高度后功率對比

圖7 RWY15接收機(jī)功率曲線

圖8 RWY16接收機(jī)功率曲線

圖6中改變VBD天線的高度分別為10和20 m，此時(shí)隨著天線高度的增加，多路徑影響更加明顯，受到影響的跑道長度增加。而多徑干擾是影響定位精度的主要因素之一[12]。

在圖7和圖8中分別顯示了2條跑道中心線上高為2.4 m處的功率曲線。由于該機(jī)場2條跑道之間的建筑物遮蔽問題，圖7中RWY15號跑道上VDB03處所收信號在跑道3 200 m以后出現(xiàn)了明顯的快衰弱，而在圖8中RWY16號跑道上VDB17處信號在跑道1 000 m左右位置出現(xiàn)了明顯的衍射與多路徑問題并且快接近門限值。

在此次仿真實(shí)驗(yàn)中，通過對數(shù)據(jù)的處理得到VDB天線的最佳位置應(yīng)該在VDB07、VDB13與VDB14位置。在多次重復(fù)試驗(yàn)后，通過模擬與仿真可縮小VDB電臺的選擇范圍，對VBD天線的安裝進(jìn)行參考與指導(dǎo)。

2.4 地形覆蓋仿真與分析

考慮到機(jī)場及附近建筑物對VDB信號在跑道上的覆蓋問題后，還需要考慮航空器進(jìn)近空域范圍信號的覆蓋問題。由于VDB天線位于地表，VHF信號在傳播過程中會被地形遮蔽，遮蔽物對信號的繞射效應(yīng)使得信號在被遮蔽后產(chǎn)生較大衰減[13]。這種情況在高高原機(jī)場體現(xiàn)更加明顯。圖9分別為國內(nèi)某高高原機(jī)場B的衛(wèi)星圖和地形圖。

圖9 機(jī)場B衛(wèi)星圖和地形圖

圖9中灰色圓形陰影區(qū)域?yàn)閂DB信號覆蓋的研究區(qū)域。由于該機(jī)場地形的限制，VDB天線的安裝可選區(qū)域較小。為研究VBD選址以及信號覆蓋問題，將圖中VDB-A、VDB-B 2個(gè)地點(diǎn)(這2個(gè)點(diǎn)分別在機(jī)場跑道的2邊且均滿足初選要求所以具有代表性)設(shè)為選址地點(diǎn)，并分別比較二者信號覆蓋的區(qū)別。

地形仿真測試實(shí)驗(yàn)中天線模擬分貝系統(tǒng)公司的Tree Element VDBANTENNA天線，該天線采用三元素堆疊的水平極化偶極子陣列，天線標(biāo)稱增益為5.0 dBi(由該天線的方向圖分析，此天線更能反映由地形原因產(chǎn)生的遮蔽問題)，實(shí)際過程中也可根據(jù)航空器進(jìn)近方向調(diào)整水平極化的VDB天線角度以達(dá)到更好的信號覆蓋。

根據(jù)選址標(biāo)準(zhǔn)FFAO ORDER 6884.1與天線安裝在較低位置的原則，此處設(shè)置天線高度為10 m、工作頻率為114 MHz、發(fā)射功率為46 dBm，地形反射類型為樹林(反射系數(shù)如表2所示)。地形數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的搖桿衛(wèi)星數(shù)字影像格式GeoTIFF，坐標(biāo)采用WGS84坐標(biāo)系。

分別測出在機(jī)場標(biāo)高100、1 000和3 000 m高度層的信號功率分布。部分仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 機(jī)場B信號功率覆蓋

圖10中陰影圓表示45 km半徑的覆蓋范圍。經(jīng)過對比位置A和B的VDB信號覆蓋，得到A位置的信號場強(qiáng)在大于-85 dBm的覆蓋范圍內(nèi)大于B位置的信號場強(qiáng)，因此A位置選址明顯優(yōu)于B位置。通過此方法經(jīng)過多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)得到較為優(yōu)化的選址方案。

3 結(jié)束語

本文通過在近年來電磁環(huán)境仿真研究的基礎(chǔ)上提出一種方法來研究GBAS系統(tǒng)VDB天線安裝與信號覆蓋的問題，旨在有效解決VDB天線選址評估問題?？梢钥偨Y(jié)出大型機(jī)場GBAS系統(tǒng)VDB天線安裝的位置通常要考慮以下3個(gè)問題：1)各跑道之間是否有類似于候機(jī)樓的大型建筑物，需考慮該建筑物對信號在各個(gè)跑道上的影響；2)增加天線高度或許可以解決信號覆蓋問題，但是水平極化的VDB天線可能在覆蓋范圍內(nèi)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的多路徑問題，天線高度的選擇需要具體測試以安裝在合適的高度；3)在一些地形較為特殊的機(jī)場，需要考慮并測量機(jī)場周圍的地形是否會影響VBD信號的覆蓋。

下一步研究方向：1)通過地面移動(dòng)站和試飛航空器測試實(shí)際信號和模擬仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得出差異數(shù)據(jù)以及其他因素的影響；2)增加VDB天線的個(gè)數(shù)也是解決信號覆蓋問題的方案，未來將研究應(yīng)用多個(gè)VBD天線解決信號覆蓋問題。

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