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GBAS:新一代航行技术,高精度、低成本、更绿色

时间:2019-04-26 19:05来源:中国民航报 作者:中国航空

 

航空运输是技术密集型行业,无论是空客A350XWB,还是波音777X等全新一代客机,均采用当前最先进的航空技术。不过你知道吗?和最前沿的客机技术相比,目前飞机降落使用的技术堪称古老,与其他旧型客机差异不大。

科技不断进步,人类从不囿于困境。卫星导航地基增强系统(GBAS)就是通过卫星的定位、导航引导飞机准确降落到跑道上的民航“黑科技”。近日,中国民航顺利完成了美国霍尼韦尔公司和中国电子科技集团公司两个型号GBAS地面设备合格审定及测试工作,同时完成了国产GBAS设备首次飞行验证活动,GBAS这项新技术距在中国民航落地越来越近了!

 

 

新一代航行技术

在飞行中,最危险的、对飞行员技术要求最高的,莫过于飞机降落阶段。飞行员控制飞机着陆,除了目测外,还要依靠导航着陆系统,对飞机航向和下降高度进行引导以调整飞行姿态,使飞机对准跑道,并逐步下降直至降落。

目前,ILS(Instrument Landing System 仪表着陆系统)是各国民航主要使用的着陆系统。作为传统无线电导航设备,ILS利用无线电模拟信号为飞机提供航向和下滑信息。不过,ILS设备只能提供一条固定下滑角度、对准跑道中心线的直线航道来进行着陆引导,不仅对飞行员的技术、经验要求高,还容易因地形反射及障碍物遮挡而导致信号受到干扰,甚至大型飞机也有可能成为干扰信号的障碍物。使用仪表着陆系统需要大面积的保护区,对场地平整度要求极高,有些机场甚至限于客观条件无法安装。另外,如果机场ILS设备发生故障,又没有备份手段,则会造成航班延误,给旅客出行带来极大不便。

尽管近年来ILS的精确度得到了前所未有的提升,但其工作原理并无本质变化。国际民航组织认为,未来20年,全球航空客货运量将继续增长,这意味着未来的天空将更加拥堵,机场将需要新的技术手段保障更多的飞机安全降落。

于是,通过卫星的定位、导航引导飞机准确降落到跑道成为新的解决方案。这也正是GBAS的应用原理,它是依靠地面设备接收卫星导航系统的信号,处理之后生成更加精确的信息进而通过甚高频广播设备播发给飞机,飞机利用该信息完成精密进近。对应于传统的ILS运行,基于GBAS实施的航空器进近着陆运行方式被称为GLS运行(GBAS Landing System)。

与传统的仪表着陆系统相比,GBAS卫星导航着陆系统支持多种角度和路径的进近程序,可以使飞机绕飞、避开障碍物和敏感地区,从而极大地提高飞行安全性。特别是在飞机下降过程中,GBAS系统支持着陆连续进近,可帮助飞机平稳着陆,提高旅客舒适度。

高精度、低成本、更绿色

在不少专业人士看来,GBAS的一大优势是打破了传统仪表着陆系统影响航迹灵活性和机场吞吐量的技术局限,为机场实现更安全、更高效的运营提供新的选择。例如,传统的仪表着陆系统在进近着陆时需要每一架飞机从距离跑道端很远距离的一个固定点切入并对准跑道,接收到ILS信号以后才能引导落地,对于机场范围内灵活使用空域有一定局限,而新系统可以支持飞机采用曲线进近等更多线路进港,减少飞机在空中排队与盘旋等待的时间,使机场范围内有限的空域得到最大限度的使用,缓解停机坪拥堵现象,增强机场吞吐能力,提高航班准点率。

值得一提的是,GBAS卫星导航着陆系统在我国大有用武之地。一方面,西部地区部分机场地形复杂,传统仪表着陆系统难以满足运行需求,且投资巨大,维护成本高,甚至部分机场受地形限制无法安装ILS设备。虽然RNP APCH/RNP AR等类精密进近技术可以部分替代精密进近,但无法覆盖着陆全过程。GBAS对场地的要求远低于ILS,能极大地减少机场地理条件对着陆引导系统的限制,且精度高,运行成本低,不仅能解决我国西部复杂地形环境下机场进近着陆引导问题,大幅提高高原、峡谷等地形复杂机场的飞行安全水平,还能大大增加当地机场容量,节约机场运行成本,降低飞行延误率;另一方面,我国部分枢纽机场空域资源紧张,安全保障压力巨大,GBAS可以作为机场ILS的重要补充与备份,提供冗余的航空器进近着陆手段。面向未来考虑,如果RNP与GBAS进行衔接使用,除了提升机场空域资源使用效率外,保守估计平均每架飞机可以节省3分钟飞行时间、82公斤燃油,进而能够减少116公斤碳排放,为实现绿色民航作出重大贡献。

不光是机场,对需要装载机上设备的航企来说,GBAS也是广受欢迎的“黑科技”。GBAS支持的灵活进近方式可以减少飞行距离,进而节省燃油消耗;此外,GLS运行对于飞行员的培训成本较低、周期短,飞机仪表显示内容与使用ILS引导内容几乎一致。

新技术推进须各方合力

目前,美国、德国、西班牙、瑞士、法国、俄罗斯、日本、澳大利亚等国均在开展GBAS相关研究,其中美国、德国、西班牙、澳大利亚、瑞士等国在个别机场批准GLS运行。以美国为例,FAA正在致力于推动名为NextGen的下一代空管系统项目,而GLS则是NextGen的重要组成部分。

作为卫星导航系统的一部分,《中国民航基于性能导航实施路线图》已将GBAS列为“可以为RNAV和RNP提供有效的服务”的导航系统,并提出“在部分机场建设GBAS系统,实现GLS进近”的近期目标和“适时使用GLS进近取代ILS进近”的远期目标。2015年,民航局把GLS列为四项重点推进新技术之一,并成立了GBAS使用许可合格审定与运行验证委员会,专门指导并审议相关审定、测试、验证方案制订及工作开展。今年3月,中国民航顺利完成美国霍尼韦尔公司和中国电子科技集团公司两个型号GBAS地面设备合格审定及测试工作。

不过,推进GBAS新技术应用是一项复杂的系统工程。点多面广线长,涉及设备生产厂家、空管运行单位、航空公司、机场、局方等各单位,任何一个单位或环节出现问题,整个推进过程都会受到影响。此外,目前该技术在全球范围内尚未得以广泛应用,而且在部分国家的实际运行过程中仍然存在一些亟待解决的问题。民航局空管办相关负责人表示,国际上对于GLS运行,关注的焦点主要集中在电离层异常监测、RNP与GLS的衔接等问题。电离层异常仍然是影响GBAS运行的主要难题,特别是在中低纬度地区。日本、巴西和印度等国在GBAS试验与运行中纷纷发现,本国电离层活动比其他国家活跃,易导致GBAS性能下降和运行中断,并分别开展了电离层异常模型研究的相关工作。我国目前在这方面的研究刚刚起步,但我国的电离层活动情况远比北美地区复杂,建立模型难度更大,需要付出更大的努力。

上述相关负责人表示:“要向新技术要安全,而不能让新技术影响了安全。在推进GBAS新技术应用过程中要充分统筹各方实际需求,充分评估其对运行安全的影响,提前做好运行准备,以解决运行单位实际问题为出发点,以提升安全水平、运行效率、投资效益为核心。只有这样,包括GBAS在内的航行新技术才能发挥其应有的作用,推进航行新技术应用才显得更有意义。”

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