張展

2017年10月15日，人民日報發(fā)表了一篇名為《中國的兩個“王”湊成了一個“炸”！—— 一手好牌的感覺真好》的文章，這里面提到的兩個“王”，一個是我國自主設計并制造的支線客機——ARJ21-700，另一個是指我國自主研發(fā)的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)。10月10日至10月14日，在山東東營機場，由中國商飛公司北京民用飛機技術研究中心牽頭，中國商飛公司民用飛機試飛中心、上海飛機設計研究院、上海飛機制造有限公司等參加，由相關高校、研究所和制造商共同參研的“北斗”導航系統(tǒng)在ARJ21飛機的測試試飛項目圓滿成功，這次不尋常的飛行試驗，將我國兩個事關國計民生的重大專項緊密結合在一起，正式拉開了國產衛(wèi)星導航系統(tǒng)在國產民用客機應用的序幕。

這次試飛的重大意義在于，首次實現了天、空、地三個層面的4個“國產化”的結合：太空中有我們的國產“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，空中的國產民用大飛機內搭載著國產機載導航接收機，地面應用的是國產的衛(wèi)星導航地基增強系統(tǒng)。正因為以上技術都掌握在自己手上，這為后續(xù)“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國際民航標準化、應用推廣、測試認證獲取大量的原始實驗數據。我們先來看看這4個“國產”。

眾所周知，現代民航飛機的運行，少不了衛(wèi)星導航，目前在世界范圍內廣泛使用的導航服務是美國的GPS（全球導航系統(tǒng)），這個從上世紀90年代開始使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現了導航衛(wèi)星網絡的全球覆蓋。隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，配合其他增強手段，目前民航衛(wèi)星導航精度最高可達到分米級，基本滿足民航對導航系統(tǒng)精度的要求。

場面滑行，主要包括直線滑行和S形滑行。直線滑行，指飛機沿跑道中心線進行往返滑行;S形滑行，指飛機沿跑道中心線進行S形滑行。試驗過程中，記錄“北斗”導航設備輸出的定位數據和引導數據、以及相關的導航基準數據。主要目的是進行數據鏈路檢查、信號覆蓋和偏置數據檢查。場面滑行的“北斗”導航定位軌跡如圖。

大圓飛行，主要包括高度為10 000英尺（約3 000米）和5 000英尺（約1 500米）的大圓飛行。大圓飛行用來驗證地基增強信號的有效覆蓋范圍。大圓飛行的“北斗”導航定位軌跡如圖。

弧度飛行，主要包括以跑道為中心線、跑道起點為圓心進行圓弧飛行，主要目的是驗證進近區(qū)域內地基增強空間信號覆蓋情況，查看是否存在干擾信號。弧度飛行的“北斗”導航定位軌跡如圖。

恒定高度飛行，主要包括以高度2 000英尺（約610米）、3 000英尺（約914米）和4 000英尺（約1 219米）的通場飛行，主要目的是驗證跑道上方區(qū)域內地基增強空間信號覆蓋情況。恒定高度飛行的“北斗”導航定位軌跡如圖。

為關鍵時刻不受制于人，在全世界已經存在美國的GPS，歐洲的“伽利略”以及俄羅斯的“格洛納斯”導航系統(tǒng)后，中國的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為后起之秀，目前已經完成了對亞太地區(qū)的覆蓋，正在向著全球覆蓋的目標穩(wěn)步推進?！氨倍贰毕到y(tǒng)可以為用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務，是國家重要空間基礎設施。隨著“北斗”系統(tǒng)建設和服務能力的發(fā)展，相關產品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調度、救災減災、應急搜救等領域。

但是，雖然“北斗”應用廣泛，但衛(wèi)星導航系統(tǒng)在民航領域中的應用這顆“皇冠上的明珠”，卻暫時沒有“北斗”導航的身影，民航衛(wèi)星導航市場一直被美國的GPS牢牢把握。這一方面是因為“北斗”導航系統(tǒng)起步較晚，目前還沒有形成全球服務的能力，而民航卻是一個全球化的服務行業(yè);另一方面因為國際民航組織的大部分席位也由國外企業(yè)和公司占據，且世界上大多數民用飛機都由歐美公司生產，在中國土生土長的“北斗”導航系統(tǒng)要進入國際民航舞臺壁壘太多。

現在情況有了轉機，因為我們有了自己制造的民航飛機——ARJ21。

關于ARJ21，自然無需多言，繼2017年7月9日取得中國民航局生產許可證后，ARJ21已經獲得433架訂單，3架交付客戶，2架正式投入航線運營，目前載客數已超過2萬人次。相比于剛剛首飛，有著漫長取證之路要走的C919來說，無論從飛機穩(wěn)定性還是安全性上考慮，ARJ21飛機都是一個非常理想的飛行平臺。本次試飛采用的是ARJ21的103駕機，相比老大哥101、102駕機，和已經交付的105、106、107駕機，這架飛機針對航電通信導航系統(tǒng)進行過專門改裝，非常適合進行“北斗”導航測試試驗試飛。

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)在103駕機上的試飛，是“北斗”第一次實現了在民用航空領域的測試應用，同時也是國產民機第一次使用國產導航系統(tǒng)，對兩個重大專項的融合發(fā)展具有里程碑意義。

“北斗”短報文指揮中心

然而，“北斗”是工具，飛機是載具，真正使用導航工具的是導航信號接收機。本次試飛搭載的是一臺機載多模式導航接收機，它由中國商飛與國內高校以及設備制造廠參考國際民航機載導航設備標準聯合開發(fā)研制，可接收GPS、“北斗”、“格洛納斯”和“伽利略”四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號，支持傳統(tǒng)的VOR（甚高頻全向信標）和ILS（儀表著陸系統(tǒng)）盲降，同時加入了對民航地基增強信號的支持，以及“北斗”短報文收發(fā)的功能，功能上比目前波音、空客民機以及ARJ21和C919上裝備的導航接收機更加先進，符合國際民航對未來導航系統(tǒng)多頻多星座多導航源的要求。

值得一提的是，“北斗”短報文是“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)區(qū)別與其他導航系統(tǒng)的一個特色功能，其創(chuàng)新融合了導航與通信能力，能夠提供位置報告和短報文通信服務。目前，民航中的監(jiān)視一般通過雷達以及地-空/空-空數據鏈實現，即飛機將自身位置等信息發(fā)送給地面管理部門或周邊其他飛機，覆蓋范圍受雷達覆蓋和地面站位置等因素限制。在MH370事件后，獨立自主的民航飛機監(jiān)視能力得到廣泛的關注，而“北斗”短報文的位置報告功能則可以全面了解空域內所有飛機的運行態(tài)勢，尤其能夠有效解決沒有雷達和地面站覆蓋區(qū)域的民航飛行監(jiān)視問題?！氨倍贰倍虉笪耐ㄐ欧者€可用于民航運行管理部門與飛行員、機載設備之間的通信，通過衛(wèi)星鏈路遠程向飛行員和機載設備傳達指令，從全局上控制空中交通流量。通信、導航和監(jiān)視是新一代空管體系的三大支柱，而我國國產“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)將通信和導航融為一體，為民航運行的監(jiān)視和管理提供了極為有效的手段，能夠進一步提高空中交通運行效率。但是，也正因為“北斗”短報文是完全不同于其他導航系統(tǒng)的原生功能，因此是否能安全可靠地應用在民航領域，是否能被國際民航組織接受，還需要大量的實驗驗證和數據積累。

還有一個系統(tǒng)不容忽視——地基增強系統(tǒng)。我們平常說的導航指的是衛(wèi)星發(fā)出的基本導航信號，“北斗”在亞太地區(qū)的定位精度大概在10米左右，而民航飛機在進近過程中需要更高精度才能安全降落，因此這里就需要通過一些外部手段對機場區(qū)域的衛(wèi)星導航性能進行增強，提升導航定位精度，同時在衛(wèi)星導航系統(tǒng)出現故障時及時向飛行員告警。本次試驗所測試的GLS（衛(wèi)星導航著陸系統(tǒng)），就是上述衛(wèi)星導航增強手段中的一種。

GLS系統(tǒng)通過地面子系統(tǒng)和機載子系統(tǒng)相互配合，實現對衛(wèi)星導航性能的增強和對飛機進近著陸的引導。一方面，GLS地面站通過對“北斗”等衛(wèi)星導航信號的觀測，判斷導航衛(wèi)星是否健康，同時向機載系統(tǒng)發(fā)送定位誤差校正等增強信息;另一方面，機載子系統(tǒng)利用接收到的增強信息對衛(wèi)星導航的測量結果進行校正，最終獲得自身的精確位置，同時判定當前衛(wèi)星導航系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。和傳統(tǒng)用于精密進近的儀表著陸系統(tǒng)相比，GLS系統(tǒng)一套地面設備就能夠覆蓋整個機場區(qū)域，不需要針對每一條跑道建設引導基站。GLS系統(tǒng)可以優(yōu)化進近航跡的設計，避開障礙物、噪音敏感區(qū)和飛行密集空域，并提高低能見度下的機場運行能力。從飛行員的角度來說，GLS系統(tǒng)的顯示操作與儀表著陸系統(tǒng)類似，也減少了更換系統(tǒng)后額外的培訓成本。

商飛北研中心團隊在山東東營機場合影，身后兩架是ARJ21的103、104架原型機，現用于各種優(yōu)化試飛任務。

目前，美國、德國、西班牙、瑞士、澳大利亞和巴西等國家都已經有GLS系統(tǒng)在進行測試或運行，但均為GPS單導航系統(tǒng)運行。而本次試驗的地面站及機載系統(tǒng)均為國產自主研制，同時支持GPS/“北斗”雙信號增強，開創(chuàng)了民航應用雙導航系統(tǒng)增強的先例，在國際上屬領先地位。

綜上所述，這四大國產系統(tǒng)共同組成了本次試驗的環(huán)境，其中核心技術和關鍵數據完全掌握在國人自己的手上。從產業(yè)角度上而言，“北斗”導航系統(tǒng)可以帶動導航、通信、衛(wèi)星、無線電等多個領域，而民用飛機制造所涉及的產業(yè)鏈更加龐大，包括材料、機械加工、電子電氣、動力、控制、測試等，作為工業(yè)制造的皇冠，與“北斗”導航系統(tǒng)的結合必將帶來巨大的輻射影響力。

上面介紹了此次試驗的系統(tǒng)組成，試驗本身則是為了驗證機載“北斗”導航接收機的導航精度性能（含地基增強性能），驗證“北斗”短報文的功能。

其中機載“北斗”導航接收機的GLS地基增強性能試驗，參考中國民航發(fā)布的咨詢通告以及美國聯邦航空管理局相關文件要求進行，本次的GLS定位精度應滿足精密進近Cat I類的要求，也就是水平精度16米，垂直精度4～6米。

試驗中，我們選取的試飛科目包括場面滑行、大圓飛行、弧度飛行、恒定高度飛行等。每次試飛科目的過程中，我們都會記錄GPS、“北斗”以及導航基準的數據，以便飛行結束后進行分析計算，得出本次飛行的精度結果，整個飛行試驗結束后，我們還將對所有數據進行處理，得出統(tǒng)計結果，并與國際民航要求進行比對。

此次試驗中，“北斗”短報文的功能試驗，通過統(tǒng)計機載“北斗”導航接收機實時向地面指揮中心發(fā)送短報文的通信成功率完成，同時，地面指揮中心的監(jiān)控屏幕上可以實時顯示飛機的位置及航跡信息，實現自主監(jiān)視功能。整個驗證過程中，位置報告功能正常，監(jiān)視功能正常。

機載“北斗”導航接收機搭載飛行試驗，是“北斗上民機”邁出的第一步，主要目標在于“北斗”導航在國產飛機上應用的數據采集和分析，為之后“北斗”與民機航電設備的交聯集成，“北斗”機載設備的進一步國際標準化研發(fā)，在C919及后續(xù)機型上進行機載設備國產化替代積累前期經驗。目前數據還在處理中，不過初步分析表明，“北斗”信號在民航飛機中接收穩(wěn)定，功能正常，單點定位精度與GPS相當，地基增強對精度有明顯改善，定位精度指標滿足國際民航相關標準的要求，可以通過“北斗”信號為民航飛機提供進近引導?！氨倍贰倍虉笪墓δ芄ぷ髡＃诘孛嬷笓]中心可以看到短報文實時的位置報告，可作為民航飛機的一種獨立自主的監(jiān)視手段。

經過改裝的103架機客艙內，安裝多電子實驗設備平臺。圖中電腦屏幕左側顯示的是飛機姿態(tài)，右側是以谷歌地球衛(wèi)星照片為背景的山東東營區(qū)域地圖。

在后面的工作中，為了讓國產的“北斗”機載導航設備真正在民航客機的運行中使用，不僅還有大量的工作需要完成，也有諸多困難需要面對。在這些工作與困難中，排在第一的是，“北斗”導航相關國際民航標準的建立尚未完成，“北斗”導航只有進入國際民航組織標準，才可以在全球國際航線上推廣使用，真正成為民機上的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這個目標還需要許多試驗數據進行支持;其次是“北斗”導航適航設備的研制和生產，需要提升國內外導航機載設備供應商對“北斗”導航系統(tǒng)的關注度和信心，共同推動“北斗”導航機載設備在民航領域的普及;第三是“北斗”機載導航系統(tǒng)的航電系統(tǒng)交聯試飛，通過試飛獲得最貼近實際應用且最為全面的測試，為“北斗”導航國際民航標準的制訂和相關設備的生產提供數據和技術支撐;最后是“北斗”機載導航設備的航電系統(tǒng)集成，目前，這套設備還只是在后艙的設備平臺上進行獨立測試，尚未與整體航電集成，成為駕駛艙里的一個基本功能，未來將“北斗”導航機載設備集成到整體航電系統(tǒng)后，才算真正實現“北斗上民機”。

目前，基礎條件基本形成，這是開展“北斗”導航國產民機應用的最好時機。中國商飛ARJ21型客機已經獲得TC、PC證并交付運營，C919型客機完成首飛，寬體飛機已經立項，國產大飛機平臺日趨成熟，國產機載設備產業(yè)鏈日趨完善。同時，“北斗”導航系統(tǒng)已實現區(qū)域覆蓋，正在向實現全球覆蓋的目標穩(wěn)步推進，在國家政策的支持下，在國家部委的指導下，在各合作伙伴的通力協作下，將國家戰(zhàn)略層面兩個重大專項有機結合，加速實現“北斗上民機”。

中國商飛公司將在統(tǒng)籌干線飛機和支線飛機發(fā)展的進程中，肩負和實現“北斗上民機”的使命目標，持續(xù)跟蹤“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，通過大量預先研究工作，積極利用自身優(yōu)勢推進“北斗”試飛項目研究和應用，加快我國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)在民航運輸領域的應用，促進我國由民航大國向民航強國的跨越式發(fā)展。

責任編輯：陳肖