文 | 岳富占 孟斌 周中華 彭昊良 張東雪航天恒星科技有限公司

當(dāng)前全球航空產(chǎn)業(yè)格局以美國（波音公司）、歐洲（空客公司）為主導(dǎo)。根據(jù)波音發(fā)布的《2018-2037全球民用航空市場展望》報告，未來20年，全球新飛機需求量為4.2萬架，中國預(yù)計新增7690架。我國民航業(yè)快速發(fā)展，未來我國民航將繼續(xù)向遠(yuǎn)程化、大型化，低成本、高安全性、多用途方向發(fā)展。因此，在全球航空產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展的背景下，安全與效率成為了航空業(yè)關(guān)注的核心問題。其中，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）在民航保障體系發(fā)揮了重要作用。

北斗系統(tǒng)是我國自主建立、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，國家出臺相關(guān)政策，推動北斗系統(tǒng)應(yīng)用于民用航空。利用北斗進行導(dǎo)航、追蹤監(jiān)視是提高我國航空業(yè)安全與效率的重要途徑。

一、GNSS在民用航空器領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

1．航空器導(dǎo)航

2016年國際民航組織（ICAO）發(fā)布的第5版全球空中航行計劃（GANP），明確提出GNSS是現(xiàn)代空中航行系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，是基于性能的導(dǎo)航（PBN）、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）運行的核心技術(shù)，是提升全球空中航行安全水平和服務(wù)質(zhì)量的重要手段。

為提高導(dǎo)航性能，各國均在GNSS基本系統(tǒng)基礎(chǔ)上，發(fā)展星基/陸基導(dǎo)航增強系統(tǒng)[1]。其中，基于GPS的星基/陸基增強系統(tǒng)在全球航空應(yīng)用最為廣泛。美國廣域增強系統(tǒng)（WAAS）于1995年建設(shè)，2003年第一階段的WAAS系統(tǒng)已普遍被應(yīng)用于民航飛行器導(dǎo)航，目前已經(jīng)在1949個機場發(fā)布了3994個LPV-200程序。歐洲地球靜止軌道重疊服務(wù)系統(tǒng)（EGNOS）于2009年正式運行，先后在31個機場發(fā)布了55個LPV-200程序。日本多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)（MSAS）于2007年正式使用，認(rèn)證服務(wù)等級為非精密進近（NPA，Non-precision approach），應(yīng)用于98個機場；當(dāng)前日本積極建設(shè)準(zhǔn)天頂（QZSS）系統(tǒng)，作為GPS的補充，提供GNSS增強和信息服務(wù)。俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）、印度GPS輔助型靜止軌道增強導(dǎo)航系統(tǒng)（GAGAN）、韓國衛(wèi)星增強系統(tǒng)（KASS）都在積極建設(shè)中。

2．航空器追蹤監(jiān)視

MH370等民用客機事故的接連發(fā)生促使全球民航界重點關(guān)注航空器追蹤監(jiān)視。國際民航組織制訂“全球航班遇險與安全系統(tǒng)（GADSS）”運行概念，明確要求航空承運人實現(xiàn)“正常情況下4D/15追蹤，不正常情況下實現(xiàn)4D/1追蹤”能力。

近年來，追蹤監(jiān)視技術(shù)從地空通信的飛機通訊尋址與報告系統(tǒng)（ACARS）、二次雷達(dá)技術(shù)向ADS-B技術(shù)發(fā)展。ADS-B技術(shù)是國際民航組織確定的未來主要監(jiān)視技術(shù)，有效提高了空中交通安全水平、空域容量與運行效率，由于陸基ADS-B技術(shù)存在無法覆蓋極地和海洋的先天缺陷，以銥星為代表的星基ADS-B技術(shù)成為應(yīng)用熱點[2]。

中國民航于2016年6月建立了基于ACARS等現(xiàn)有技術(shù)的正常航班全球追蹤監(jiān)控能力。有別于國際情況，在2017年7月，民航局印發(fā)《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實施路線圖》[3]，明確指出：中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)總體目標(biāo)是建成中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系，實現(xiàn)對中國民航航空器全球運行持續(xù)監(jiān)控、安全管理與應(yīng)急處置。推動以北斗為代表的國產(chǎn)裝備在民航的應(yīng)用，積極推進自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在國際上的應(yīng)用與引領(lǐng)。

2019年3月，由中國國際航空公司、中國民航大學(xué)聯(lián)合承擔(dān)的民航局“民用航空器北斗追蹤監(jiān)視項目”正式實施，整體目標(biāo)為2020年底完成20架飛機北斗追蹤監(jiān)視設(shè)備加改裝。該示范項目的立項，體現(xiàn)了北斗在航空器中的應(yīng)用勢在必行。

二、我國民用航空器對北斗應(yīng)用需求迫切

1．導(dǎo)航、追蹤監(jiān)視核心技術(shù)嚴(yán)重受制他國

當(dāng)前，我國97%的運輸飛機基于ACARS實現(xiàn)4D/15追蹤要求，無自主知識產(chǎn)權(quán)，需繳納大量服務(wù)費用。銥星等資源由國外運營商控制。航空PBN網(wǎng)絡(luò)尚未建成，且主要依托GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

2．航空器飛行對GNSS星基/陸基增強系統(tǒng)建設(shè)需求迫切

基于星基增強系統(tǒng)可大大提升GNSS信號可用性，實現(xiàn)廣域乃至全球覆蓋，形成從起飛-通航-測量-下降-進近無縫隙的飛行服務(wù)系統(tǒng)。

3．在監(jiān)視手段上北斗系統(tǒng)提供新思路

北斗具有短報文通信能力，且不依靠地面站通信；北斗三號實現(xiàn)覆蓋全球的定位、導(dǎo)航、授時、短報文通信服務(wù)，且自主知識產(chǎn)權(quán)可支撐民航自主可控發(fā)展。

三、北斗在民用航空器應(yīng)用的可行性

1．北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完成

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由24顆MEO衛(wèi)星（位置報告載荷、搜救載荷）、3顆GEO衛(wèi)星（BDSBAS載荷、短報文載荷）、3顆IGSO衛(wèi)星構(gòu)成，具備星間鏈路、全球短報文、搜救等特色服務(wù)。2020年6月完成了最后一顆地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射，將面向全球提供高性能北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)。北斗星基增強系統(tǒng)作為專項項目，計劃2020年完成系統(tǒng)建設(shè)，其單頻服務(wù)滿足民航用戶APV-I（I類垂直引導(dǎo)進近）要求，雙頻服務(wù)滿足民航用戶CAT-I類進近（I類精密進近）要求。此外，北斗陸基增強系統(tǒng)也在積極研制、穩(wěn)步推進中。

2．國家支持，政策引導(dǎo)

國家加強航空安全保障體系、航空安全監(jiān)控能力、技術(shù)裝備支撐能力、應(yīng)急反應(yīng)處置能力建設(shè)。民航局先后發(fā)布了《中國民用航空發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》和《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實施路線圖》等指導(dǎo)性文件，對民航安全保障體系、機場運營保障系統(tǒng)，尤其是其中的航空器追蹤監(jiān)視、寬帶航空通信、應(yīng)急反應(yīng)處置以及智慧機場等方面給出了明確的指導(dǎo)意見。

3．發(fā)展路線圖支撐及適航途徑分析

（1）發(fā)展路線圖及北斗CTSO標(biāo)準(zhǔn)階段劃分

《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實施路線圖》提出，北斗在民用航空器的應(yīng)用將貫徹“先通用航空后運輸航空，從監(jiān)視到導(dǎo)航”的總體實施方針，制定近、中、遠(yuǎn)三步走戰(zhàn)略，建立起全面的北斗應(yīng)用體系，為運輸、通用航空及無人駕駛航空器飛行提供精確完好、安全可靠的導(dǎo)航服務(wù)，為空中交通提供全空域監(jiān)視服務(wù)，全面提升民航安全水平、空域容量、運行效率和服務(wù)能力，為新時代民航強國發(fā)展提供強大技術(shù)支撐。

根據(jù)安全等級，北斗的中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（CTSO）標(biāo)準(zhǔn)可分為五個階段進行推進：北斗追蹤、北斗輔助監(jiān)視、獨立輔助導(dǎo)航、集成式輔助導(dǎo)航、主導(dǎo)航（圖1）。

圖1 北斗CTSO標(biāo)準(zhǔn)階段劃分圖

（2）適航途徑分析

機載設(shè)備的適航途徑分為隨機適航取證、獨立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項目批準(zhǔn)書（CTSOA）適航取證兩條途徑：

1）跟隨整機TC/STC的隨機適航：機載設(shè)備作為飛機初次適航（TC）或者改型適航（STC）時，機載設(shè)備廠商跟隨飛機整機完成適航取證。優(yōu)點是在尚未發(fā)布CTSO標(biāo)準(zhǔn)的前提下，機載設(shè)備廠商可以快速推出機載產(chǎn)品并實現(xiàn)裝機；缺點是機載設(shè)備僅能供應(yīng)給指定型號的指定飛機廠商。

2）獨立CTSOA適航：已經(jīng)發(fā)布CTSO標(biāo)準(zhǔn)，機載設(shè)備廠商獨立按照該CTSO標(biāo)準(zhǔn)完成產(chǎn)品研制。優(yōu)點是取得CTSOA適航的機載設(shè)備可以加裝到任何型號的民航飛機；缺點是研制及適航審定周期較長，需要按照民航質(zhì)量體系組織產(chǎn)品研制和試驗。

四、北斗在民用航空器的應(yīng)用解決方案

為推動北斗在民航領(lǐng)域應(yīng)用，民航局組織成立了北斗工作領(lǐng)導(dǎo)小組，并于2019年發(fā)布了第一個北斗CTSO標(biāo)準(zhǔn)《僅用作航空器追蹤的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）機載設(shè)備》，制定了《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》[4]。其中針對“基于北斗的航空器追蹤監(jiān)視和導(dǎo)航應(yīng)用”涉及北斗星基增強系統(tǒng)（BDSBAS）、機載多模式接收機（MMR）、北斗機載追蹤監(jiān)視設(shè)備，是實現(xiàn)北斗在民用航空器應(yīng)用的切入點[5]。

1．北斗星基增強系統(tǒng)民用服務(wù)平臺

我國已開始建設(shè)符合國際民航組織國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的北斗星基增強系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)搭建北斗星基增強系統(tǒng)民用服務(wù)平臺（圖2）。該平臺具備為中國及周邊區(qū)域提供以完好性為核心的生命安全服務(wù)的能力。

圖2 北斗星基增強系統(tǒng)民用服務(wù)平臺系統(tǒng)設(shè)計圖

北斗星基增強系統(tǒng)民用服務(wù)平臺系統(tǒng)功能包括：處理和生成星基增強數(shù)據(jù)及產(chǎn)品，通過專用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至北斗地面運控系統(tǒng)；由北斗地面運控系統(tǒng)接收比對后上注北斗地球同步軌道衛(wèi)星、播發(fā)至服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶使用；具備向民用航空信息服務(wù)系統(tǒng)（將由中國民航局負(fù)責(zé)建設(shè)）提供相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的能力。

2．機載多模式接收機

機載多模式接收機是具備GNSS（BD B1，GPS L1，SBAS L1）、衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GLS）、儀表著陸系統(tǒng)（ILS）功能的機載多模終端，用來實現(xiàn)將星基增強系統(tǒng)（SBAS）、地基增強系統(tǒng)（GBAS）接入機載端（圖3）。

圖3 機載多模式接收機產(chǎn)品形態(tài)

3．北斗機載追蹤監(jiān)視設(shè)備

北斗機載追蹤監(jiān)視設(shè)備通過ARINC429總線獲取飛機航電系統(tǒng)的航班號、姿態(tài)信息、燃油量等；同時接收全球?qū)Ш较到y(tǒng)信號計算出自身4D信息，并利用北斗衛(wèi)星短報文通信功能，完成正常情況下15分鐘周期上報和遇險情況下1分鐘周期上報，實現(xiàn)飛機位置追蹤及預(yù)警功能（圖 4）[6]。

圖4 北斗機載追蹤監(jiān)視設(shè)備產(chǎn)品形態(tài)

產(chǎn)品性能指標(biāo)為：GNSS方面，具備BD、GPS定位能力，面向北斗三號，兼容北斗二號；RDSS方面，具備RDSS和全球短報文，面向北斗三號，兼容北斗二號；ARINC429接口方面，獲取飛機4D信息、姿態(tài)信息、航班等信息；預(yù)警功能方面，根據(jù)飛機4D信息和姿態(tài)信息進行預(yù)警判斷，達(dá)到預(yù)警門限時輸出預(yù)警信息（拓展功能）；符合CTSO（僅用作航空器追蹤的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)機載設(shè)備）標(biāo)準(zhǔn)。

五、總結(jié)

以自主可控為目標(biāo)，構(gòu)建以北斗為核心的民航GNSS技術(shù)應(yīng)用體系，推動以北斗定位、導(dǎo)航、授時、短報文通信技術(shù)為核心的新一代空中航行系統(tǒng)是我國民航發(fā)展的必然趨勢[7]。針對北斗在民用航空器領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，提出以下建議：

1）加強規(guī)劃引領(lǐng)。按照從監(jiān)視到導(dǎo)航、運輸航空與通用航空統(tǒng)籌開展、以示范帶動推廣的實施路徑持續(xù)推動北斗在民航中的應(yīng)用，制定不同層級的路線圖，引導(dǎo)、調(diào)動國內(nèi)工業(yè)單位的積極性，利用國產(chǎn)大飛機等自主平臺，在航電系統(tǒng)制造與測試、適航審定能力提升等方面實現(xiàn)突破。

2）加強標(biāo)準(zhǔn)研究。在國際民航組織統(tǒng)一框架下推動北斗國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)化工作，推動北斗星基增強系統(tǒng)納入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)；同時研究北斗民航應(yīng)用的政策法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，建立覆蓋應(yīng)用驗證、測試評估、適航審定、地面設(shè)備、運行程序等一系列標(biāo)準(zhǔn)體系，拒絕“拿來主義”，提升國際標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)。

3）加強衛(wèi)星創(chuàng)新應(yīng)用。在完成北斗三號及北斗星基增強系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，充分利用我國衛(wèi)星星座資源，探索低軌衛(wèi)星追蹤監(jiān)視、導(dǎo)航增強等應(yīng)用，早日實現(xiàn)民航強國目標(biāo)。