文｜李郁 何運(yùn)成

中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院

一、引言

2014 年3 月，馬航MH370 失聯(lián)在全球引發(fā)極大震動(dòng)，國(guó)際民航組織（ICAO）各成員國(guó)及全球業(yè)界開(kāi)啟了系統(tǒng)性推進(jìn)航空器追蹤監(jiān)控工作。ICAO明確要求航空承運(yùn)人實(shí)現(xiàn)“正常情況下4D/15 追蹤，不正常情況下實(shí)現(xiàn)4D/1 追蹤”能力，并制定了航空器追蹤規(guī)范，要求航空承運(yùn)人在2018 年11 月8日前實(shí)現(xiàn)對(duì)其海洋區(qū)域運(yùn)行至少每15 分鐘通過(guò)自動(dòng)報(bào)告對(duì)航空器位置進(jìn)行追蹤（4D/15 追蹤）[1]。

在航空器定位追蹤技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)民航長(zhǎng)久以來(lái)依賴于美國(guó)的GPS 系統(tǒng)，這對(duì)我國(guó)的民航運(yùn)輸而言存在相當(dāng)大的隱患。一旦GPS 關(guān)閉的歷史事件再次重演，將對(duì)我國(guó)的民航運(yùn)輸安全產(chǎn)生重大影響。因此中國(guó)民用航空局（CAAC）一直積極推動(dòng)將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于我國(guó)民航運(yùn)輸飛機(jī)。2017 年7 月，民航局頒布《中國(guó)民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實(shí)施路線圖》[2]，提出分三階段實(shí)施航空器全球追蹤，最終建成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空器追蹤監(jiān)控體系，并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)以北斗為代表的國(guó)產(chǎn)裝備在民航的應(yīng)用，積極推進(jìn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上的應(yīng)用與引領(lǐng)。

2019 年11 月CAAC 頒布了《中國(guó)民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖》[3]，該路線圖結(jié)合北斗在民航現(xiàn)狀和使用要求，分近期、中期、遠(yuǎn)期給出了實(shí)施計(jì)劃，提出總體目標(biāo)為：中國(guó)民航大力推進(jìn)北斗系統(tǒng)應(yīng)用，積極構(gòu)建以北斗為核心的GNSS技術(shù)應(yīng)用體系，積極推動(dòng)以星基定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)為核心的新一代空中航行系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行。按照“從易到難，從便攜到機(jī)載，從監(jiān)視到導(dǎo)航，通用運(yùn)輸統(tǒng)籌推進(jìn)”的總體實(shí)施路徑，全面提升民航安全水平、空域容量、運(yùn)行效率和服務(wù)能力，進(jìn)一步推動(dòng)北斗全球民航應(yīng)用。針對(duì)運(yùn)輸航空器追蹤監(jiān)控，到2021 年底，完成基于北斗定位及短報(bào)文通信的運(yùn)輸航空器追蹤監(jiān)控典型示范；到2025 年，全部民航運(yùn)輸飛機(jī)將具備基于北斗的定位與追蹤能力，基本完成北斗星基增強(qiáng)（BDSBAS）的運(yùn)輸航空應(yīng)用；到 2035 年，將實(shí)現(xiàn)中國(guó)民航運(yùn)輸飛機(jī)使用北斗進(jìn)行自主導(dǎo)航。該路線圖旨在推進(jìn)北斗在民用運(yùn)輸航空中的應(yīng)用，建立以北斗定位信息為核心的運(yùn)輸航空器追蹤、監(jiān)視及導(dǎo)航能力。

自2000 年第一顆北斗衛(wèi)星升空起，截至2022年底，北斗系統(tǒng)已有45 顆衛(wèi)星在軌提供服務(wù)。隨著北斗三號(hào)的建設(shè)完成、北斗成功組網(wǎng)提供全球服務(wù)[4]，我國(guó)民航全面應(yīng)用北斗進(jìn)行導(dǎo)航、通信和監(jiān)視的戰(zhàn)略即將成為現(xiàn)實(shí)[5]。

二、民航領(lǐng)域的北斗定位追蹤技術(shù)

1. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖1 所示。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成

空間段是由地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星組成的混合星座。地面段主要包括注入站、監(jiān)測(cè)站和主控站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。監(jiān)測(cè)站用來(lái)接收衛(wèi)星發(fā)送的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)衛(wèi)星和衛(wèi)星運(yùn)行軌道；注入站負(fù)責(zé)衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳送；主控站管理和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。用戶段指北斗的接收終端，目前我國(guó)部分民用航空器經(jīng)過(guò)改裝，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載北斗接收終端的測(cè)試運(yùn)行。

2. 短報(bào)文服務(wù)

北斗區(qū)別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特色功能是短報(bào)文服務(wù)，單次通信最大長(zhǎng)度達(dá)到1000 個(gè)漢字。北斗短報(bào)文支持雙向通信，并且在通信的同時(shí)也能進(jìn)行定位[6]。

北斗短報(bào)文通信過(guò)程如下（圖2）：

圖2 北斗短報(bào)文通信示意圖

1）短報(bào)文發(fā)送方將接收方ID 號(hào)和通信數(shù)據(jù)加密后通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；

2）地面系統(tǒng)接收到通信數(shù)據(jù)后，經(jīng)解密再加密處理后加入出站廣播電文中；

3）衛(wèi)星收到電文后持續(xù)廣播給用戶；

4）接收端用戶機(jī)接收出站信號(hào)，并對(duì)信號(hào)解密，完成一次通信。

使用北斗短報(bào)文服務(wù)是定位和監(jiān)視航空器的手段之一。它的優(yōu)勢(shì)是覆蓋范圍廣，無(wú)通信盲區(qū)，可獨(dú)立向地面系統(tǒng)報(bào)告航空器位置、速度和時(shí)間等信息。目前我國(guó)改裝的應(yīng)用了北斗系統(tǒng)的運(yùn)輸機(jī)，即是用了北斗短報(bào)文服務(wù)進(jìn)行定位和監(jiān)視。

3. 北斗定位監(jiān)視技術(shù)優(yōu)勢(shì)

民航定位監(jiān)視技術(shù)主要有ACARS、二次雷達(dá)、ADS-B、ATG、Ka 衛(wèi)星通信以及北斗短報(bào)文。表1對(duì)北斗短報(bào)文技術(shù)與其他技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。目前空管部門(mén)依然應(yīng)用二次雷達(dá)和ADS-B進(jìn)行監(jiān)視，而航空公司對(duì)航空器的監(jiān)控傳統(tǒng)手段為ACARS，從經(jīng)濟(jì)效益、時(shí)效性等方面，北斗短報(bào)文具有很大的優(yōu)勢(shì)（表1）。

表1 北斗短報(bào)文技術(shù)對(duì)比

三、北斗在民航運(yùn)輸航班中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的航班追蹤監(jiān)控系統(tǒng)主要基于ADS-B、ACARS、雷達(dá)等軌跡數(shù)據(jù)，主要關(guān)注飛行中環(huán)境因素對(duì)航班安全運(yùn)行的影響，缺乏星基監(jiān)視和基于北斗數(shù)據(jù)源的追蹤定位，并且缺乏風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)等風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、緩解、消除的技術(shù)支持。隨著中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的完成，應(yīng)用北斗獨(dú)特的定位和短報(bào)文功能，不僅能夠滿足運(yùn)輸航空器追蹤監(jiān)視在空中飛行階段和地面滑行階段的性能要求，而且可以做到全球覆蓋，是當(dāng)前較為可行的運(yùn)輸航班自主追蹤監(jiān)視手段。

通過(guò)北斗短報(bào)文與ADS-B 數(shù)據(jù)、ACARS、氣象等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度融合，建設(shè)高效航班運(yùn)行分析技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)基于我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的航班全球跟蹤監(jiān)控，滿足運(yùn)輸航空對(duì)航空器位置缺失、航班復(fù)飛、應(yīng)答機(jī)突變等飛行異常狀況的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警要求。

2019 年12 月25 日，首架加裝北斗定位追蹤系統(tǒng)的國(guó)航波音737-800 客機(jī)從北京飛抵新疆喀什，在喀什平穩(wěn)著陸。這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國(guó)民航運(yùn)輸航空的首次應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于北斗的運(yùn)輸飛機(jī)全程定位和追蹤，對(duì)提升民航安全水平、提升民航國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和話語(yǔ)權(quán)意義重大[7]。

1. 北斗機(jī)載追蹤監(jiān)視設(shè)備

北斗機(jī)載追蹤監(jiān)視設(shè)備主要包括北斗機(jī)載天線和北斗機(jī)載收發(fā)機(jī)，具備北斗定位、北斗自動(dòng)位置報(bào)告和短報(bào)文通信功能。可利用飛機(jī)總線信息獲取飛機(jī)航班號(hào)、燃油量、飛機(jī)姿態(tài)等關(guān)鍵信息，按照通信協(xié)議組包封裝后，通過(guò)地面部署的北斗地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定位和短報(bào)文信息的傳輸。

中國(guó)民航頒布了用作航空器追蹤的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求北斗機(jī)載設(shè)備應(yīng)滿足民用運(yùn)輸航空器加改裝以及高電壓雷擊、強(qiáng)電流物理?yè)p毀，以及設(shè)備在民用運(yùn)輸航空器的電磁兼容等多項(xiàng)要求。

目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)公司針對(duì)北斗在民航運(yùn)輸航班適航和追蹤監(jiān)視，研制了高性能北斗機(jī)載天線和收發(fā)機(jī)，獲得國(guó)內(nèi)北斗CTSOA 適航證書(shū)，成功應(yīng)用于飛機(jī)改裝，解決了民航復(fù)雜電磁兼容環(huán)境及航空器飛行姿態(tài)下的北斗天線設(shè)計(jì)及穩(wěn)定通信問(wèn)題[8]。

2. 終端應(yīng)用系統(tǒng)

終端應(yīng)用系統(tǒng)需要充分融合的北斗短報(bào)文航班運(yùn)行數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)等，形成統(tǒng)一、完整、準(zhǔn)確的航班運(yùn)行態(tài)勢(shì)，提高空中目標(biāo)監(jiān)視和追蹤的連續(xù)性，擴(kuò)大空中目標(biāo)監(jiān)視和追蹤的范圍。

另一方面終端應(yīng)用系統(tǒng)基于融合多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)航班運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等核心功能，挖掘運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素、優(yōu)化航班運(yùn)行效率。典型應(yīng)用包括：

1）動(dòng)態(tài)油量監(jiān)控，能夠解決傳統(tǒng)手段報(bào)文下發(fā)間隔長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)航班運(yùn)行監(jiān)控中的低油量告警、時(shí)刻偏差、偏航等告警的時(shí)間要求。

2）備降決策推演，可以根據(jù)航班監(jiān)控實(shí)際運(yùn)行需求，基于航班當(dāng)前初始運(yùn)行態(tài)勢(shì)，對(duì)其未來(lái)可能出現(xiàn)的事件態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)估，從而應(yīng)對(duì)航班繞飛、盤(pán)旋、目的地機(jī)場(chǎng)惡劣天氣等異常狀況。

3）航班高風(fēng)險(xiǎn)告警識(shí)別，能夠根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分析結(jié)果提供當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)提示，為航空器運(yùn)行提供全流程態(tài)勢(shì)監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)告警。

4）運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，結(jié)合航班動(dòng)態(tài)、飛行計(jì)劃、航行通告、氣象等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)高風(fēng)險(xiǎn)空域或機(jī)場(chǎng)的識(shí)別預(yù)警，包括盤(pán)旋等待、復(fù)飛、延誤、顛簸、偏航繞飛等異常事件，以及盤(pán)旋、復(fù)飛、顛簸、偏航等風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)區(qū)域的預(yù)警提示。

目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)公司研制了全球航班追蹤監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)[9-10]（圖3）。系統(tǒng)融合了國(guó)航機(jī)隊(duì)北斗定位數(shù)據(jù)源、ADS-B 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、航班動(dòng)態(tài)等多源異構(gòu)運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建運(yùn)行大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)超過(guò)2 萬(wàn)架航空器的動(dòng)態(tài)追蹤與運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理。此外，系統(tǒng)具備飛機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)告警功能，實(shí)現(xiàn)航班運(yùn)行過(guò)程中的全流程異常事件動(dòng)態(tài)監(jiān)控與實(shí)時(shí)告警，解決了航班的全球化動(dòng)態(tài)監(jiān)視問(wèn)題。

圖3 全球航班追蹤監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)

四、技術(shù)應(yīng)用展望

1）可以加快推進(jìn)在通航領(lǐng)域的應(yīng)用。與商業(yè)運(yùn)輸航空相比，通用航空具有飛行高度低、飛行器小、飛行速度慢的特點(diǎn)[11]，對(duì)設(shè)備適航審定要求低、系統(tǒng)建設(shè)成本低、周期短、總體投資規(guī)模小，在通航率先開(kāi)展全面的基于北斗定位追蹤技術(shù)的推廣，可以在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面的應(yīng)用，同時(shí)還可以為北斗在運(yùn)輸航空的應(yīng)用示范提供有力的技術(shù)支撐。

2）可以加快推進(jìn)運(yùn)輸航空北斗應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在國(guó)航20 架飛機(jī)上安裝了北斗定位追蹤設(shè)備，取得了較好的應(yīng)用效果。基于上述技術(shù)基礎(chǔ)，繼續(xù)推動(dòng)新一代兼容北斗二代/三代北斗機(jī)載收發(fā)機(jī)的研制和取證工作，推動(dòng)新一代北斗機(jī)載設(shè)備的驗(yàn)證應(yīng)用，促進(jìn)北斗在運(yùn)輸航空器上全面應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸航班基于自主技術(shù)的追蹤監(jiān)視。