北斗衛星導航發展現狀及其在民航領域內應用前景

郭健偉 余焰

摘 要：本文通過介紹北斗衛星導航系統的發展及特點，結合民航新航行系統對衛星導航的需求，介紹其在民航空管通信、導航、監視方面的應用前景。

關鍵詞：新航行系統（CNS/ATM）；全球衛星導航系統（GNSS）；北斗導航衛星系統（COMPASS）；基于性能導航（PBN）

引言

隨著國際民航組織（ICAO）對新航行系統（CNS/ATM）多年來的推廣實施，作為其重要組成部分之一的全球衛星導航系統（GNSS），開始逐步被包括中國在內的國際民航界廣泛使用。

我國自行研制的北斗（COMPASS）衛星導航定位系統的建設，將為我國民航新一代空管系統的發展帶來新的機遇，其可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務。

中國民航新一代空管系統未來應用的衛星導航系統將是以北斗COMPASS為基礎、兼容美國的GPS衛星導航系統、俄羅斯GLONASS衛星導航系統的綜合性系統。

1 北斗衛星導航系統發展及特點

我國于1983年開始籌劃建設自主衛星導航定位系統，1994年正式立項建設“雙星”快速定位通信系統——“北斗一號”。2003年12月25日“北斗一號”建成并正式開通運行。2004年4月全面對民用用戶開放正式運營。

“北斗一號”雙星衛星導航系統，采用衛星無線電定位業務（RDSS）原理工作，通過兩顆地球靜止軌道衛星，由用戶以外的中心控制系統完成經衛星至用戶的詢問式距離測量，計算出用戶的三維坐標再告知用戶，同時完成了位置報告和用戶位置信息共享。該個系統具備在中國及其周邊地區范圍內的定位、授時和GPS廣域差分功能，并已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業、勘探、森林防火和國家安全等諸多領域逐步發揮重要作用。在2008年5.12大地震抗震救災和2008年北京奧運安保中，發揮了重要的積極的作用。

2006年我國政府發表了《中國的航天》白皮書，特別提到了完善“北斗”導航試驗衛星系統，啟動并實施“北斗”衛星導航系統計劃。開始建設“北斗二號”導航衛星系統。2007年4月14日成功發射第一顆北斗導航衛星，截至2012年10月25日已成功將第16顆北斗導航衛星送入預定軌道。目前該系統已進入密集組網高峰階段，2012年底已經向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務，預計2020年左右建成覆蓋全球的衛星導航系統。

北斗衛星導航系統建成后，可以提供覆蓋全球提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10m，測速精度達到0.2m/s，授時精度為10ns。授權服務是向有高精度、高可靠衛星導航需求的用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。

2 中國民航新一代空管系統對自主知識產權的北斗衛星導航需求

改革開放以來中國民航業快速發展，從2005年開我國民航的運輸總周轉量成為僅次于美國的第二大民航運輸系統。為滿足這種快速增長的需要，中國民航正加緊推廣新航行系統的規劃和實施工作。

由于中國經濟發展的不平衡，我國的民航運輸業也存在發展不平衡的局面。在我國中東部地區，尤其是北京、上海、廣州，民航運輸量大、空域擁擠、導航設施條件好、雷達實現多重覆蓋。而在西部地區，特別是青海、西藏等高原山區，同樣有著大量的民航運輸需求，由于機場海拔高、地形復雜、地理條件差、地面導航臺布設困難、氣象環境惡劣等因素，導致這些區域導航和雷達信號覆蓋不完全，采用傳統導航方式飛行運行困難，迫切需要新技術和新設備來保障飛行運行安全。使用以衛星技術為基礎的導航系統，將使航路規劃擺脫必須依賴地面設施的約束。

3 新一代空管系統采用現代衛星、信息、網絡和自動化技術，將星基系統與現行陸基系統高度集成，構建空天地一體化的通信、導航、監視系統

3.1 通信

民航通信分空空、空地、地地通信三類。已建成的ATM（Asynchronous Transfer Mode即異步傳輸模式）民航數據網支持ATM業務，幀中繼業務，VOLP業務，IP業務，X.25/異步等業務，已成為我國民航數據網、電報網、氣象和航行情報等數據交換和傳輸的主要干線傳輸媒介。民航C波段、KU波段衛星通信網也作為重要傳輸媒介，廣泛應用于甚高頻遙控臺線路、雷達數據的傳輸和連網。民航通信很多方面依賴于高精度時間同步，導航衛星高精度時鐘提供的受時服務，可以用于民航通信同步授時。北斗衛星導航系統授時服務精度達到10ns，完全可以替代GPS授時。

北斗衛星導航系統所特有的短報文通信功能，能方便位置的報告及導航信息的交換，可用開發于對民用航空器的監視和生命救援等。

3.2 導航

當前國內機場都在大力度推進的，由我國自主研發的衛星精密導航技術（PBN）航行技術。PBN運行的三個基礎要求就是導航應用、導航規范和支持系統運行的導航設施，而北斗本身就是衛星導航系統，特別是北斗二代，它與GPS的性能是相當的。一方面，北斗可以為PBN提供包括航路、終端區、非精密進近和精密進近全部飛行階段的導航；北斗的短報文通信也可實現ADS-B和雷達覆蓋盲區的航空器監視和應急通信；同時，北斗還可以實現民航通信網絡、自動化系統、運控系統、MLAT等的時間同步。另一方面，從國家安全角度上來講，因為GPS衛星為美國軍方控制，所以在某些特定的因素下，有可能存在信號被關閉或被干擾等問題，定位精度有可能會受到影響。而北斗系統是由我們自主控制的，所以在信號的精度和穩定性上是有保證的。從國家戰略的角度上來講，北斗作為我國具有自主知識產權，自主控制的導航系統必定在我國民航系統中應用和普及。

以往傳統的導航技術使得航空器只能通過向臺和背臺來飛行，也就是說必須由導航臺信號引導飛機飛行，而PBN這項技術結合了現代飛機的一些機載設備的性能和優勢，利用先進的衛星導航技術，使得飛機只要在導航信號覆蓋范圍內就可以沿任意路徑進行飛行，從而使得飛行航跡靈活和精確。

3.3 監視

采用自動相關監視（ADS）的技術，航空器通過空地數據通信鏈路自動發送其位置、速度等數據到空中交通管制中心和其他用戶，以模擬雷達的方式顯示出來。主要于洋區、低密度大陸區域，也可作為高密度區域二次監視雷達（SSR）的備份手段。近期在濱州大高機場的鉆石42機型和塞斯納172機型上分別搭載了北斗導航通信一體化終端和ADS-B機載應答機，在地面布設北斗指揮型終端和ADS-B地面站。目前，通過多個起降和空域飛行測試，北斗信號接收良好，定位精度較高，位置報告和短消息功能工作正常。其中，ADS-B機載應答機能夠實時向地面站發送飛機的地址碼、位置、高度、速度等飛行參數信息，而且監視數據連續無中斷。這初步驗證了基于北斗的導航、通信和ADS-B監視的數據準確性、可靠性以及技術方案的可行性。

4 結束語

隨著中國民航新技術的不斷使用，我們相信擁有自主知識產權、我自主建設、獨立運行并與世界其他衛星導航系統相兼容的北斗衛星導航系統會在中國民航未來發展中占據越來越重要的地位。

參考文獻

[1]韓松臣.新航行系統導論[D].南京航空航天大學，2003.