僅用作航空器追蹤的北斗機載設備適航要求分析

馬贊，周中華，王鵬，胡劍波，柯炳清

1.中國民航大學 民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300 2.空軍工程大學 裝備管理與無人機工程學院，西安 710051 3.航天恒星科技有限公司，北京 832003

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(簡稱北斗)作為中國自主研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，與美國GPS相比有著安全可靠的優(yōu)勢，并且具有獨特的短報文通信功能，已廣泛應用于中國船舶、汽車等領域。但是由于北斗與GPS在星座結(jié)構(gòu)、信號體制以及功能實現(xiàn)等方面的不同，導致當前國際上的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)相關適航標準不適用于北斗，急需開展研究，自主提出北斗機載設備適航要求，才能有效促進北斗在民用航空器中的應用。但是，目前針對北斗設備的研究主要集中在基于北斗的系統(tǒng)設計[1-2]、設備性能優(yōu)化及誤差改正[3-6]、北斗衛(wèi)星服務性能測試分析[7-8]等方面，而對北斗適航要求及符合性方法的研究基本空白。

機載設備適航要求與機載設備所執(zhí)行整機級功能及其危害性影響相關。結(jié)合北斗自身的功能特點，可將其在民用航空器中的應用劃分為5個階段：

1) 僅用作航空器追蹤的初級應用階段

將北斗設備固定于航空器中的某具體位置，通過北斗定位及短報文通信能力，僅為地面追蹤提供輔助手段，不會向飛行員進行數(shù)據(jù)顯示，從而影響飛行操縱和安全飛行；正常情況下，管制員也不能將北斗機載設備所產(chǎn)生的定位信息作為交通管制決策依據(jù)；并且為降低實施難度，可盡量減少北斗機載設備與其他機載設備的交聯(lián)關系。根據(jù)SAE ARP4754A[9]，該功能的失效狀態(tài)為無安全性影響類別，對應的研制保證等級至少為E級。

2) 航空器輔助監(jiān)視應用階段

將北斗通信單元固定安裝在駕駛艙，與機載設備進行簡單交聯(lián)。通過短報文通信能力，實現(xiàn)空中與地面的雙向信息交互。機載端具備輸入輸出能力，向地面播發(fā)航空器基本運行參數(shù)，并接收和顯示來自地面的控制指令。該功能的失效狀態(tài)為重大類別，對應的研制保證等級至少為C級。

3) 獨立式輔助導航階段

可盡量減少北斗機載設備與其他機載設備的交聯(lián)關系，北斗設備采用接收機自主完好性監(jiān)測技術保障導航數(shù)據(jù)的安全性和有效性。但是需要將北斗設備產(chǎn)生的導航數(shù)據(jù)在駕駛艙中向飛行員進行顯示，從而影響飛行安全。該功能的失效狀態(tài)為重大類別，對應的研制保證等級為至少為C級。

4) 集成式輔助導航階段

進一步使北斗機載設備與飛行管理計算機等其他航電系統(tǒng)集成，與其他導航源數(shù)據(jù)融合，向飛行員和管制人員提供導航數(shù)據(jù)，完成輔助導航功能。該功能的失效狀態(tài)為重大類別，對應的研制保證等級至少為C級。當然在北斗導航系統(tǒng)運行和機載設備研制技術成熟時，可逐步將北斗系統(tǒng)作為主導航源使用。

5) 主導航應用階段

則結(jié)合相關配套設施的建立，形成北斗星基增強系統(tǒng)(SBAS)、陸基增強系統(tǒng)(GBAS)能力，提高北斗導航服務性能，在巡航、終端區(qū)及精密進近階段作為主要系統(tǒng)進行使用。該功能的失效狀態(tài)為危害性類別，對應的研制保證等級至少為B級。

其中，對于第1階段的北斗機載設備可滿足國際民航組織提出的全球航空器追蹤的要求，并且有效改善國內(nèi)通用航空器嚴重缺乏追蹤手段的問題，此外也可收集大量北斗機載運行數(shù)據(jù)，為后續(xù)的進一步應用奠定基礎。因此研究與制定僅用作航空器追蹤的機載設備適航標準迫在眉睫。

本文針對該應用場景，分析相關的國內(nèi)外標準內(nèi)容的適用性，結(jié)合中國當前的工業(yè)水平，提出北斗機載設備的審定要求及審定要素。

1 北斗機載設備相關標準分析

僅用作航空器追蹤的北斗機載設備接收并處理北斗衛(wèi)星信號，確定飛機位置，實現(xiàn)定位功能。并可通過短報文通信功能將120漢字內(nèi)信息向外點對點發(fā)送出去。

根據(jù)功能邏輯劃分，北斗機載設備由無線電導航衛(wèi)星服務(RNSS)定位單元、定位天線、無線電測定衛(wèi)星服務(RDSS)通信單元及通信天線構(gòu)成。當前可供北斗機載設備適航要求制定參考的國內(nèi)外標準主要包括北斗系統(tǒng)的行業(yè)標準，以及美國聯(lián)邦航空局(FAA)建立的GPS適航標準體系。

1) 北斗系統(tǒng)行業(yè)標準

BD420011[10]、BD420004[11]、BD420007[12]分別對北斗RNSS定位設備、RNSS定位天線和北斗RDSS單元提出標準要求。但是這些標準主要適用于船舶或地面北斗相關產(chǎn)品，而并非為民航機載產(chǎn)品制定，具體指標不適用于民用航空器運行環(huán)境和應用條件。

例如，對于RNSS定位設備，靈敏度的相關要求適用于低動態(tài)場景，而對于機載高速度環(huán)境則較難達到；動態(tài)特性測試時的環(huán)境參數(shù)設置也與機載動態(tài)環(huán)境不符。

對于RNSS天線，相關要求無法對機載設備的功能安全進行約束。對于RDSS單元，則包含RDSS定位等機載設備無需實現(xiàn)的功能要求，需要進行拆分。

2) GPS適航標準體系

FAA先后認可RTCA DO-228[13]、DO-301[14]作為機載GNSS無源天線和有源天線的適航標準。DO-210D[15]和DO-262C[16]等標準為機載衛(wèi)星通信地球站提出適航要求，如銥星機載收發(fā)端、海事衛(wèi)星機載收發(fā)端等。但是，北斗短報文通信與衛(wèi)星通信相比，在載波形式、調(diào)制形式、波束形式、帶寬和應用模式等方面存在較大的差異，如表1所示。其性能要求的基礎存在固有差異，技術要求不適用于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

表1 DO-210適用產(chǎn)品與北斗RDSS的對比分析Table 1 Comparative analysis of DO-210 product and BDS RDSS

2 設備適航要求

2.1 適航要求制定策略

基于推動北斗在民用航空器中應用的緊迫性，在制定北斗適航標準時，需要考慮以下目標：

1) 保安全——確保設備執(zhí)行飛機功能的完整性和準確性，且自身對飛行安全無危害性影響。

2) 快落地——結(jié)合中國工業(yè)方當前能力，適當制定標準，盡快實現(xiàn)北斗設備在民用航空器中應用。

3) 促發(fā)展——在當前工業(yè)水平基礎上，標準制定應有一定的前瞻和引導性，促進行業(yè)向正確的方向快速發(fā)展。

為達到以上目標，在制定適航要求時，首先確定對于僅用作航空器追蹤的北斗機載設備，在嚴格限制其功能應用的情況下，可以按照研制保證最低等級(即無安全性影響等級，E級)提出安全性要求。對于E級設備，無需根據(jù)DO-178C[17]或DO-254[18]進行機載軟硬件的鑒定，但前提是基于該機載設備產(chǎn)生的航空器定位數(shù)據(jù)不應向機組顯示，正常情況下，也不能作為空中管制人員實施空中管制的決策依據(jù)。

對于在《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設實施路線圖》[19]中提出了自動遇險追蹤(ADT)能力,從功能性能的角度，用作航空器跟蹤的北斗機載設備可以完成該功能。但是從安全性的角度考慮，對于ADT功能，參考ALT，其失效狀態(tài)類別應為輕微類，對應研制保證等級應為D級。因此按照DAL E級研制的北斗機載設備不應集成D級功能。即該北斗機載設備僅能周期性發(fā)送定位信息，而不能由異常事件觸發(fā)。

在確定安全性類別基礎上，結(jié)合國內(nèi)外相關標準及中國目前已有產(chǎn)品的工業(yè)水平，共同形成了最低性能標準(MOPS)要求，制定策略如表2所示。

2.2 定位單元

為使BD420011標準適用于北斗機載設備，對其進行分析和修改，如表3所示，使其與CTSO相關要求及國際適航普遍認可的RTCA DO-160G環(huán)境鑒定試驗要求及程序相一致。

表2 標準框架分析Table 2 Analysis on framework of standard

表3 BD420011標準主要修改說明Table 3 Major revision instruction to standard BD420011

其中對于靈敏度指標，由于BD420011是北斗行業(yè)通用標準，原標準中靈敏度主要適用于低動態(tài)場景。且機上電子設備眾多，電磁環(huán)境復雜。根據(jù)DO-228，機載天線口面的干擾電平在工作頻點1 MHz帶寬內(nèi)為-110 dBm，之后逐漸增加直至-89.5 dBm，由于其他機載設備的存在，在北斗機載設備的工作帶內(nèi)還存在脈沖干擾。同時，DO-160G[20]射頻敏感性試驗對機載設備的敏感度提出要求。因此，原標準靈敏度要求對機載設備存在適應性局限，如保持過高的靈敏度指標將同時使機載設備敏感度提高，而對機載設備整體的安全性產(chǎn)生不利影響。根據(jù)《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務信號 B1I(3.0 版)》[21]，衛(wèi)星導航系統(tǒng)落地電平對靈敏度提出要求。

2.3 定位天線

目前FAA通過DO-228和DO-301只認可了GPS系統(tǒng)L1頻點(1 575.42 MHz±10 MHz)在民用航空器中應用。對于北斗而言，也將首先推動民航單頻應用。根據(jù)《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務性能規(guī)范(2.0版)》[22]，單頻信號推薦使用B1I或B1C信號?？紤]到北斗三代基本系統(tǒng)剛于2018年12月建成并提供全球服務，對其空間信號質(zhì)量和服務性能指標的穩(wěn)定性還有待監(jiān)測。且根據(jù)B1C《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務信號 B1C(1.0 版)》[23]，B1C頻點與L1頻點相同，具有更大的相似性。綜合考慮飛行安全及當前國內(nèi)試點工程項目和社會各界的緊迫需求，目前首先認可北斗二代B1I信號，當北斗三代信號成熟穩(wěn)定時，再對標準進行升級。而對于北斗B1I頻點(1 561.098 MHz±2.046 MHz)與GPS L1，通過仿真分析可認為GPS標準中的相關要求同樣適用于北斗B1I信號。圖1 為單天線情況下GPS L1與BDS B1I增益對比分析。

但是考慮到對于用作航空器追蹤的北斗機載設備通常會將定位天線和通信天線進行一體化設計，且為考慮天線安裝對航空器空氣動力學的影響需要天線尺寸盡量小，將由此帶來一定的性能損失，圖2與圖3分別給出了多天線情況下GPS L1與BDS B1I增益對比分析，以及多天線情況短報文S頻點接收與L頻點發(fā)射增益仿真分析。

圖1 單天線情況下GPS L1與BDS B1I增益仿真分析Fig.1 Gain simulation analysis of GPS L1 and BDS B1I receiving antennas in single antenna case

圖2 多天線情況下GPS L1與BDS B1I增益仿真分析Fig.2 Gain simulation analysis of GPS L1 and BDS B1I receiving antennas in multiple antennas case

圖3 多天線情況短報文S頻點接收與L頻點發(fā)射增益仿真分析Fig.3 Gain simulation analysis of short message S-frequency point receiving and L-frequency point transmitting gain in multiple antennas case

單天線仿真結(jié)果表明，BD B1I頻點天線性能基本與DO-228要求一致；但與單天線仿真結(jié)果比對可知，在多天線下天線增益比單天線惡化約2 dB。且與GPS L1頻點相比，短報文接收S頻點的增益特性稍好1 dB左右。表4為天線一體化設計增益仿真分析。鑒于航空器追蹤設備為E級設備，可以在DO-228指標基礎上下降2 dB來支持一體化設計。

根據(jù)圖4中定位頻響特性仿真結(jié)果與DO-301的頻響要求，北斗定位有源天線的頻響指標可與DO-301保持一致。因此DO-301中對GPS L1有源天線的相關要求適用于北斗定位有源天線。

表4 天線一體化設計增益仿真分析Table 4 Simulation analysis of antenna integration design gain

2.4 通信單元

對于BD420007標準，為使其適用于僅用作航空器追蹤的北斗機載設備，需進行如表5所示的更改，使其與CTSO相關要求及標準一致，與當前的工業(yè)水平一致，并且刪除未使用的RDSS定位導航功能相關要求。

圖4 RNSS定位頻響特性Fig.4 RNSS positioning frequency response characteristics

表5 BD420007修改說明Table 5 Revision instructions to standard BD420007

2.5 通信天線

GPS L1與北斗短報文接收頻帶相差較大，頻響特性也不盡相同。但通過仿真可知，兩者增益相似，因此DO-228中的無源天線要求同樣適用于短報文接收天線。

根據(jù)仿真結(jié)果與DO-301的頻響要求，短報文有源接收天線的頻響指標在DO-301基礎上進行頻點平移即可。如圖5短報文有源接收天線頻響特性所示。

圖5 短報文有源接收天線頻響特性Fig.5 Frequency response characteristics of active receiving antenna of short message

對于L頻點發(fā)射天線部分，目前沒有可直接進行參考的技術標準，可參考BD420007以及RTCA/DO-262標準中單載波天線單元性能指標形成。其中，由于機載環(huán)境的特殊性， 因此將“20°仰角極化增益不圓度” 修改為“10°仰角極化增益不圓度”。并結(jié)合當前航空工業(yè)水平，對各指標進行修改。

3 審定要素和評審要求

適航審定要素和評審要求如表6所示。

表6 適航審定要素和評審要求Table 6 Airworthiness certification elements and review requirements

4 應用實例總結(jié)

為驗證指標的有效性和對中國航空工業(yè)的適用性，結(jié)合以上分析所形成的適航標準草案，試制北斗機載設備。現(xiàn)將對草案要求的符合性情況總結(jié)如下：

1) 依托目前中國工業(yè)當前水平，定位單元在定位信息，數(shù)據(jù)存儲、精度、首次定位時間，重捕獲時間、靈敏度、位置更新率、位置分辨力等方面的要求均可滿足。

2) 定位天線采用有源天線方式，阻抗、天線單元的相對輻射場型與無源元件增益、極化與軸比、G/T比、總轉(zhuǎn)換增益與增益壓縮、輸出負載穩(wěn)定性、視軸相對增益頻率響應和群時延等方面要求均可滿足，而對于燒毀保護、脈沖功率飽和恢復時間，之前國內(nèi)考慮的較少，但基于安全考慮這些要求必不可少，需進一步研究形成解決方案。

3) 通信單元接口要求、自檢與初始化功能、狀態(tài)檢測功能、系統(tǒng)RDSS完好性信息接收與處理、接收靈敏度、接收通道、首次捕獲時間、功放輸出功率、發(fā)射信號載波相位調(diào)制偏差、發(fā)射信號頻率準確度等要求均可符合，而帶外輻射指標與安全性密切相關，需在后續(xù)試驗、試飛等環(huán)節(jié)進行充分的符合性驗證。

4) 通信天線采用有源天線方式，接收同定位天線；發(fā)射的頻點、極化方式及法向軸比、電壓駐波比、法向極化增益、功率放大器輸出功率及增益、發(fā)射EIRP均符合要求，而10°仰角極化增益不圓度、10°仰角平均極化增益要求則將仰角20°加嚴至10°，對低仰角的增益進行約束。

5 結(jié) 論

本文在分析當前相關適航標準和工業(yè)標準基礎上，分別針對僅用作航空器追蹤的北斗機載設備中RNSS定位單元、RNSS定位天線、RDSS通信單元、RDSS通信天線的適航要求進行研究，結(jié)合當前對北斗民航應用的迫切需求，以及民機與北斗系統(tǒng)運行特性、適航安全性的一般要求、適用的工業(yè)標準、中國北斗設備工業(yè)水平，提出一套僅用作航空器追蹤的北斗機載設備適航要求體系，并明確審定要素及評審要求，可以支持工業(yè)方對適航要求的理解和實施，促進北斗民航應用發(fā)展。當前標準中的部分數(shù)據(jù)指標尚未在民機運行環(huán)境和特性下，進行必要的裝機和飛行測試。因此，后續(xù)需要對相關指標進行數(shù)據(jù)收集和跟蹤，驗證指標建立的合理性，完善標準要求。