北斗在民用航空器領域的應用和發展

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

當前全球航空產業格局以美國（波音公司）、歐洲（空客公司）為主導。根據波音發布的《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，中國預計新增7690架。我國民航業快速發展，未來我國民航將繼續向遠程化、大型化，低成本、高安全性、多用途方向發展。因此，在全球航空產業繁榮發展的背景下，安全與效率成為了航空業關注的核心問題。其中，全球衛星導航系統（GNSS）在民航保障體系發揮了重要作用。

北斗系統是我國自主建立、獨立運行的衛星導航系統，國家出臺相關政策，推動北斗系統應用于民用航空。利用北斗進行導航、追蹤監視是提高我國航空業安全與效率的重要途徑。

一、GNSS在民用航空器領域的應用現狀

1．航空器導航

2016年國際民航組織（ICAO）發布的第5版全球空中航行計劃（GANP），明確提出GNSS是現代空中航行系統的重要基礎，是基于性能的導航（PBN）、廣播式自動相關監視系統（ADS-B）運行的核心技術，是提升全球空中航行安全水平和服務質量的重要手段。

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

2．航空器追蹤監視

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

近年來，追蹤監視技術從地空通信的飛機通訊尋址與報告系統（ACARS）、二次雷達技術向ADS-B技術發展。ADS-B技術是國際民航組織確定的未來主要監視技術，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技術成為應用熱點[2]。

中國民航于2016年6月建立了基于ACARS等現有技術的正常航班全球追蹤監控能力。有別于國際情況，在2017年7月，民航局印發《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》[3]，明確指出：中國民航航空器追蹤監控體系建設總體目標是建成中國民航航空器追蹤監控體系，實現對中國民航航空器全球運行持續監控、安全管理與應急處置。推動以北斗為代表的國產裝備在民航的應用，積極推進自主知識產權技術和標準在國際上的應用與引領。

2019年3月，由中國國際航空公司、中國民航大學聯合承擔的民航局“民用航空器北斗追蹤監視項目”正式實施，整體目標為2020年底完成20架飛機北斗追蹤監視設備加改裝。該示范項目的立項，體現了北斗在航空器中的應用勢在必行。

二、我國民用航空器對北斗應用需求迫切

1．導航、追蹤監視核心技術嚴重受制他國

當前，我國97%的運輸飛機基于ACARS實現4D/15追蹤要求，無自主知識產權，需繳納大量服務費用。銥星等資源由國外運營商控制。航空PBN網絡尚未建成，且主要依托GPS衛星導航系統。

2．航空器飛行對GNSS星基/陸基增強系統建設需求迫切

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

3．在監視手段上北斗系統提供新思路

北斗具有短報文通信能力，且不依靠地面站通信；北斗三號實現覆蓋全球的定位、導航、授時、短報文通信服務，且自主知識產權可支撐民航自主可控發展。

三、北斗在民用航空器應用的可行性

1．北斗全球衛星導航系統建設完成

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

2．國家支持，政策引導

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

3．發展路線圖支撐及適航途徑分析

（1）發展路線圖及北斗CTSO標準階段劃分

《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》提出，北斗在民用航空器的應用將貫徹“先通用航空后運輸航空，從監視到導航”的總體實施方針，制定近、中、遠三步走戰略，建立起全面的北斗應用體系，為運輸、通用航空及無人駕駛航空器飛行提供精確完好、安全可靠的導航服務，為空中交通提供全空域監視服務，全面提升民航安全水平、空域容量、運行效率和服務能力，為新時代民航強國發展提供強大技術支撐。

根據安全等級，北斗的中國技術標準規定（CTSO）標準可分為五個階段進行推進：北斗追蹤、北斗輔助監視、獨立輔助導航、集成式輔助導航、主導航（圖1）。

圖1 北斗CTSO標準階段劃分圖

（2）適航途徑分析

機載設備的適航途徑分為隨機適航取證、獨立技術標準規定項目批準書（CTSOA）適航取證兩條途徑：

1）跟隨整機TC/STC的隨機適航：機載設備作為飛機初次適航（TC）或者改型適航（STC）時，機載設備廠商跟隨飛機整機完成適航取證。優點是在尚未發布CTSO標準的前提下，機載設備廠商可以快速推出機載產品并實現裝機；缺點是機載設備僅能供應給指定型號的指定飛機廠商。

2）獨立CTSOA適航：已經發布CTSO標準，機載設備廠商獨立按照該CTSO標準完成產品研制。優點是取得CTSOA適航的機載設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，需要按照民航質量體系組織產品研制和試驗。

四、北斗在民用航空器的應用解決方案

為推動北斗在民航領域應用，民航局組織成立了北斗工作領導小組，并于2019年發布了第一個北斗CTSO標準《僅用作航空器追蹤的北斗衛星導航系統（BDS）機載設備》，制定了《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》[4]。其中針對“基于北斗的航空器追蹤監視和導航應用”涉及北斗星基增強系統（BDSBAS）、機載多模式接收機（MMR）、北斗機載追蹤監視設備，是實現北斗在民用航空器應用的切入點[5]。

1．北斗星基增強系統民用服務平臺

我國已開始建設符合國際民航組織國際標準規范的北斗星基增強系統，并基于該系統搭建北斗星基增強系統民用服務平臺（圖2）。該平臺具備為中國及周邊區域提供以完好性為核心的生命安全服務的能力。

圖2 北斗星基增強系統民用服務平臺系統設計圖

北斗星基增強系統民用服務平臺系統功能包括：處理和生成星基增強數據及產品，通過專用通信網絡傳輸至北斗地面運控系統；由北斗地面運控系統接收比對后上注北斗地球同步軌道衛星、播發至服務區內用戶使用；具備向民用航空信息服務系統（將由中國民航局負責建設）提供相關數據和信息的能力。

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）、衛星著陸系統（GLS）、儀表著陸系統（ILS）功能的機載多模終端，用來實現將星基增強系統（SBAS）、地基增強系統（GBAS）接入機載端（圖3）。

圖3 機載多模式接收機產品形態

3．北斗機載追蹤監視設備

北斗機載追蹤監視設備通過ARINC429總線獲取飛機航電系統的航班號、姿態信息、燃油量等；同時接收全球導航系統信號計算出自身4D信息，并利用北斗衛星短報文通信功能，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，實現飛機位置追蹤及預警功能（圖 4）[6]。

圖4 北斗機載追蹤監視設備產品形態

產品性能指標為：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、姿態信息、航班等信息；預警功能方面，根據飛機4D信息和姿態信息進行預警判斷，達到預警門限時輸出預警信息（拓展功能）；符合CTSO（僅用作航空器追蹤的北斗衛星導航系統機載設備）標準。

五、總結

以自主可控為目標，構建以北斗為核心的民航GNSS技術應用體系，推動以北斗定位、導航、授時、短報文通信技術為核心的新一代空中航行系統是我國民航發展的必然趨勢[7]。針對北斗在民用航空器領域的應用推廣，提出以下建議：

1）加強規劃引領。按照從監視到導航、運輸航空與通用航空統籌開展、以示范帶動推廣的實施路徑持續推動北斗在民航中的應用，制定不同層級的路線圖，引導、調動國內工業單位的積極性，利用國產大飛機等自主平臺，在航電系統制造與測試、適航審定能力提升等方面實現突破。

2）加強標準研究。在國際民航組織統一框架下推動北斗國際民航組織標準化工作，推動北斗星基增強系統納入國際民航組織標準；同時研究北斗民航應用的政策法規標準，建立覆蓋應用驗證、測試評估、適航審定、地面設備、運行程序等一系列標準體系，拒絕“拿來主義”，提升國際標準話語權。

3）加強衛星創新應用。在完成北斗三號及北斗星基增強系統的基礎之上，充分利用我國衛星星座資源，探索低軌衛星追蹤監視、導航增強等應用，早日實現民航強國目標。