北斗系統在民用航空的應用前景與實施策略

文|李欣

民航局空管局技術中心

2020年7月31日，北斗全球衛星導航系統建成并正式開通。至此，我國北斗衛星導航系統（以下簡稱“北斗系統”）歷經20余年的攻關與建設，圓滿實現“向中國提供服務、向亞太地區提供服務、向全球提供服務”的“三步走”戰略規劃，具備30顆衛星在軌的全球組網星座，具備面向全球的定位、導航與授時服務能力。

北斗全球系統的建成與開通，是北斗系統建設歷程上最重要的里程碑，為北斗系統應用推廣奠定了更加堅實的基礎，使北斗系統應用推廣工作跨入新階段與新境界，要求各相關業界以全球系統的視角，來籌劃和推進北斗系統的應用；而對于具有較強全球性、國際化特質的民用航空而言，這一任務無疑更加緊迫。

一、北斗系統民航應用的技術前景

在國際衛星導航系統體系中，北斗系統是一個發展迅猛的后來者。北斗系統的加入，使得全球衛星導航體系形成中國北斗、美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐盟Galileo四大系統并存的格局。對于這四大全球導航衛星系統而言，除去業界關注和熟悉的性能指標、組網星座、星歷數據等技術特征之外，它們在建設、運行和應用方面也存在相當差異：GPS在技術、工程和應用等各方面最為成熟，無論在信號體制設計還是衛星壽命等方面，均較其他系統具有相對優勢，而且在全球應用市場上占據主導地位；GLONASS是繼GPS后第二個宣布提供全球服務的衛星導航系統，但由于受到俄羅斯經濟狀況的影響，曾一度處于難以為繼的窘迫狀態，近年來伴隨著其現代化改造進程，實力正在逐步恢復，但由于俄羅斯自成一體的技術與應用體制，未被國際市場廣泛接受；Galileo發星組網速度較慢，實際建設進度滯后于計劃目標，但其發揮技術儲備的優勢 “先發制人”，率先在技術標準上立穩腳跟，而且基于歐美之間長期磨合而形成航空技術標準對等關系，有利于其在國際民航領域的應用和推廣；北斗在衛星發射和系統建設方面速度較快，按計劃完成了全球系統的建設并開通，但需要經歷相當時間的磨合期，對其技術狀態、運行狀態和服務狀態進行持續的調整完善，以達到穩定理想的狀態，這將在一定程度上影響其在民航領域的應用推廣進度。

雖然北斗全球系統尚處于磨合完善期，其實際服務性能也需要進行嚴格的驗證評估和實踐檢驗，但根據官方公布的服務性能指標和初步實測結果，對照國際民航組織（ICAO）的衛星導航性能指標要求，北斗系統具備滿足民航應用需求的技術能力，具備在航空導航、航空監視和飛行校驗等方面針對不同需求提供服務的應用前景。

1.航空導航：在一定的增強手段支持下，北斗系統可作為民航航路、終端區和進近著陸飛行的輔助、主用或唯一航空導航手段。對于航路導航，北斗系統的基本服務就能滿足大洋航路、邊遠航路和本土航路的導航精度要求，使用機載增強（ABAS）可滿足對導航的完好性要求，提高連續性和可用性，可作為主用導航手段使用；使用星基增強（SBAS）則可以滿足精度、完好性、連續性和可用性要求，可作為唯一導航手段使用。對于終端區導航，在ABAS、SBAS和地基增強（GBAS）的增強下，北斗可作為終端區飛行的輔助、主用或唯一導航手段。對于進近和著陸引導，北斗和ABAS可以滿足非精密的進近與著陸運行要求；北斗和SBAS可滿足垂直引導進近（APV）運行要求；北斗和GBAS可滿足最高等級（CAT III）精密進近和著陸運行要求。

2.航空監視：基于北斗基本及增強的定位信息，能夠為運輸航空和通用航空提供滿足不同精度要求的監視數據源，包括各空中飛行階段和機場地面滑行階段。

3.飛行校驗：在新機型與新機載設備的設計、定型和測試中，在空管通信導航監視設備和運行程序的飛行校驗中，差分北斗可作為高精度的時間和空間基準，使飛行試驗、數據處理和飛行測試更加便捷。

二、北斗系統民航應用的戰略意義

在民航業界，關于北斗系統民航應用的戰略意義是一個伴隨著北斗系統建設而不斷探討、逐步達成共識的問題，北斗全球系統的建成開通，更凸顯了這一問題的重要性。

2008年前后，在北斗區域系統開始建設不久、全球系統尚處于籌劃設計之時，中國民航基于國際民航領域衛星導航應用發展趨勢及其自身進行衛星導航應用研究與實踐的經驗與認識，就北斗系統民航應用的戰略意義、主要工作方向等問題與北斗系統主管部門進行探討交流，逐步達成共識，形成關于北斗系統民航應用工作的定位與目標，即：

為我國民用航空提供服務是北斗衛星導航系統重要的發展戰略之一，北斗系統是中國民航未來主用導航系統的首選。鑒于北斗系統是我國自主掌控的衛星導航系統，將其作為中國民航的未來主用導航系統將消除使用國外衛星導航系統的安全風險和政策隱憂，同時也將提升中國民航在國際民航界的話語權與影響力，成為實現民航強國戰略的基石之一；同時，北斗系統在民航領域的應用，也將提升北斗系統的服務能力等級和國際化水平，助力北斗系統服務全球的國際化戰略目標的實現。

對于中國民航而言，首先，北斗系統民航應用為中國民航使用衛星導航技術提供了安全底線，從法理與邏輯上徹底解決了中國民航使用衛星導航技術的安全風險，為衛星導航成為中國民航的主用導航技術手段奠定基礎；第二，北斗系統民航應用為中國民航使用衛星導航技術提供了上升階梯，使中國民航可以全面深入地參與衛星導航系統的技術應用與改進，可以放心推進雙頻多星座導航技術的研究與應用；第三，北斗系統民航應用為中國民航使用衛星導航技術提供了產業基礎，使中國民航與北斗系統服務、機載航電與地面設備提供者等產業界緊密結合，使中國民航能夠依托產業界，推進北斗技術標準進入國際民航領域。

對于北斗系統而言，首先，北斗系統民航應用將以民航應用所需的嚴苛要求推動北斗系統服務性能的改進與提升，包括全球一致的完好性、連續性、可用性和精確性要求，不同飛行階段、不同飛行環境對應多種性能指標要求；第二，北斗系統民航應用將以民航應用的國際平臺推動北斗系統的國際化戰略實施，表現在北斗系統已進入ICAO的全球衛星導航體系，進入技術標準體系是下一步必達目標，北斗系統在民航領域的廣泛應用是北斗國際化能力的重要標志；第三，北斗系統民航應用將促進支持北斗系統的國產民用航電系統的研制、適航與應用，推動民機航電系統與北斗系統的融合發展。

由此，北斗系統民航應用工作成為一項體現國家意志與提升產業能力、具有戰略意義的工作。

三、北斗系統民航應用的挑戰與對策

北斗全球系統的建成與開通、北斗民航應用所具有的多方面重大意義，無疑為推進北斗民航應用提供了堅實技術基礎和強大驅動力，增強了信心與決心。然而，也應清醒地看到，推進北斗系統民用領域應用，特別是國際民航應用，前景絕非一片坦途，而是充滿挑戰和潛在障礙。從系統應用的成熟程度、市場的認可和占有程度、提供服務的性能指標、配套衍生產品的豐富程度等方面，與GPS這樣的成熟衛星導航系統存在著相當差距。同時，北斗系統的發展和應用，特別是在國際范圍的發展與應用，必然會受到先行者在政策、技術、市場方面的競爭和擠壓。事實上，在推進北斗系統民航應用和國際化過程中，中國民航業界已經切身感受到面臨的障礙與挑戰。

1.主要挑戰

1）進入國際工業標準的挑戰。雖然北斗系統已經納入國際民航組織全球導航衛星（ICAO GNSS）體系框架，已完成相關公約和手冊內容修改，并逐步開展技術規范的完善修訂，但更關鍵和困難的問題是，如何納入國際主流權威的航空工業技術標準（RTCA和EUROCAE）。客觀地講，進入ICAO GNSS體系框架只是一個基礎門檻，而只有納入RTCA和EUROCAE標準中，才標志著航空設備制造廠家接納北斗系統，可以研制生產基于或兼容北斗服務信號的航空設備。鑒于RTCA和EUROCAE這兩大工業標準化組織分別由歐美兩大航空制造集團所主導控制，而我國目前在民用航空制造領域尚不具備足夠國際影響力的情況，北斗系統進入這些標準體系的難度可想而知。這里有一個典型的案例可以印證：瑞典民航局曾在20世紀90年代研究提出一種新型的甚高頻數據鏈通信技術，該技術被ICAO納入其數據通信體系框架，形成技術標準并命名為“甚高頻數據鏈模式4”（VDL M4）。然而該技術由于種種原因，未能得到以波音和空客為首的航空制造商的支持，未能進入到RTCA和EUROCAE的標準體系，最終沒能在主流的航空業界獲得應用。

2）進入國際民航用戶市場的挑戰。即使在北斗系統進入RTCA和EUROCAE的標準體系，國際主流航空設備廠商能夠在制造基于北斗或兼容北斗的航空設備的基本前提下，在GPS系統占據主導地位、對應用市場全面覆蓋的現狀下，如何讓北斗系統在安全方面的信心上、在技術方面的優勢上和商業方面的利益上，具備足夠的吸引力，能夠讓設備制造商、航空用戶愿意使用北斗系統，將是一個非常縝密、系統的博弈過程，是另一方面的挑戰。

3）多星座兼容互操作政策要求的挑戰。國際民航組織為提高GNSS民航服務的安全性、可靠性和精確性等，大力提倡和推進不同星座系統之間的兼容互操作。北斗系統作為第四個納入ICAO GNSS體系的后來者，ICAO多星座兼容互操作的政策要求，既為北斗系統推進其民航領域國際化應用提供了著力點，也要求北斗系統需要更加主動地研究提出與其他GNSS星座系統的兼容互操作技術方案并推進實施。

4）兼顧戰略目標與短期效益的挑戰。從國家與行業的長期戰略利益來看，推進北斗系統民航應用的必要性、必然性和重要性毋庸置疑，然而從短期現實收益而言，航空用戶使用北斗的內在需求、成本收益等存在需要克服的問題，面臨著北斗民航應用的長期戰略重要性與短期戰術實效性的矛盾與平衡。

2.應對策略

充分做好基礎性測試與驗證工作，確認與展示北斗系統的功能與性能，樹立技術與安全方面的信心與信任。“打鐵尚需自身硬”，無論是進入航空工業標準還是贏得用戶信任，北斗系統的性能指標、服務能力和運行狀態是最基本的條件。在進入ICAO技術標準和主流航空工業標準，得到國際民航業界技術上認可的過程中，不僅要提供承諾性的技術指標和功能描述，還要提供大量的具有說服力的理論論證和實測數據資料。這需要國內管理方、使用方相互配合，開展實質性的測試并積累測試數據；同時，還要以開放的心態，歡迎鼓勵國外研究機構和產業部門對北斗系統的服務信號開展測試評估，建立對北斗系統的信任與信心。

大力研究、推進和實現與其他衛星導航系統的兼容性和互操作性（主要是在民用航空領域），重點實現與GPS的兼容性和互操作性。一方面，作為一個目前尚未成熟、還在不斷完善的后來者，在技術標準及其航電設備基本把持在歐美機構及廠商的情況下，面對已經占據主導地位的GPS等先行者，從具備良好的兼容性和互操作性入手，以合作者的面貌出現，使得北斗系統的加入不會對原有的技術體系、標準等造成沖擊，且能夠在功能上和性能上起到加強和完善的作用，是北斗系統真正融入現有民用航空GNSS格局的可行路徑；另一方面，鑒于GPS得到最為廣泛的應用和認可，將其作為兼容與互操作的對標對象，是最為現實有利的選擇，能夠為國內外的民用航空設備廠商和用戶帶來最大化的利益選擇、最平滑的過渡、最可靠的信心建立渠道。

中國民航必須在北斗系統的應用上，率先做出嘗試，特別是在北斗系統與其他系統的兼容應用上開展實質性的、具有規模的應用。目前，中國民航以其龐大的運行體量和優異的安全水平，具有較強業界影響力。中國民航率先開展此類應用，既是實施國家戰略義不容辭的責任，也是最好的示范，以最直接有力的形式展示北斗民航應用的效果，樹立用戶信心。在應用形式上，還要充分考慮不同用戶的立場與關切，如：對于中國用戶，從GPS為主、北斗為輔逐步過渡到北斗為主、GPS為輔；對于國外用戶，定位于GPS為主、北斗為輔或自由選擇等。

四、北斗系統民航應用推進工作的指導原則與實施路線

在充分認識北斗系統民航應用的挑戰阻礙、提出應對策略的前提下，針對推進北斗系統民航應用的實踐工作，需要明確指導原則、確定實施路線。

1.指導原則

（1）瞄準總體目標，正視差距、分步實施

GNSS在民航應用已近30年，尚在標準、設備、運行等方面不斷完善?？紤]到國內現有技術與人才儲備情況，特別是經驗的相對匱乏帶來的局限，必須在北斗民航應用的總體目標下，分步實施，根據工作進展適時完善總體路線、梳理關鍵任務與技術路線等。

（2）聯合各方力量，統籌協調，共同推動

北斗國際民航標準化及應用示范涉及面廣、專業性強、周期漫長，必須在中國民用航空局、中國衛星導航系統管理辦公室等相關職能部門的指導下，廣泛調動國內民航界、工業界、研究機構等的積極性，融合發展，形成合力，充分利用各部門的資源，共同推進。

（3）形成“標準、設備、驗證”三個抓手

標準研究是基礎，北斗民航標準對北斗民航設備和運行進行規范，以保障其可靠性和置信度，使航空運輸系統的安全性目標得以實現。設備研制是核心，北斗民航設備包括機載和地面設備的試制是測試評估的基礎和前提。驗證評估是關鍵，需利用試制設備，開展地面跑車實驗、通航飛行實驗、民航典型航路/終端區/機場試運行實驗，為標準擬制提供強有力的數據支撐。

（4）通航先行先試、建立民航標準試驗田

與商業運輸航空相比，通用航空具有飛行高度低、飛行器小、飛行速度慢的特點，對系統和設備的性能要求相對較低；具有自主可控的優勢，可規避國際民航標準壁壘，在通航率先開展民航北斗應用相關技術的測試和驗證，將其作為設備測試、驗證評估、審核標準的平臺和試驗田，可為北斗民航國際標準化和應用示范提供有力的技術支撐和運行依據。

（5）自主創新與國際合作結合，加快進程

民航應用是全球性、開放性的，標準、設備、運行等也是全球統一的要求，因此在設備研制、運行實施和標準制定過程中，既要以自主創新、實現自主保障為核心，也必須廣泛開展國際合作，借鑒國際先進經驗，合理利用國際規則，通過充分參與國際競爭加強與國際接軌。

2.實施路線

2019年底，中國民用航空局發布了《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線》，明確了北斗系統民航應用的總體目標要求和階段實施計劃。

（1）總體目標要求

服務航空安全體系建設大局，建立以北斗系統定位信息為核心的航空器追蹤、監視及導航能力；服務國家空管體制改革大局，增強低空空域監視服務能力，促進低空空域開放使用；服務民航國際競爭力提升大局，推進北斗系統國際民航標準化工作，提升我國在ICAO及相關產業領域的競爭力與話語權；服務北斗系統全球應用價值大局，通過民航應用實現全球應用價值，體現北斗全球服務能力。

遵循“從易到難，從便攜到機載，從監視到導航，通用運輸統籌推進”的原則路徑，構建以北斗為核心的GNSS技術應用體系，推動以星基定位、導航與授時技術為核心的新一代空中航行系統。

（2）階段實施計劃

至2021年，基本實現北斗系統通用航空低空空域定位及監視應用，完成北斗系統運輸航空器追蹤監控及授時應用典型示范；至2025年，全面實現北斗系統通用航空定位、導航與監視應用，基本完成北斗星基增強系統運輸航空定位導航應用，全面推動北斗系統運輸航空導航及監視應用，實現大型無人機混合空域運行典型場景應用；至2035年，構建以北斗系統為核心的、與GPS等其他星座兼容互操作的雙頻多星座GNSS技術應用體系，逐步實現北斗系統民航行業應用“全覆蓋、可替代”，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。

五、結束語

推進北斗民航應用是一項戰略性、系統性、長期性的艱苦工作，本文基于對國際民航、中國民航在衛星導航技術應用工作的觀察、體會與思考，基于北斗系統民航應用與國際標準化推進工作的問題與經歷，結合《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線》及其相關研究工作內容，力圖對北斗系統民航應用的技術前景、重大意義、挑戰阻礙、應對策略和實施路線等方面進行較為系統的分析描述，以幫助業界對北斗系統民航應用工作建立全面系統的認識并達成共識。