北斗系統在我國民航領域應用現狀及發展前景

文|何運成

航科院中宇（北京）新技術發展有限公司

一、北斗系統在我國民航應用背景概述

1.中國民航局在政策法規層面出臺的一些關于北斗的應用推進政策，政策的導向以及工作推進情況

1）《中國民航導航技術應用政策》。中國民航將積極推動我國北斗衛星導航系統應用于民航所必要的地面和機載設備研制、系統和運行標準制定以及應用示范等工作。在我國北斗衛星導航系統滿足民航應用需求后，建立以我國北斗衛星導航系統為核心、兼容GPS等衛星星座的應用體系。在具備適當的增強手段、滿足民用航空運行需求的條件下，可作為航路、終端（進近）飛行階段基于性能的導航（PBN）運行的導航源。

2）《中國民航PBN實施路線圖》。中期（2013-2016）開展面向民航PBN運行的北斗應用研究和試驗工作；在遠期（2017-2025）考慮使用北斗和其他衛星導航系統兼容運行，完成從傳統導航到PBN的過渡；特別要求在通用航空領域首先和重點開展北斗的應用與推廣工作。

3）《中國民用航空ADS-B實施規劃》。2012-2015：加快北斗衛星導航在通用航空監視的應用，民航局支持和推進有關生產廠商研發安全可靠的北斗衛星導航系統機載和地面設備，組織開展兼容北斗的廣播式自動相關監視（ADS-B）機載設備適航審定和地面設備準入審定；2016-2020：全面引入北斗衛星導航系統，提高全球導航衛星系統（GNSS）安全性與定位能力，為ADS-B應用提供更加安全、可靠、準確、連續的定位信息。

4）《民用航空低空空域監視技術應用指導意見》。到2020年，構建以北斗定位信息為核心，兼容各種監視技術的低空空域監視技術服務保障體系，大部分低空空域運行的通用航空器與無人駕駛航空器實現北斗衛星導航系統定位，實現全國低空空域監視數據統一管理，為低空飛行服務保障體系提供航空器監視信息；根據通用航空活動需要實現基于北斗的多模導航運行，培育一批具有市場競爭力的設備制造商，設備研發制造水平和自主化率有較大提升。

2.北斗系統在民航領域的主要應用情況

1）北斗無線電導航衛星系統（RNSS）。包括北斗二號B1I，北斗三號B1C和B2a；當前主要提供最重要的導航服務，由用戶接收衛星無線電導航信號，自主完成至少到4顆衛星的距離測量，進行用戶位置、速度及航行參數計算。

2）北斗無線電測定衛星系統（RDSS）。當前主要應用通航，未來視資源拓展情況考慮運輸航空使用。

3）北斗星基增強系統（BDSBAS）。對GPS和北斗信號提供增強服務，以滿足更高的航空導航與監視需求。星基增強最早的應用就是為民航提供航空器提供引導服務。

4）雙頻多星座地基增強系統（DFMC GBAS）與ADS-B。民航的地基增強系統主要安裝在機場，為運輸航空器提供安全的精密進近引導服務。

5）北斗授時系統（Timing）。通過北斗授時和可靠的通信鏈，實現機場場面飛機滑行時的自動引導。

具體來說，在通用航空領域，通過在飛機上加裝北斗終端設備實現位置報告和飛行軌跡跟蹤。在運輸航空領域，實現北斗授時與地面監視應用，當前全國ADS-B系統已經采用了北斗授時技術，并已經率先在新疆地區投入運行，后續計劃擴展應用范圍，實現空管系統的北斗授時體系；目前已在湖南張家界機場開展“北斗衛星導航系統+航空空港移動通訊系統（BDS+AEROMACS）”的機場場面監視與滑行引導應用。

二、北斗系統在民用航空導航中的應用

北斗系統作為我國自主可控的導航源，從當前備用到未來發展為主用，成為空中航空系統的核心與關鍵技術是大勢所趨。

1.北斗衛星導航系統在PBN飛行程序的應用

北斗可用于飛機從起飛、離場、航路、終端區、進近著陸等所有飛行階段，是支撐所需導航性能（RNP）和區域導航（RNAV）導航規范的重要導航源。

2.北斗衛星導航系統在國產民機的驗證試飛工作

北斗衛星導航系統在國產民機的驗證試飛工作，是在民航局和中國衛星導航系統管理辦公室的共同指導下，由中國商飛公司北京民用飛機技術研究中心牽頭，結合國內科研界、高校、工業界多家單位共同組織實施的。

2017年10月10日至15日，在民航局指導下，商飛利用ARJ21-700飛機在山東東營機場完成了北斗衛星導航系統搭載測試飛行。將“北斗+大飛機”兩個國家重大專項結合，正式拉開了國產衛星導航系統在國產民用客機應用的序幕。

本次試驗完全按照國際民航組織相關標準及中國民航有關技術要求實施，成功完成了機載北斗衛星導航接收機功能和性能驗證，基于北斗的地基增強系統實現I類精密進近的性能驗證，以及北斗短報文功能運輸航空應用驗證等三項重要飛行測試驗證。

3.北斗民航應用性能評估

民航是衛星導航應用的高端行業，對于導航系統的性能有非常嚴格的要求，尤其是極高的（10-7量級）完好性要求。

中國民航建立了自己的地基區域完好性監測系統（GRIMS），對北斗衛星的完好性進行實時監測，評估北斗系統性能能否滿足民航運行要求。并且以此為基礎，進行進一步升級擴展，構建獨立運行的民航北斗衛星導航性能檢測網絡，已由單星座擴展為包括GPS/北斗/伽利略的多星座，由單頻升級為多頻，實現中國范圍內全天時、全天候、全空域監測。

4.GBAS應用驗證

我國積極應用和發展地基增強系統（GBAS）系統，美國霍尼韋爾（Honeywell）公司的SLS-4000型GBAS設備已安裝在上海浦東機場，于2015年3月20日利用空客A321在浦東機場進行了地基增強著陸系統（GLS）的演示驗證。2015年4月26日到29日，中國電子科技集團第二十研究所和北京航空航天大學共同研制的GBAS衛星導航著陸系統，在天津濱海國際機場開展了演示驗證實驗，不僅驗證了支持現有基于GPS 的GBAS著陸引導能力，還實際驗證了基于北斗（BDS）的GBAS著陸引導能力，得到了科技部和民航局領導專家的一致認可。

為積極穩妥推進GBAS技術在中國民航的驗證與應用，民航局于2015年成立了GBAS使用許可合格審定與運行驗證委員會，專門指導并審議相關審定、測試、驗證方案制定及工作開展。GBAS設備取得中國民航使用許可前需完成合格審定和飛行驗證兩方面工作。

GBAS合格審定是最為基礎性和技術性工作，該過程歷時4年左右，涉及資料技術審核、工廠技術審核、設備型號測試等環節。值得一提的是，本次國產GBAS設備為其在全球范圍內的首次認證，因此針對國產GBAS設備的審定過程除上述環節外，中國民航專門成立工作組，研究增設了近8個月的專項設計審查，確保整體審定過程完備、嚴密、可靠。

5.BDSBAS應用測試評估

北斗導航星基增強系統（BDSBAS）是北斗衛星導航系統的重要組成部分，該系統計劃兼容GPS與北斗信號增強。一旦建成，將可能為我國航路、終端區PBN運行及機場精密進近提供安全、經濟、高效的支持與服務。

當前BDSBAS正處于建設起步階段，預計于2020年向中國及周邊地區提供服務。民航局經與中國衛星導航系統管理辦公室溝通將作為主要用戶之一參與BDSBAS建設與運營工作。

為確保系統能夠按國際民航組織及我國實際民航應用需求完成建設并投入使用，民航局于2019年5月成立BDSBAS民航應用測試評估研究組，研究擬定BDSBAS系統測試評估工作方案、實施計劃與工作程序，研究草擬BDSBAS系統民航應用相關標準規范，參與國際民航組織設計BDSBAS的標準及建議措施研究制定工作。

三、北斗系統在民用航空監視中的應用

北斗獨特的RNSS和RDSS雙模技術體制將為通用航空器的導航和監視提供一體化解決方案。北斗短報文業務是授權服務，要求相關單位必須通過資質審查方可開展服務。

中國民航科學技術研究院正在牽頭開展基于北斗系統的低空空域監視系統建設。系統分為空間、機載、地面三個部分。2016年8月，獲得民航局批準：“代表民航局負責民航行業北斗衛星無線電測定業務授權” 。2017年1月，獲得中國衛星導航定位應用管理中心批復的“北斗導航民用分理級服務試驗資質”。圖1為資質批復。

圖1 代表民航局負責民航行業北斗衛星無線電測定業務授權和北斗導航民用分理級服務試驗資質

1.空間系統—北斗衛星導航系統

空間系統是我國自主建設、獨立運行的北斗衛星導航系統，兼具無線電導航衛星業務（RNSS）和無線電測定衛星業務（RDSS）兩種業務模式，能夠提供全天候、全天時的導航定位和短報文通信服務；機載系統是以航空器為載體的各型北斗機載設備，能夠自動獲取航空器位置信息，并利用北斗衛星鏈路進行位置報告和信息傳輸；地面系統的核心是北斗低空監視與信息服務平臺，平臺通過北斗指揮機或北斗定位總站專線引接北斗數據，提供航空器監視服務和基于北斗衛星鏈路的信息服務。圖2為北斗衛星導航系統在民用航空監視中的應用示意圖。

圖2 北斗衛星導航系統在民用航空監視中的應用

2012年，北斗二號開始具備覆蓋亞太地區的區域服務能力，預計2020年前后，北斗三號提供全球服務，全球系統星座35顆。當前，北斗系統主要有開放的導航定位服務和授權的短報文通信服務，但區域服務容量受限，用戶容量約為100萬個，服務頻度民用用戶通常為60s，航科院作為分理級服務試驗單位，能夠為航空特批用戶申請到30s頻度的北斗卡。隨著北斗三號的全球化擴容，所有衛星都將搭載RDSS載荷，并且具有星間鏈路，報文容量達到1000個漢字，頻度也有所提升。

2.機載系統

典型的設備包括北斗/GPS雙模機載終端和電子飛行包（EFB）。通用航空器搭載的雙模機載終端能夠實現實時位置信息的回傳，而EFB通過串口連接能夠為飛行人員提供實時動態飛行航跡的展現以及指令編輯功能。

3.地面系統—北斗低空監視與信息服務平臺

目前航科院中宇（北京）新技術發展有限公司建設的北斗低空監視與信息服務平臺，融合了GPRS/3G/4G通信與北斗通信，能夠為民航行業用戶提供北斗用戶卡申請受理和基礎運營服務，能夠實現通用航空器的北斗定位、短報文通信、用戶信息接入和管理服務，能夠輔助通航企業快速構建低成本、自主可控的低空空域監視體系，解決通航飛行“看不見、叫不到”問題，為低空空域安全監管提供有效技術支撐，保障低空空域運行安全。

2017年6月開始，航科院先后組織多家北斗設備廠商赴山東濱州大高機場、東營機場、日照機場和臨沂機場，完成了5家通航公司近50架航空器的北斗機載終端設備的安裝測試及北斗低空監視系統的試運行等工作，實現了對濟南管制區運行的大部分通用航空器的監視覆蓋。

圖3 北斗低空監視與信息服務平臺

西北地區是民航局批復的通航試點中唯一的低空空域監視與服務試點。航科院作為民航西北地區管理局通航試點工作的主要支撐單位，負責北斗監視、航空應急救援、航空情報信息共享平臺建設、西北地區通航機場使用細則編制、西北低空目視航圖制作等工作，并協助民航局開展北斗機載監視型終端的加改裝工作。圖3為用于北斗監視、航空應急救援、航空情報信息共享的北斗低空監視與信息服務平臺。

四、北斗系統在機場場面監控中的應用

機場場面監視和管理包括監視和跟蹤管理機場上的車輛(機場大巴、出租車、緊急情況車輛、燃料配送車輛)和飛機，最大效率地利用機場，保證飛行安全和效率。以廣域差分增強系統（SBAS）和GBAS為參考，運用ADSB和機艙顯示系統(結合場面地圖)，飛行員可以在低能見度下完成在機場滑行的自主引導，以支持機場場面調度管理。航科院中宇（北京）新技術發展有限公司研發的機場場面監視與航班保障管控系統分為兩個平臺，根據機場需求，即可集成在一起同時運行，也可以分開獨立運行。圖4為機場場面監視與航班保障管控系統。

圖4 機場場面監視與航班保障管控系統

1.場面監視平臺

實現對飛行區/終端區內航空器和車輛的精確監控，使機坪運行管理人員能夠及時了解機場內飛機、車輛的實時位置和行駛狀況，對車輛超速、越界、侵入進行自動告警，并能夠通過數字化的語音、指令和矢量地圖等多種方式與駕駛員進行高效溝通，提高場面運行安全和效率。

2.航班進程管控平臺

實現航班動態信息共享、保障任務數字化下達、各保障時間節點自動錄入、保障任務執行情況自動統計、保障車輛和人員智能排班與智能調度，提高機場航班保障效率和服務質量。

機場場面監視與航班保障管控系統的核心技術為北斗差分定位、雷達/ADS-B、移動通信技術；通過北斗差分+慣導定位，為機坪車輛提供亞米級定位精度和高精度地圖；利用雷達/ADS-B可以提供準確的航班信息，包括實時位置、航班動態等；移動通信技術，實現監控人員和駕駛員之間雙向數字通信。包括航班動態信息的推送、任務的下達、車輛位置和工作信息回傳、基于無線虛擬專網的實時集群通信（可與傳統集群專網、電臺、監控攝像頭等專用終端互聯互通）。圖5為機場場面監視與航班保障管控系統—車載智能顯示終端。

圖5 機場場面監視與航班保障管控系統—車載智能顯示終端

五、北斗系統在民航應用中的發展前景

1.穩步推進北斗國際標準化工作

初步完成北斗二號國際民航組織（ICAO）標準與建議措施修訂；推進北斗三號ICAO標準與建議措施修訂；推進BDSBAS、GBAS ICAO標準與建議措施修訂；推進北斗民航工業標準國際化。

2.完善關鍵系統建設服務

完成全國衛星導航系統性能監測網絡建設；做好北斗星基增強系統建設與適航審定工作。

3.加快推進運輸航空北斗應用

推進北斗在國產民用客機應用；促進北斗在運輸航空器上安裝，提供補充監視及航空器追蹤監控信息服務；研究制定北斗機載技術標準規范；推動基于BDS+GPS的雙模ADS-B及GBAS驗證應用；推進基于BDS+GPS的雙模統一授時等其他基于北斗技術的應用。

4.全面快速推進通用航空應用

擴大通用航空器北斗終端設備加裝范圍，進一步研究綜合其他技術，對通用航空器定位信息進行整合處理與分發，提供完善的北斗低空空域監視覆蓋信息服務；研究編制北斗通航應用機載設備相關適航標準，協調推動簡化通航北斗機載加改裝程序；推進北斗+國產衛星通信在通航領域低空空域監視應用；與飛機及機載設備制造商推動北斗導航功能在通用航空應用。