民用航空中的機載導航應用發展綜述

文|成劍 陶志平 周中華 李齊政 李澤明 宋宏偉 彭昊良

1.中國國際航空股份有限公司 2.航天恒星科技有限公司

一、引言

導航技術是國際民航組織空中航行系統的重要組成部分，是衛星、機載及地面各種定位與導航技術的結合，為航空器提供飛行引導信息，使其能夠安全、正常飛行，是現代民用航空安全高效運行的基礎。

從全球范圍來看，全球導航衛星系統（GNSS）已經作為未來導航技術的發展重點，成為飛機在航路、進近和著陸過程中的重要手段，并已經在各國的航空中廣泛應用。GNSS在民航的應用，可提供更加精確可靠、安全高效的導航手段，能有效提高空中交通安全水平、空域容量與運行效率[1]。

目前，我國自主設計、建設和運行的北斗衛星導航系統，將在2020年左右完成系統的建設，具備提供全球、全天候、高精度的定位和授時服務的能力。將北斗作為我國民用航空的主用導航系統，可使我國民航擺脫對國外GNSS星座的依賴，在保障飛行安全和提高運行效率方面發揮重要作用。此外，民用航空是最高端用戶，推進北斗系統在民航領域應用，是服務國家戰略與國家安全大局的重要需要，是推進國家空管體制改革大局的需要，是進一步提升民航安全水平的需要，也是提升中國民航國際競爭力與話語權的需要。

未來，我國將逐步過渡到以GNSS為主用導航源，陸基導航設施為備份導航源的導航系統構架，并積極開展以北斗衛星導航系統為核心，兼容GPS等的我國民航衛星導航體系的建設，推進北斗衛星導航系統的全球應用。

二、國內民航導航系統的發展現狀

中國民航高度重視導航技術發展與應用，一方面不斷加強傳統導航基礎設施布局與完善，以適應快速增長的空中航行服務需求；另一方面不斷加大對導航新技術的研究與應用投入，大力推廣基于性能的導航（PBN）應用，全力推進北斗衛星導航系統的全球應用。PBN技術是我國民航無線電導航系統發展的核心技術，對民航的機載設備、飛機運行、導航布局、機場建設等方面的發展將產生重要影響，有利于提高民航的飛行安全、增加空中容量和流量、減少機場地面設施建設的投資、減少航班延誤等現象，并且PBN技術還能夠實現節能減排，在環境保護方面發揮積極作用[2]。

1.陸基導航

在我國，目前儀表著陸系統（ILS）仍將是國內航空的標準著陸系統，并且據專家估計在新一代高性能、低成本飛機著陸系統正式裝備之前，這一現狀很難改變。以下是飛機在飛行過程中的幾個階段：

1）航路導航：國際航路及國內主要航路基本實現8400m以上航路甚高頻全向信標(VOR)信號覆蓋，為傳統空中交通服務（ATS）提供了較好支持，但在中西部地形復雜地區，導航信號的覆蓋仍然存在盲區。

2）終端區導航：在全國各機場終端區范圍內建立了基于多普勒甚高頻全向信標（DVOR）/測距設備（DME）和無向信標（NDB）的標準儀表進/離場程序，部分流量大的機場實現了進/離場分流，導航保障網絡能夠較好地支持終端區飛行流量的不斷增長。但受導航設備布局、空域劃設、飛行程序設計等因素影響，終端區導航設備網絡缺乏備份能力，大部分機場進/離場程序僅由單一導航設備保障，缺乏基于不同導航設備的備份手段。

3）進近和著陸導航：全國大部分機場均裝備了VOR/DME、儀表著陸系統（ILS）或NDB設備，能夠提供基于ILS/DME、VOR/DME、NDB/DME的不同等級和運行標準的進近服務。全國樞紐和干線機場均為雙向儀表著陸系統配置，支線機場均為單向儀表著陸系統配置。極少數大型綜合性樞紐機場能夠保障復雜氣象條件下的Ⅱ類或Ⅲ類精密進近[3]。但各機場缺乏基于不同導航設備的飛行程序備份能力，保障能力單一，少部分支線機場沒有安裝儀表著陸系統。

4）基于性能的導航：東部部分繁忙地區和機場具備DME/DME區域導航能力，能夠支持區域導航（RNAV）的RNAV-1或RNAV-2標準航路和終端區進/離場。但全國范圍基于DME/DME的區域導航保障網絡尚未建成，DME布局不合理，總體數量不足，仍存在部分盲區，西部地區難以實現DME/DME區域導航。

綜上所述，目前國內還是以陸基導航系統為主，但存在監測盲區以及容易受到環境的影響，無法實現全天時、全天候監測以及進近著陸。

2.ADS-B

國際民航組織（ICAO）將廣播式自動相關監視（ADS-B）確定為未來監視技術發展的主要方向。ADS-B也是中國民航局重點推進的新技術，中國民用航空局于2017年12月26日下發明傳電報《關于ADS-B機載設備加改裝相關工作要求的通知》（局發明電【2017】3685號），為大型飛機公共運輸合格證持有人如何加改裝ADS-B機載設備提出了明確的要求。通知要求，在2019年7月1日前，安裝滿足航空無線電技術委員會（RTCA）1090MHZ自動相關監視廣播的最低運行性能標準(DO-260)或后續版本并經相關適航批準的S模式應答機；安裝具備“選擇可用性激活”（SA ON）或“選擇可用性識別”(SA AWARE)功能，或安裝通過星基增強系統（SBAS）增強GNSS信號并經相關適航批準的衛星定位信號接收設備。在2022年12月31日前，安裝滿足RTCA DO-260B標準并經相關適航批準的S模式應答機；安裝具備SA AWARE功能，或安裝通過SBAS增強GNSS信號并經過相關適航批準的衛星定位信號或接收設備[4]。

2017年4月28日，多架吉祥航空A321客機在飛行中利用ADS-B OUT（發送）廣播各自信息，并通過ADS-B IN（接收）直接接收，借助ADS-B IN對飛機目視進近的增強功能，最終順利完成目視間隔和目視進近順利著陸；從首機起飛到尾機落地，全程耗時25分鐘。在目視進近過程中，參與演示飛行的飛機間隔縮短到2.5海里，展示了ADS-B IN技術在確保安全的基礎上對于機場容量及航班進近效率的良好提升效用。

中國國際貨運航空公司（簡稱國貨航）于2019年2月1日至2月17日完成了首架波音757飛機滿足DO-260B標準的ADS-B OUT系統改裝工作。國貨航的改裝方案由第三方獨家設計單位成都富凱提供，由北京飛機工程服務有限公司成都分公司執行加裝施工工作。

目前，我國民航已經開始逐步應用ADS-B OUT技術，以進一步推動航空安全工作、提升管制效率和水平。預計到2019年底，ADS-B OUT有望在我國民航全面應用。但由于ADS-B存在盲區等問題，未來星基ADS-B將成為民航追蹤監視發展的趨勢。

3.衛星導航

近年來，我國一直致力于利用飛機自身機載導航設備和衛星導航系統引導飛機起降這一方面的研究。這一技術又稱作需要特殊授權的所需導航性能進近程序（RNP AR）進近技術，目前在國內取得了很好的成果。不過由于GPS的所有權和控制方式，使得在航空導航方面難以接受GPS著陸系統，針對這種現狀，研究基于多系統兼容導航的區域增強系統，可全面提高機載設備的導航性能，解決未來機載著陸設備的選用難題。

GNSS作為未來民用航空運行的主要導航源，已經進入了快速發展和應用階段。當前，我國不斷加強對北斗導航系統及其在民航導航中的應用研究，并積極向國際靠攏。目前，北斗星基增強系統正在按照國際民航標準開展建設，未來可為全球民航用戶提供高精度、高完好性[5]的導航服務。但是，目前北斗在民航領域的應用與國外GNSS相比還存在很大差距，應用推廣之路還任重道遠。

三、北斗在民航領域應用差距分析

在國外衛星導航系統作為民用航空定位、導航以及進近著陸的重要手段，促進了衛星導航技術在民航領域的發展，但由于受政策影響，目前在國內還處于試驗驗證階段。隨著北斗衛星導航技術的發展，將北斗與民航深入融合尤為迫切，也是未來民航發展的必由之路。下面從基礎設施建設、產品研制、標準制定、適航取證四個方面探討北斗與國外GNSS在民航領域應用的差距。

1.基礎設施建設

（1）SBAS系統在民航領域的應用

全球已經建立起了多個SBAS系統，如美國的廣域增強系統（WAAS）、歐洲的對地靜止導航覆蓋服務（EGNOS）、日本的多功能衛星增強系統（MSAS）、俄羅斯的差分校正和監測系統（SDCM）、加拿大的廣域增強系統（CWAAS）以及印度的GPS輔助地理增強導航 (GAGAN) 系統[6]，各SBAS系統全球分布，如圖1。

圖1 全球SBAS覆蓋范圍示意圖

2015年3月，歐洲具備EGNOS能力的飛機場已經超過了130個，以法國（62個）和德國（11個）為主。其中，102個機場頒布了LPV的飛行程序，33個機場達頒布了*APV II的飛行程序。ESSP（歐洲衛星服務提供者）已在考慮結合EGNOS系統和PBN技術，為區域導航以及缺乏地基增強系統的邊遠地區導航提供助力。另外，以EGNOS系統為核心設立了多個項目：支撐APVII進近程序的SHERPA計劃；為“公開服務”和“商業服務”階段提供運營和維護的GSC OPS&HSP計劃；處理“全球導航衛星系統服務中心基礎設施”設置的GSC INF計劃等等。

2018年10月，西班牙空中導航服務商ENAIRE在帕爾馬機場記錄了117架帶衛星導航的飛機著陸。ENAIRE的2020年飛行計劃的目標之一是，通過實施基于衛星導航的新程序，以及實現機場不同跑道的無障礙性來提高運營效率，進一步提高安全性。在帕爾馬機場實施的項目包括兩種類型的內容。一方面，跑道06L配有基于EGNOS（歐洲地球同步衛星導航增強服務系統）的進近著陸。并且，另一方面，在并行跑道24R和24L的進近過程中，可以選擇是否根據EGNOS系統所要求的使用。

我國也正在論證和籌備北斗SBAS的建設。2017年10月20日，在加拿大蒙特利爾召開的國際民航組織導航系統專家組第四次全會上，北斗星基增強系統（BDSBAS）服務商標識號和系統標準時間標識號獲得大會一致通過，這標志著北斗國際民航標準化工作取得了又一重大突破。除此之外，北斗星基增強系統建設所必須的3個偽隨機碼（PRN碼）在中國衛星導航系統管理辦公室（以下簡稱“北斗辦”）和民航局的共同努力下，歷經多次中美雙邊談判，本次會議上也正式獲得指配，為北斗星基增強系統向全球民航提供標準導航服務奠定了堅實基礎。

目前，我國現正開展雙頻多星座（DFMC）SBAS的設計；2018年已成功發射具備SBAS能力的GEO衛星；2020年將在亞太地區提供初始的DFMCSBAS服務；2025年左右將提供正式的SBAS服務。由于國內北斗星基增強系統仍處于規劃建設中，距離在民航的應用還有一段距離。

（2）地基增強系統（GBAS）系統在民航領域的應用

2014年4月29日，美國已有14個機場安裝了霍尼韋爾的SLS-4000型GBAS設備。其中，紐瓦克國際機場和休斯頓喬治布什洲際機場的GBAS設備先后獲得FAA的運行許可。美國聯合航空的波音737和787飛機正在使用上述機場的GBAS系統。

2019年2月16日，霍尼韋爾航空航天集團SmartPath被澳大利亞航空服務公司選用，成為澳大利亞首個采用的陸基增強系統（GBAS），該系統將幫助悉尼機場提升運營效率，并降低空中交通噪音?；裟犴f爾SmartPath是全球唯一一個獲得認證的陸基增強系統，分別獲得美國聯邦航空局（FAA）和德國BAF認證，并將取代傳統的儀表著陸系統（ILS）技術。

我國也在積極應用和發展GBAS系統，但是仍處于演示驗證階段。美國霍尼韋爾公司的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。

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。通過將“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專用的序幕，其包含了“四個國產化”的結合，即結合了國產衛星導航系統、國產民航衛星導航地基增強系統、國產機載導航系統和國產民用大型客機。

2019年4月，中國民航順利完成美國霍尼韋爾公司和中國電子科技集團公司兩個型號GBAS地面設備合格審定及測試工作，標志著衛星導航地基增強系統（GBAS）這項新技術在中國民航的許可認證工作取得階段性成果。

目前，國內的GBAS系統驗證主要基于GPS，由于北斗GBAS民航標準尚未制定，北斗GBAS在民航的應用還處于實驗室階段。

2.產品研制

（1）系統方面

從全球范圍來看，目前GNSS已經在各國的航空中廣泛運用，關于終端區飛機進近著陸，歐美等航空運輸大國已經從陸基導航設施下的儀表非精密進近程序(如VOR進近，NDB進近等)過渡到GNSS I類非精密進近，并取得了良好的安全、經濟效益，現正向GNSS II類及更高標準的精密進近程序發展。

在我國，目前儀表著陸系統（ILS）仍將是國內航空的標準著陸系統，并且據專家估計在新一代高性能、低成本飛機著陸系統正式裝備之前，這一現狀很難改變。而我國的機場通信系統與精密進近著陸系統與發達國家相比還有較大的差距，經常因為天氣等原因影響飛機的正常飛行。

由于我國航空工業比較落后，大部分民航飛機和機載設備均為進口。隨著北斗區域系統的民航應用和全球系統的建設，如何將北斗技術應用于機載，實現“北斗上飛機”，急需國際民航組織和國際工業屆權威標準的支持。因此，對于北斗在我國民航應用與推廣，標準研究和編制是亟需解決的核心問題。

（2）終端方面

國際民航市場現有服役機型以B787、B737、A380、A320為主，通過對各機型導航設備和設備供應商的統計情況分析可以發現，目前4大典型機型的導航系統或設備供應商全部為國外設備制造商。其中，以霍尼韋爾和柯林斯為主要提供廠商，所采用的導航系統主要基于GPS。在國內，以中國商飛國產飛機導航系統為例，ARJ21支線飛機全套通信導航監視系統配備的是羅克韋爾柯林斯公司的集成系統，C919配備的是國外廠商研制的多模式導航接收機，均支持GPS導航信號。

航空設備生產制造需要質量體系，為了保證航空生產企業產品質量，國際上有航空質量體系AS9100，它是在ISO9001基礎上，針對航空生產提出的更專業的要求。航空設備生產企業通過AS9100質量認證目前獲得較多關注，生產的設備通過機載設備環境條件與測試規程（DO-160），其上面運行的軟件也需要評估通過機載軟件適航標準（DO-178）要求，以確保設備符合適航審定基礎要求。因此，民用航空領域北斗接收機產品較少。

3.標準制定

在國際民用航空領域，世界已公認美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯系統（GLONASS）、歐洲伽利略系統（Galileo）和中國的北斗系統（BDS）為全球四大衛星導航系統。聯合國已將這四大導航系統一起確認為全球衛星導航系統核心供貨商。但是各國的標準化進程卻存在很大差異。歐盟早在2002年前就在國際民航組織啟動了伽利略標準的國際化工作。依據標準的制定機構和法律效應，現有GNSS民航標準體系可分為國際民用航空組織（ICAO）標準、工業界標準和民航管理部門標準。在上述GNSS民航標準體系中，具備國際規范和參考作用的標準主要由ICAO、RTCA、歐洲民用航空設備組織（EUROCAE）、航空電子工程委員會（AEEC）等組織制定，構成GNSS國際民航標準體系[7]，如圖2。

圖2 全球SBAS覆蓋范圍示意圖

北斗標準國際化工作開始較晚。2010年10月，北斗系統開始啟動納入國際民航組織全球衛星導航系統。2011年國際民航組織理事會討論提議行動計劃，已經明確制定標準和建議措施（SARPs）[8]，支持中國的北斗導航系統實施進入全球框架，北斗開始了國際標準化之路。中國民航已經通過國際民航組織導航系統專家組（NSP）以信息文件（IP）的形式進行了探索，并根據民航PBN路線圖的發布，提出了北斗應用標準化問題。在2011年至2018年，我們先后參加了16次ICAO導航系統專家組會議，在ICAO的統一框架下不斷推進北斗SARPs的更新。

然而目前，我國在GNSS國際民航標準體系研究方面仍以學習和跟蹤研究為主。主要是通過參與國際標準化組織的活動，了解和掌握GNSS國際民航標準的關鍵技術，學習GNSS國際民航標準制定流程，我國尚未形成系統、有效的國際民航標準化能力。

4.適航取證

我國適航管理通過借鑒和引入美國適航標準及管理經驗，建立了集中型的適航管理體系，并經歷了多個型號的實踐，其管理模式已經基本與國際接軌[9]。但其管理水平與國際先進適航管理水平之間還有一定差距，普遍存在研制人員、適航人員對適航管理理解不到位及執行適航標準的自覺性不夠的問題。

（1）突破標準制定的瓶頸

適航標準是長期經驗的積累，是吸取了飛行事故的教訓，經過反復的驗證和論證并公開征求公眾意見制定的，美國聯邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）兩家適航當局的優勢在于其具有世界上最先進、最完善的適航標準，并具有高度的國際化。因此，要想在國際上擁有更多的話語權，就必須注重標準的國際化，積極開展與國外先進適航當局的交流與合作，了解和掌握國際上適航法規及標準的最新動態，突破標準制定的瓶頸。

（2）適航符合性驗證水平亟待提高

與美歐等國相比，中國的民機研制起步晚、基礎薄，適航驗證水平也處于發展階段，與世界先進水平仍存在較大差距，尚未形成相對科學、完整的驗證方法和驗證程序，且經驗和積累極度欠缺。因此，必須結合中國民機研制與適航工作的實際，深入研究適航符合性驗證方法，尤其針對適航規章和適航標準的研究，找到一套與中國民機產業相配套的符合性驗證方法，逐步建立起完整的民機適航符合性驗證程序。

（3）以設計保證系統的建立帶動適航管理體系的發展

中國適航當局在最新的適航規章中已經明確了對設計保證系統和設計保證手冊的審查要求。國內設計保證系統的建立和發展取得了長足的進步，然而在獨立監督職能、供應商設計保證系統管控以及申請、審查雙方的接口界面等方面仍不夠清晰和完善的問題，缺少相應的監督措施，無法向負責落實糾正措施的機構及時反饋，對供應商設計保證系統尚未建立起成熟的管理和監控機制。另外，由于設計保證系統的審查在國內也是一項全新的審查模式，因此申請和審查雙方的審查工作接口仍不夠完善，雙方對此也在積極地嘗試，以期能探索出高效并符合中國實際的審查方式。

四、結語

隨著北斗系統的發展，尤其是北斗三號系統服務的完善，我國民航領域對北斗的應用更加廣泛。未來，通過完善陸基、星基、地基導航等設施布局，基于北斗衛星導航系統，融合陸基、星地基、5G、低軌增強[10]等技術，不斷提高民航服務性能，拓展服務范圍及應用場景，滿足民用航空器追蹤、飛行預警、進近著陸等需求，并逐步推向國際市場，推動北斗國際化。