北斗系统在我国民航领域应用现状及发展前景

文|何运成

航科院中宇（北京）新技术发展有限公司

一、北斗系统在我国民航应用背景概述

1.中国民航局在政策法规层面出台的一些关于北斗的应用推进政策，政策的导向以及工作推进情况

1）《中国民航导航技术应用政策》。中国民航将积极推动我国北斗卫星导航系统应用于民航所必要的地面和机载设备研制、系统和运行标准制定以及应用示范等工作。在我国北斗卫星导航系统满足民航应用需求后，建立以我国北斗卫星导航系统为核心、兼容GPS等卫星星座的应用体系。在具备适当的增强手段、满足民用航空运行需求的条件下，可作为航路、终端（进近）飞行阶段基于性能的导航（PBN）运行的导航源。

2）《中国民航PBN实施路线图》。中期（2013-2016）开展面向民航PBN运行的北斗应用研究和试验工作；在远期（2017-2025）考虑使用北斗和其他卫星导航系统兼容运行，完成从传统导航到PBN的过渡；特别要求在通用航空领域首先和重点开展北斗的应用与推广工作。

3）《中国民用航空ADS-B实施规划》。2012-2015：加快北斗卫星导航在通用航空监视的应用，民航局支持和推进有关生产厂商研发安全可靠的北斗卫星导航系统机载和地面设备，组织开展兼容北斗的广播式自动相关监视（ADS-B）机载设备适航审定和地面设备准入审定；2016-2020：全面引入北斗卫星导航系统，提高全球导航卫星系统（GNSS）安全性与定位能力，为ADS-B应用提供更加安全、可靠、准确、连续的定位信息。

4）《民用航空低空空域监视技术应用指导意见》。到2020年，构建以北斗定位信息为核心，兼容各种监视技术的低空空域监视技术服务保障体系，大部分低空空域运行的通用航空器与无人驾驶航空器实现北斗卫星导航系统定位，实现全国低空空域监视数据统一管理，为低空飞行服务保障体系提供航空器监视信息；根据通用航空活动需要实现基于北斗的多模导航运行，培育一批具有市场竞争力的设备制造商，设备研发制造水平和自主化率有较大提升。

2.北斗系统在民航领域的主要应用情况

1）北斗无线电导航卫星系统（RNSS）。包括北斗二号B1I，北斗三号B1C和B2a；当前主要提供最重要的导航服务，由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少到4颗卫星的距离测量，进行用户位置、速度及航行参数计算。

2）北斗无线电测定卫星系统（RDSS）。当前主要应用通航，未来视资源拓展情况考虑运输航空使用。

3）北斗星基增强系统（BDSBAS）。对GPS和北斗信号提供增强服务，以满足更高的航空导航与监视需求。星基增强最早的应用就是为民航提供航空器提供引导服务。

4）双频多星座地基增强系统（DFMC GBAS）与ADS-B。民航的地基增强系统主要安装在机场，为运输航空器提供安全的精密进近引导服务。

5）北斗授时系统（Timing）。通过北斗授时和可靠的通信链，实现机场场面飞机滑行时的自动引导。

具体来说，在通用航空领域，通过在飞机上加装北斗终端设备实现位置报告和飞行轨迹跟踪。在运输航空领域，实现北斗授时与地面监视应用，当前全国ADS-B系统已经采用了北斗授时技术，并已经率先在新疆地区投入运行，后续计划扩展应用范围，实现空管系统的北斗授时体系；目前已在湖南张家界机场开展“北斗卫星导航系统+航空空港移动通讯系统（BDS+AEROMACS）”的机场场面监视与滑行引导应用。

二、北斗系统在民用航空导航中的应用

北斗系统作为我国自主可控的导航源，从当前备用到未来发展为主用，成为空中航空系统的核心与关键技术是大势所趋。

1.北斗卫星导航系统在PBN飞行程序的应用

北斗可用于飞机从起飞、离场、航路、终端区、进近着陆等所有飞行阶段，是支撑所需导航性能（RNP）和区域导航（RNAV）导航规范的重要导航源。

2.北斗卫星导航系统在国产民机的验证试飞工作

北斗卫星导航系统在国产民机的验证试飞工作，是在民航局和中国卫星导航系统管理办公室的共同指导下，由中国商飞公司北京民用飞机技术研究中心牵头，结合国内科研界、高校、工业界多家单位共同组织实施的。

2017年10月10日至15日，在民航局指导下，商飞利用ARJ21-700飞机在山东东营机场完成了北斗卫星导航系统搭载测试飞行。将“北斗+大飞机”两个国家重大专项结合，正式拉开了国产卫星导航系统在国产民用客机应用的序幕。

本次试验完全按照国际民航组织相关标准及中国民航有关技术要求实施，成功完成了机载北斗卫星导航接收机功能和性能验证，基于北斗的地基增强系统实现I类精密进近的性能验证，以及北斗短报文功能运输航空应用验证等三项重要飞行测试验证。

3.北斗民航应用性能评估

民航是卫星导航应用的高端行业，对于导航系统的性能有非常严格的要求，尤其是极高的（10-7量级）完好性要求。

中国民航建立了自己的地基区域完好性监测系统（GRIMS），对北斗卫星的完好性进行实时监测，评估北斗系统性能能否满足民航运行要求。并且以此为基础，进行进一步升级扩展，构建独立运行的民航北斗卫星导航性能检测网络，已由单星座扩展为包括GPS/北斗/伽利略的多星座，由单频升级为多频，实现中国范围内全天时、全天候、全空域监测。

4.GBAS应用验证

我国积极应用和发展地基增强系统（GBAS）系统，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司的SLS-4000型GBAS设备已安装在上海浦东机场，于2015年3月20日利用空客A321在浦东机场进行了地基增强着陆系统（GLS）的演示验证。2015年4月26日到29日，中国电子科技集团第二十研究所和北京航空航天大学共同研制的GBAS卫星导航着陆系统，在天津滨海国际机场开展了演示验证实验，不仅验证了支持现有基于GPS 的GBAS着陆引导能力，还实际验证了基于北斗（BDS）的GBAS着陆引导能力，得到了科技部和民航局领导专家的一致认可。

为积极稳妥推进GBAS技术在中国民航的验证与应用，民航局于2015年成立了GBAS使用许可合格审定与运行验证委员会，专门指导并审议相关审定、测试、验证方案制定及工作开展。GBAS设备取得中国民航使用许可前需完成合格审定和飞行验证两方面工作。

GBAS合格审定是最为基础性和技术性工作，该过程历时4年左右，涉及资料技术审核、工厂技术审核、设备型号测试等环节。值得一提的是，本次国产GBAS设备为其在全球范围内的首次认证，因此针对国产GBAS设备的审定过程除上述环节外，中国民航专门成立工作组，研究增设了近8个月的专项设计审查，确保整体审定过程完备、严密、可靠。

5.BDSBAS应用测试评估

北斗导航星基增强系统（BDSBAS）是北斗卫星导航系统的重要组成部分，该系统计划兼容GPS与北斗信号增强。一旦建成，将可能为我国航路、终端区PBN运行及机场精密进近提供安全、经济、高效的支持与服务。

当前BDSBAS正处于建设起步阶段，预计于2020年向中国及周边地区提供服务。民航局经与中国卫星导航系统管理办公室沟通将作为主要用户之一参与BDSBAS建设与运营工作。

为确保系统能够按国际民航组织及我国实际民航应用需求完成建设并投入使用，民航局于2019年5月成立BDSBAS民航应用测试评估研究组，研究拟定BDSBAS系统测试评估工作方案、实施计划与工作程序，研究草拟BDSBAS系统民航应用相关标准规范，参与国际民航组织设计BDSBAS的标准及建议措施研究制定工作。

三、北斗系统在民用航空监视中的应用

北斗独特的RNSS和RDSS双模技术体制将为通用航空器的导航和监视提供一体化解决方案。北斗短报文业务是授权服务，要求相关单位必须通过资质审查方可开展服务。

中国民航科学技术研究院正在牵头开展基于北斗系统的低空空域监视系统建设。系统分为空间、机载、地面三个部分。2016年8月，获得民航局批准：“代表民航局负责民航行业北斗卫星无线电测定业务授权” 。2017年1月，获得中国卫星导航定位应用管理中心批复的“北斗导航民用分理级服务试验资质”。图1为资质批复。

图1 代表民航局负责民航行业北斗卫星无线电测定业务授权和北斗导航民用分理级服务试验资质

1.空间系统—北斗卫星导航系统

空间系统是我国自主建设、独立运行的北斗卫星导航系统，兼具无线电导航卫星业务（RNSS）和无线电测定卫星业务（RDSS）两种业务模式，能够提供全天候、全天时的导航定位和短报文通信服务；机载系统是以航空器为载体的各型北斗机载设备，能够自动获取航空器位置信息，并利用北斗卫星链路进行位置报告和信息传输；地面系统的核心是北斗低空监视与信息服务平台，平台通过北斗指挥机或北斗定位总站专线引接北斗数据，提供航空器监视服务和基于北斗卫星链路的信息服务。图2为北斗卫星导航系统在民用航空监视中的应用示意图。

图2 北斗卫星导航系统在民用航空监视中的应用

2012年，北斗二号开始具备覆盖亚太地区的区域服务能力，预计2020年前后，北斗三号提供全球服务，全球系统星座35颗。当前，北斗系统主要有开放的导航定位服务和授权的短报文通信服务，但区域服务容量受限，用户容量约为100万个，服务频度民用用户通常为60s，航科院作为分理级服务试验单位，能够为航空特批用户申请到30s频度的北斗卡。随着北斗三号的全球化扩容，所有卫星都将搭载RDSS载荷，并且具有星间链路，报文容量达到1000个汉字，频度也有所提升。

2.机载系统

典型的设备包括北斗/GPS双模机载终端和电子飞行包（EFB）。通用航空器搭载的双模机载终端能够实现实时位置信息的回传，而EFB通过串口连接能够为飞行人员提供实时动态飞行航迹的展现以及指令编辑功能。

3.地面系统—北斗低空监视与信息服务平台

目前航科院中宇（北京）新技术发展有限公司建设的北斗低空监视与信息服务平台，融合了GPRS/3G/4G通信与北斗通信，能够为民航行业用户提供北斗用户卡申请受理和基础运营服务，能够实现通用航空器的北斗定位、短报文通信、用户信息接入和管理服务，能够辅助通航企业快速构建低成本、自主可控的低空空域监视体系，解决通航飞行“看不见、叫不到”问题，为低空空域安全监管提供有效技术支撑，保障低空空域运行安全。

2017年6月开始，航科院先后组织多家北斗设备厂商赴山东滨州大高机场、东营机场、日照机场和临沂机场，完成了5家通航公司近50架航空器的北斗机载终端设备的安装测试及北斗低空监视系统的试运行等工作，实现了对济南管制区运行的大部分通用航空器的监视覆盖。

图3 北斗低空监视与信息服务平台

西北地区是民航局批复的通航试点中唯一的低空空域监视与服务试点。航科院作为民航西北地区管理局通航试点工作的主要支撑单位，负责北斗监视、航空应急救援、航空情报信息共享平台建设、西北地区通航机场使用细则编制、西北低空目视航图制作等工作，并协助民航局开展北斗机载监视型终端的加改装工作。图3为用于北斗监视、航空应急救援、航空情报信息共享的北斗低空监视与信息服务平台。

四、北斗系统在机场场面监控中的应用

机场场面监视和管理包括监视和跟踪管理机场上的车辆(机场大巴、出租车、紧急情况车辆、燃料配送车辆)和飞机，最大效率地利用机场，保证飞行安全和效率。以广域差分增强系统（SBAS）和GBAS为参考，运用ADSB和机舱显示系统(结合场面地图)，飞行员可以在低能见度下完成在机场滑行的自主引导，以支持机场场面调度管理。航科院中宇（北京）新技术发展有限公司研发的机场场面监视与航班保障管控系统分为两个平台，根据机场需求，即可集成在一起同时运行，也可以分开独立运行。图4为机场场面监视与航班保障管控系统。

图4 机场场面监视与航班保障管控系统

1.场面监视平台

实现对飞行区/终端区内航空器和车辆的精确监控，使机坪运行管理人员能够及时了解机场内飞机、车辆的实时位置和行驶状况，对车辆超速、越界、侵入进行自动告警，并能够通过数字化的语音、指令和矢量地图等多种方式与驾驶员进行高效沟通，提高场面运行安全和效率。

2.航班进程管控平台

实现航班动态信息共享、保障任务数字化下达、各保障时间节点自动录入、保障任务执行情况自动统计、保障车辆和人员智能排班与智能调度，提高机场航班保障效率和服务质量。

机场场面监视与航班保障管控系统的核心技术为北斗差分定位、雷达/ADS-B、移动通信技术；通过北斗差分+惯导定位，为机坪车辆提供亚米级定位精度和高精度地图；利用雷达/ADS-B可以提供准确的航班信息，包括实时位置、航班动态等；移动通信技术，实现监控人员和驾驶员之间双向数字通信。包括航班动态信息的推送、任务的下达、车辆位置和工作信息回传、基于无线虚拟专网的实时集群通信（可与传统集群专网、电台、监控摄像头等专用终端互联互通）。图5为机场场面监视与航班保障管控系统—车载智能显示终端。

图5 机场场面监视与航班保障管控系统—车载智能显示终端

五、北斗系统在民航应用中的发展前景

1.稳步推进北斗国际标准化工作

初步完成北斗二号国际民航组织（ICAO）标准与建议措施修订；推进北斗三号ICAO标准与建议措施修订；推进BDSBAS、GBAS ICAO标准与建议措施修订；推进北斗民航工业标准国际化。

2.完善关键系统建设服务

完成全国卫星导航系统性能监测网络建设；做好北斗星基增强系统建设与适航审定工作。

3.加快推进运输航空北斗应用

推进北斗在国产民用客机应用；促进北斗在运输航空器上安装，提供补充监视及航空器追踪监控信息服务；研究制定北斗机载技术标准规范；推动基于BDS+GPS的双模ADS-B及GBAS验证应用；推进基于BDS+GPS的双模统一授时等其他基于北斗技术的应用。

4.全面快速推进通用航空应用

扩大通用航空器北斗终端设备加装范围，进一步研究综合其他技术，对通用航空器定位信息进行整合处理与分发，提供完善的北斗低空空域监视覆盖信息服务；研究编制北斗通航应用机载设备相关适航标准，协调推动简化通航北斗机载加改装程序；推进北斗+国产卫星通信在通航领域低空空域监视应用；与飞机及机载设备制造商推动北斗导航功能在通用航空应用。