民用航空中的机载导航应用发展综述

文|成剑 陶志平 周中华 李齐政 李泽明 宋宏伟 彭昊良

1.中国国际航空股份有限公司 2.航天恒星科技有限公司

一、引言

导航技术是国际民航组织空中航行系统的重要组成部分，是卫星、机载及地面各种定位与导航技术的结合，为航空器提供飞行引导信息，使其能够安全、正常飞行，是现代民用航空安全高效运行的基础。

从全球范围来看，全球导航卫星系统（GNSS）已经作为未来导航技术的发展重点，成为飞机在航路、进近和着陆过程中的重要手段，并已经在各国的航空中广泛应用。GNSS在民航的应用，可提供更加精确可靠、安全高效的导航手段，能有效提高空中交通安全水平、空域容量与运行效率[1]。

目前，我国自主设计、建设和运行的北斗卫星导航系统，将在2020年左右完成系统的建设，具备提供全球、全天候、高精度的定位和授时服务的能力。将北斗作为我国民用航空的主用导航系统，可使我国民航摆脱对国外GNSS星座的依赖，在保障飞行安全和提高运行效率方面发挥重要作用。此外，民用航空是最高端用户，推进北斗系统在民航领域应用，是服务国家战略与国家安全大局的重要需要，是推进国家空管体制改革大局的需要，是进一步提升民航安全水平的需要，也是提升中国民航国际竞争力与话语权的需要。

未来，我国将逐步过渡到以GNSS为主用导航源，陆基导航设施为备份导航源的导航系统构架，并积极开展以北斗卫星导航系统为核心，兼容GPS等的我国民航卫星导航体系的建设，推进北斗卫星导航系统的全球应用。

二、国内民航导航系统的发展现状

中国民航高度重视导航技术发展与应用，一方面不断加强传统导航基础设施布局与完善，以适应快速增长的空中航行服务需求；另一方面不断加大对导航新技术的研究与应用投入，大力推广基于性能的导航（PBN）应用，全力推进北斗卫星导航系统的全球应用。PBN技术是我国民航无线电导航系统发展的核心技术，对民航的机载设备、飞机运行、导航布局、机场建设等方面的发展将产生重要影响，有利于提高民航的飞行安全、增加空中容量和流量、减少机场地面设施建设的投资、减少航班延误等现象，并且PBN技术还能够实现节能减排，在环境保护方面发挥积极作用[2]。

1.陆基导航

在我国，目前仪表着陆系统（ILS）仍将是国内航空的标准着陆系统，并且据专家估计在新一代高性能、低成本飞机着陆系统正式装备之前，这一现状很难改变。以下是飞机在飞行过程中的几个阶段：

1）航路导航：国际航路及国内主要航路基本实现8400m以上航路甚高频全向信标(VOR)信号覆盖，为传统空中交通服务（ATS）提供了较好支持，但在中西部地形复杂地区，导航信号的覆盖仍然存在盲区。

2）终端区导航：在全国各机场终端区范围内建立了基于多普勒甚高频全向信标（DVOR）/测距设备（DME）和无向信标（NDB）的标准仪表进/离场程序，部分流量大的机场实现了进/离场分流，导航保障网络能够较好地支持终端区飞行流量的不断增长。但受导航设备布局、空域划设、飞行程序设计等因素影响，终端区导航设备网络缺乏备份能力，大部分机场进/离场程序仅由单一导航设备保障，缺乏基于不同导航设备的备份手段。

3）进近和着陆导航：全国大部分机场均装备了VOR/DME、仪表着陆系统（ILS）或NDB设备，能够提供基于ILS/DME、VOR/DME、NDB/DME的不同等级和运行标准的进近服务。全国枢纽和干线机场均为双向仪表着陆系统配置，支线机场均为单向仪表着陆系统配置。极少数大型综合性枢纽机场能够保障复杂气象条件下的Ⅱ类或Ⅲ类精密进近[3]。但各机场缺乏基于不同导航设备的飞行程序备份能力，保障能力单一，少部分支线机场没有安装仪表着陆系统。

4）基于性能的导航：东部部分繁忙地区和机场具备DME/DME区域导航能力，能够支持区域导航（RNAV）的RNAV-1或RNAV-2标准航路和终端区进/离场。但全国范围基于DME/DME的区域导航保障网络尚未建成，DME布局不合理，总体数量不足，仍存在部分盲区，西部地区难以实现DME/DME区域导航。

综上所述，目前国内还是以陆基导航系统为主，但存在监测盲区以及容易受到环境的影响，无法实现全天时、全天候监测以及进近着陆。

2.ADS-B

国际民航组织（ICAO）将广播式自动相关监视（ADS-B）确定为未来监视技术发展的主要方向。ADS-B也是中国民航局重点推进的新技术，中国民用航空局于2017年12月26日下发明传电报《关于ADS-B机载设备加改装相关工作要求的通知》（局发明电【2017】3685号），为大型飞机公共运输合格证持有人如何加改装ADS-B机载设备提出了明确的要求。通知要求，在2019年7月1日前，安装满足航空无线电技术委员会（RTCA）1090MHZ自动相关监视广播的最低运行性能标准(DO-260)或后续版本并经相关适航批准的S模式应答机；安装具备“选择可用性激活”（SA ON）或“选择可用性识别”(SA AWARE)功能，或安装通过星基增强系统（SBAS）增强GNSS信号并经相关适航批准的卫星定位信号接收设备。在2022年12月31日前，安装满足RTCA DO-260B标准并经相关适航批准的S模式应答机；安装具备SA AWARE功能，或安装通过SBAS增强GNSS信号并经过相关适航批准的卫星定位信号或接收设备[4]。

2017年4月28日，多架吉祥航空A321客机在飞行中利用ADS-B OUT（发送）广播各自信息，并通过ADS-B IN（接收）直接接收，借助ADS-B IN对飞机目视进近的增强功能，最终顺利完成目视间隔和目视进近顺利着陆；从首机起飞到尾机落地，全程耗时25分钟。在目视进近过程中，参与演示飞行的飞机间隔缩短到2.5海里，展示了ADS-B IN技术在确保安全的基础上对于机场容量及航班进近效率的良好提升效用。

中国国际货运航空公司（简称国货航）于2019年2月1日至2月17日完成了首架波音757飞机满足DO-260B标准的ADS-B OUT系统改装工作。国货航的改装方案由第三方独家设计单位成都富凯提供，由北京飞机工程服务有限公司成都分公司执行加装施工工作。

目前，我国民航已经开始逐步应用ADS-B OUT技术，以进一步推动航空安全工作、提升管制效率和水平。预计到2019年底，ADS-B OUT有望在我国民航全面应用。但由于ADS-B存在盲区等问题，未来星基ADS-B将成为民航追踪监视发展的趋势。

3.卫星导航

近年来，我国一直致力于利用飞机自身机载导航设备和卫星导航系统引导飞机起降这一方面的研究。这一技术又称作需要特殊授权的所需导航性能进近程序（RNP AR）进近技术，目前在国内取得了很好的成果。不过由于GPS的所有权和控制方式，使得在航空导航方面难以接受GPS着陆系统，针对这种现状，研究基于多系统兼容导航的区域增强系统，可全面提高机载设备的导航性能，解决未来机载着陆设备的选用难题。

GNSS作为未来民用航空运行的主要导航源，已经进入了快速发展和应用阶段。当前，我国不断加强对北斗导航系统及其在民航导航中的应用研究，并积极向国际靠拢。目前，北斗星基增强系统正在按照国际民航标准开展建设，未来可为全球民航用户提供高精度、高完好性[5]的导航服务。但是，目前北斗在民航领域的应用与国外GNSS相比还存在很大差距，应用推广之路还任重道远。

三、北斗在民航领域应用差距分析

在国外卫星导航系统作为民用航空定位、导航以及进近着陆的重要手段，促进了卫星导航技术在民航领域的发展，但由于受政策影响，目前在国内还处于试验验证阶段。随着北斗卫星导航技术的发展，将北斗与民航深入融合尤为迫切，也是未来民航发展的必由之路。下面从基础设施建设、产品研制、标准制定、适航取证四个方面探讨北斗与国外GNSS在民航领域应用的差距。

1.基础设施建设

（1）SBAS系统在民航领域的应用

全球已经建立起了多个SBAS系统，如美国的广域增强系统（WAAS）、欧洲的对地静止导航覆盖服务（EGNOS）、日本的多功能卫星增强系统（MSAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）、加拿大的广域增强系统（CWAAS）以及印度的GPS辅助地理增强导航 (GAGAN) 系统[6]，各SBAS系统全球分布，如图1。

图1 全球SBAS覆盖范围示意图

2015年3月，欧洲具备EGNOS能力的飞机场已经超过了130个，以法国（62个）和德国（11个）为主。其中，102个机场颁布了LPV的飞行程序，33个机场达颁布了*APV II的飞行程序。ESSP（欧洲卫星服务提供者）已在考虑结合EGNOS系统和PBN技术，为区域导航以及缺乏地基增强系统的边远地区导航提供助力。另外，以EGNOS系统为核心设立了多个项目：支撑APVII进近程序的SHERPA计划；为“公开服务”和“商业服务”阶段提供运营和维护的GSC OPS&HSP计划；处理“全球导航卫星系统服务中心基础设施”设置的GSC INF计划等等。

2018年10月，西班牙空中导航服务商ENAIRE在帕尔马机场记录了117架带卫星导航的飞机着陆。ENAIRE的2020年飞行计划的目标之一是，通过实施基于卫星导航的新程序，以及实现机场不同跑道的无障碍性来提高运营效率，进一步提高安全性。在帕尔马机场实施的项目包括两种类型的内容。一方面，跑道06L配有基于EGNOS（欧洲地球同步卫星导航增强服务系统）的进近着陆。并且，另一方面，在并行跑道24R和24L的进近过程中，可以选择是否根据EGNOS系统所要求的使用。

我国也正在论证和筹备北斗SBAS的建设。2017年10月20日，在加拿大蒙特利尔召开的国际民航组织导航系统专家组第四次全会上，北斗星基增强系统（BDSBAS）服务商标识号和系统标准时间标识号获得大会一致通过，这标志着北斗国际民航标准化工作取得了又一重大突破。除此之外，北斗星基增强系统建设所必须的3个伪随机码（PRN码）在中国卫星导航系统管理办公室（以下简称“北斗办”）和民航局的共同努力下，历经多次中美双边谈判，本次会议上也正式获得指配，为北斗星基增强系统向全球民航提供标准导航服务奠定了坚实基础。

目前，我国现正开展双频多星座（DFMC）SBAS的设计；2018年已成功发射具备SBAS能力的GEO卫星；2020年将在亚太地区提供初始的DFMCSBAS服务；2025年左右将提供正式的SBAS服务。由于国内北斗星基增强系统仍处于规划建设中，距离在民航的应用还有一段距离。

（2）地基增强系统（GBAS）系统在民航领域的应用

2014年4月29日，美国已有14个机场安装了霍尼韦尔的SLS-4000型GBAS设备。其中，纽瓦克国际机场和休斯顿乔治布什洲际机场的GBAS设备先后获得FAA的运行许可。美国联合航空的波音737和787飞机正在使用上述机场的GBAS系统。

2019年2月16日，霍尼韦尔航空航天集团SmartPath被澳大利亚航空服务公司选用，成为澳大利亚首个采用的陆基增强系统（GBAS），该系统将帮助悉尼机场提升运营效率，并降低空中交通噪音。霍尼韦尔SmartPath是全球唯一一个获得认证的陆基增强系统，分别获得美国联邦航空局（FAA）和德国BAF认证，并将取代传统的仪表着陆系统（ILS）技术。

我国也在积极应用和发展GBAS系统，但是仍处于演示验证阶段。美国霍尼韦尔公司的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。

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。通过将“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专用的序幕，其包含了“四个国产化”的结合，即结合了国产卫星导航系统、国产民航卫星导航地基增强系统、国产机载导航系统和国产民用大型客机。

2019年4月，中国民航顺利完成美国霍尼韦尔公司和中国电子科技集团公司两个型号GBAS地面设备合格审定及测试工作，标志着卫星导航地基增强系统（GBAS）这项新技术在中国民航的许可认证工作取得阶段性成果。

目前，国内的GBAS系统验证主要基于GPS，由于北斗GBAS民航标准尚未制定，北斗GBAS在民航的应用还处于实验室阶段。

2.产品研制

（1）系统方面

从全球范围来看，目前GNSS已经在各国的航空中广泛运用，关于终端区飞机进近着陆，欧美等航空运输大国已经从陆基导航设施下的仪表非精密进近程序(如VOR进近，NDB进近等)过渡到GNSS I类非精密进近，并取得了良好的安全、经济效益，现正向GNSS II类及更高标准的精密进近程序发展。

在我国，目前仪表着陆系统（ILS）仍将是国内航空的标准着陆系统，并且据专家估计在新一代高性能、低成本飞机着陆系统正式装备之前，这一现状很难改变。而我国的机场通信系统与精密进近着陆系统与发达国家相比还有较大的差距，经常因为天气等原因影响飞机的正常飞行。

由于我国航空工业比较落后，大部分民航飞机和机载设备均为进口。随着北斗区域系统的民航应用和全球系统的建设，如何将北斗技术应用于机载，实现“北斗上飞机”，急需国际民航组织和国际工业届权威标准的支持。因此，对于北斗在我国民航应用与推广，标准研究和编制是亟需解决的核心问题。

（2）终端方面

国际民航市场现有服役机型以B787、B737、A380、A320为主，通过对各机型导航设备和设备供应商的统计情况分析可以发现，目前4大典型机型的导航系统或设备供应商全部为国外设备制造商。其中，以霍尼韦尔和柯林斯为主要提供厂商，所采用的导航系统主要基于GPS。在国内，以中国商飞国产飞机导航系统为例，ARJ21支线飞机全套通信导航监视系统配备的是罗克韦尔柯林斯公司的集成系统，C919配备的是国外厂商研制的多模式导航接收机，均支持GPS导航信号。

航空设备生产制造需要质量体系，为了保证航空生产企业产品质量，国际上有航空质量体系AS9100，它是在ISO9001基础上，针对航空生产提出的更专业的要求。航空设备生产企业通过AS9100质量认证目前获得较多关注，生产的设备通过机载设备环境条件与测试规程（DO-160），其上面运行的软件也需要评估通过机载软件适航标准（DO-178）要求，以确保设备符合适航审定基础要求。因此，民用航空领域北斗接收机产品较少。

3.标准制定

在国际民用航空领域，世界已公认美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）、欧洲伽利略系统（Galileo）和中国的北斗系统（BDS）为全球四大卫星导航系统。联合国已将这四大导航系统一起确认为全球卫星导航系统核心供货商。但是各国的标准化进程却存在很大差异。欧盟早在2002年前就在国际民航组织启动了伽利略标准的国际化工作。依据标准的制定机构和法律效应，现有GNSS民航标准体系可分为国际民用航空组织（ICAO）标准、工业界标准和民航管理部门标准。在上述GNSS民航标准体系中，具备国际规范和参考作用的标准主要由ICAO、RTCA、欧洲民用航空设备组织（EUROCAE）、航空电子工程委员会（AEEC）等组织制定，构成GNSS国际民航标准体系[7]，如图2。

图2 全球SBAS覆盖范围示意图

北斗标准国际化工作开始较晚。2010年10月，北斗系统开始启动纳入国际民航组织全球卫星导航系统。2011年国际民航组织理事会讨论提议行动计划，已经明确制定标准和建议措施（SARPs）[8]，支持中国的北斗导航系统实施进入全球框架，北斗开始了国际标准化之路。中国民航已经通过国际民航组织导航系统专家组（NSP）以信息文件（IP）的形式进行了探索，并根据民航PBN路线图的发布，提出了北斗应用标准化问题。在2011年至2018年，我们先后参加了16次ICAO导航系统专家组会议，在ICAO的统一框架下不断推进北斗SARPs的更新。

然而目前，我国在GNSS国际民航标准体系研究方面仍以学习和跟踪研究为主。主要是通过参与国际标准化组织的活动，了解和掌握GNSS国际民航标准的关键技术，学习GNSS国际民航标准制定流程，我国尚未形成系统、有效的国际民航标准化能力。

4.适航取证

我国适航管理通过借鉴和引入美国适航标准及管理经验，建立了集中型的适航管理体系，并经历了多个型号的实践，其管理模式已经基本与国际接轨[9]。但其管理水平与国际先进适航管理水平之间还有一定差距，普遍存在研制人员、适航人员对适航管理理解不到位及执行适航标准的自觉性不够的问题。

（1）突破标准制定的瓶颈

适航标准是长期经验的积累，是吸取了飞行事故的教训，经过反复的验证和论证并公开征求公众意见制定的，美国联邦航空管理局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）两家适航当局的优势在于其具有世界上最先进、最完善的适航标准，并具有高度的国际化。因此，要想在国际上拥有更多的话语权，就必须注重标准的国际化，积极开展与国外先进适航当局的交流与合作，了解和掌握国际上适航法规及标准的最新动态，突破标准制定的瓶颈。

（2）适航符合性验证水平亟待提高

与美欧等国相比，中国的民机研制起步晚、基础薄，适航验证水平也处于发展阶段，与世界先进水平仍存在较大差距，尚未形成相对科学、完整的验证方法和验证程序，且经验和积累极度欠缺。因此，必须结合中国民机研制与适航工作的实际，深入研究适航符合性验证方法，尤其针对适航规章和适航标准的研究，找到一套与中国民机产业相配套的符合性验证方法，逐步建立起完整的民机适航符合性验证程序。

（3）以设计保证系统的建立带动适航管理体系的发展

中国适航当局在最新的适航规章中已经明确了对设计保证系统和设计保证手册的审查要求。国内设计保证系统的建立和发展取得了长足的进步，然而在独立监督职能、供应商设计保证系统管控以及申请、审查双方的接口界面等方面仍不够清晰和完善的问题，缺少相应的监督措施，无法向负责落实纠正措施的机构及时反馈，对供应商设计保证系统尚未建立起成熟的管理和监控机制。另外，由于设计保证系统的审查在国内也是一项全新的审查模式，因此申请和审查双方的审查工作接口仍不够完善，双方对此也在积极地尝试，以期能探索出高效并符合中国实际的审查方式。

四、结语

随着北斗系统的发展，尤其是北斗三号系统服务的完善，我国民航领域对北斗的应用更加广泛。未来，通过完善陆基、星基、地基导航等设施布局，基于北斗卫星导航系统，融合陆基、星地基、5G、低轨增强[10]等技术，不断提高民航服务性能，拓展服务范围及应用场景，满足民用航空器追踪、飞行预警、进近着陆等需求，并逐步推向国际市场，推动北斗国际化。