北斗在民用航空器领域的应用和发展

文 | 岳富占 孟斌 周中华 彭昊良 张东雪航天恒星科技有限公司

当前全球航空产业格局以美国（波音公司）、欧洲（空客公司）为主导。根据波音发布的《2018-2037全球民用航空市场展望》报告，未来20年，全球新飞机需求量为4.2万架，中国预计新增7690架。我国民航业快速发展，未来我国民航将继续向远程化、大型化，低成本、高安全性、多用途方向发展。因此，在全球航空产业繁荣发展的背景下，安全与效率成为了航空业关注的核心问题。其中，全球卫星导航系统（GNSS）在民航保障体系发挥了重要作用。

北斗系统是我国自主建立、独立运行的卫星导航系统，国家出台相关政策，推动北斗系统应用于民用航空。利用北斗进行导航、追踪监视是提高我国航空业安全与效率的重要途径。

一、GNSS在民用航空器领域的应用现状

1．航空器导航

2016年国际民航组织（ICAO）发布的第5版全球空中航行计划（GANP），明确提出GNSS是现代空中航行系统的重要基础，是基于性能的导航（PBN）、广播式自动相关监视系统（ADS-B）运行的核心技术，是提升全球空中航行安全水平和服务质量的重要手段。

为提高导航性能，各国均在GNSS基本系统基础上，发展星基/陆基导航增强系统[1]。其中，基于GPS的星基/陆基增强系统在全球航空应用最为广泛。美国广域增强系统（WAAS）于1995年建设，2003年第一阶段的WAAS系统已普遍被应用于民航飞行器导航，目前已经在1949个机场发布了3994个LPV-200程序。欧洲地球静止轨道重叠服务系统（EGNOS）于2009年正式运行，先后在31个机场发布了55个LPV-200程序。日本多功能卫星增强系统（MSAS）于2007年正式使用，认证服务等级为非精密进近（NPA，Non-precision approach），应用于98个机场；当前日本积极建设准天顶（QZSS）系统，作为GPS的补充，提供GNSS增强和信息服务。俄罗斯差分校正和监测系统（SDCM）、印度GPS辅助型静止轨道增强导航系统（GAGAN）、韩国卫星增强系统（KASS）都在积极建设中。

2．航空器追踪监视

MH370等民用客机事故的接连发生促使全球民航界重点关注航空器追踪监视。国际民航组织制订“全球航班遇险与安全系统（GADSS）”运行概念，明确要求航空承运人实现“正常情况下4D/15追踪，不正常情况下实现4D/1追踪”能力。

近年来，追踪监视技术从地空通信的飞机通讯寻址与报告系统（ACARS）、二次雷达技术向ADS-B技术发展。ADS-B技术是国际民航组织确定的未来主要监视技术，有效提高了空中交通安全水平、空域容量与运行效率，由于陆基ADS-B技术存在无法覆盖极地和海洋的先天缺陷，以铱星为代表的星基ADS-B技术成为应用热点[2]。

中国民航于2016年6月建立了基于ACARS等现有技术的正常航班全球追踪监控能力。有别于国际情况，在2017年7月，民航局印发《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》[3]，明确指出：中国民航航空器追踪监控体系建设总体目标是建成中国民航航空器追踪监控体系，实现对中国民航航空器全球运行持续监控、安全管理与应急处置。推动以北斗为代表的国产装备在民航的应用，积极推进自主知识产权技术和标准在国际上的应用与引领。

2019年3月，由中国国际航空公司、中国民航大学联合承担的民航局“民用航空器北斗追踪监视项目”正式实施，整体目标为2020年底完成20架飞机北斗追踪监视设备加改装。该示范项目的立项，体现了北斗在航空器中的应用势在必行。

二、我国民用航空器对北斗应用需求迫切

1．导航、追踪监视核心技术严重受制他国

当前，我国97%的运输飞机基于ACARS实现4D/15追踪要求，无自主知识产权，需缴纳大量服务费用。铱星等资源由国外运营商控制。航空PBN网络尚未建成，且主要依托GPS卫星导航系统。

2．航空器飞行对GNSS星基/陆基增强系统建设需求迫切

基于星基增强系统可大大提升GNSS信号可用性，实现广域乃至全球覆盖，形成从起飞-通航-测量-下降-进近无缝隙的飞行服务系统。

3．在监视手段上北斗系统提供新思路

北斗具有短报文通信能力，且不依靠地面站通信；北斗三号实现覆盖全球的定位、导航、授时、短报文通信服务，且自主知识产权可支撑民航自主可控发展。

三、北斗在民用航空器应用的可行性

1．北斗全球卫星导航系统建设完成

北斗三号全球卫星导航系统由24颗MEO卫星（位置报告载荷、搜救载荷）、3颗GEO卫星（BDSBAS载荷、短报文载荷）、3颗IGSO卫星构成，具备星间链路、全球短报文、搜救等特色服务。2020年6月完成了最后一颗地球静止轨道卫星发射，将面向全球提供高性能北斗卫星导航定位服务。北斗星基增强系统作为专项项目，计划2020年完成系统建设，其单频服务满足民航用户APV-I（I类垂直引导进近）要求，双频服务满足民航用户CAT-I类进近（I类精密进近）要求。此外，北斗陆基增强系统也在积极研制、稳步推进中。

2．国家支持，政策引导

国家加强航空安全保障体系、航空安全监控能力、技术装备支撑能力、应急反应处置能力建设。民航局先后发布了《中国民用航空发展第十三个五年规划》和《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》等指导性文件，对民航安全保障体系、机场运营保障系统，尤其是其中的航空器追踪监视、宽带航空通信、应急反应处置以及智慧机场等方面给出了明确的指导意见。

3．发展路线图支撑及适航途径分析

（1）发展路线图及北斗CTSO标准阶段划分

《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》提出，北斗在民用航空器的应用将贯彻“先通用航空后运输航空，从监视到导航”的总体实施方针，制定近、中、远三步走战略，建立起全面的北斗应用体系，为运输、通用航空及无人驾驶航空器飞行提供精确完好、安全可靠的导航服务，为空中交通提供全空域监视服务，全面提升民航安全水平、空域容量、运行效率和服务能力，为新时代民航强国发展提供强大技术支撑。

根据安全等级，北斗的中国技术标准规定（CTSO）标准可分为五个阶段进行推进：北斗追踪、北斗辅助监视、独立辅助导航、集成式辅助导航、主导航（图1）。

图1 北斗CTSO标准阶段划分图

（2）适航途径分析

机载设备的适航途径分为随机适航取证、独立技术标准规定项目批准书（CTSOA）适航取证两条途径：

1）跟随整机TC/STC的随机适航：机载设备作为飞机初次适航（TC）或者改型适航（STC）时，机载设备厂商跟随飞机整机完成适航取证。优点是在尚未发布CTSO标准的前提下，机载设备厂商可以快速推出机载产品并实现装机；缺点是机载设备仅能供应给指定型号的指定飞机厂商。

2）独立CTSOA适航：已经发布CTSO标准，机载设备厂商独立按照该CTSO标准完成产品研制。优点是取得CTSOA适航的机载设备可以加装到任何型号的民航飞机；缺点是研制及适航审定周期较长，需要按照民航质量体系组织产品研制和试验。

四、北斗在民用航空器的应用解决方案

为推动北斗在民航领域应用，民航局组织成立了北斗工作领导小组，并于2019年发布了第一个北斗CTSO标准《仅用作航空器追踪的北斗卫星导航系统（BDS）机载设备》，制定了《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》[4]。其中针对“基于北斗的航空器追踪监视和导航应用”涉及北斗星基增强系统（BDSBAS）、机载多模式接收机（MMR）、北斗机载追踪监视设备，是实现北斗在民用航空器应用的切入点[5]。

1．北斗星基增强系统民用服务平台

我国已开始建设符合国际民航组织国际标准规范的北斗星基增强系统，并基于该系统搭建北斗星基增强系统民用服务平台（图2）。该平台具备为中国及周边区域提供以完好性为核心的生命安全服务的能力。

图2 北斗星基增强系统民用服务平台系统设计图

北斗星基增强系统民用服务平台系统功能包括：处理和生成星基增强数据及产品，通过专用通信网络传输至北斗地面运控系统；由北斗地面运控系统接收比对后上注北斗地球同步轨道卫星、播发至服务区内用户使用；具备向民用航空信息服务系统（将由中国民航局负责建设）提供相关数据和信息的能力。

2．机载多模式接收机

机载多模式接收机是具备GNSS（BD B1，GPS L1，SBAS L1）、卫星着陆系统（GLS）、仪表着陆系统（ILS）功能的机载多模终端，用来实现将星基增强系统（SBAS）、地基增强系统（GBAS）接入机载端（图3）。

图3 机载多模式接收机产品形态

3．北斗机载追踪监视设备

北斗机载追踪监视设备通过ARINC429总线获取飞机航电系统的航班号、姿态信息、燃油量等；同时接收全球导航系统信号计算出自身4D信息，并利用北斗卫星短报文通信功能，完成正常情况下15分钟周期上报和遇险情况下1分钟周期上报，实现飞机位置追踪及预警功能（图 4）[6]。

图4 北斗机载追踪监视设备产品形态

产品性能指标为：GNSS方面，具备BD、GPS定位能力，面向北斗三号，兼容北斗二号；RDSS方面，具备RDSS和全球短报文，面向北斗三号，兼容北斗二号；ARINC429接口方面，获取飞机4D信息、姿态信息、航班等信息；预警功能方面，根据飞机4D信息和姿态信息进行预警判断，达到预警门限时输出预警信息（拓展功能）；符合CTSO（仅用作航空器追踪的北斗卫星导航系统机载设备）标准。

五、总结

以自主可控为目标，构建以北斗为核心的民航GNSS技术应用体系，推动以北斗定位、导航、授时、短报文通信技术为核心的新一代空中航行系统是我国民航发展的必然趋势[7]。针对北斗在民用航空器领域的应用推广，提出以下建议：

1）加强规划引领。按照从监视到导航、运输航空与通用航空统筹开展、以示范带动推广的实施路径持续推动北斗在民航中的应用，制定不同层级的路线图，引导、调动国内工业单位的积极性，利用国产大飞机等自主平台，在航电系统制造与测试、适航审定能力提升等方面实现突破。

2）加强标准研究。在国际民航组织统一框架下推动北斗国际民航组织标准化工作，推动北斗星基增强系统纳入国际民航组织标准；同时研究北斗民航应用的政策法规标准，建立覆盖应用验证、测试评估、适航审定、地面设备、运行程序等一系列标准体系，拒绝“拿来主义”，提升国际标准话语权。

3）加强卫星创新应用。在完成北斗三号及北斗星基增强系统的基础之上，充分利用我国卫星星座资源，探索低轨卫星追踪监视、导航增强等应用，早日实现民航强国目标。