卫星通信导航监视技术及其民航应用

文｜韩萍 卢晓光 刘海涛 陈万通 李冬霞

中国民航大学电子信息与自动化学院

一、前言

21 世纪以来，航天科技高速发展，商业星座大规模建设驱动卫星发射数量快速增长，卫星产业的发展迈入快车道，服务领域从国防跨越到其他各行各业。目前，卫星通信导航监视等技术已在民航运输中发挥了重要作用，成为了现有陆基空管系统的有益补充，有效提升了航空安全水平、活动范围和运行效率。

通信、导航和监视等设施是空管系统的重要组成部分，为飞行员、管制员、签派员等提供空中导航（Air Navigation）服务，实时监控飞行状态，确保“叫得到、看得见、避得开”。传统的通信导航监视系统部署在地面，受地形遮挡以及不适合部署地面站等因素限制，覆盖范围有限，并依此形成固定的航路航线。航班只能沿航路航线运行，在限定区域运行，否则无法确保航空安全。

卫星是航天应用的主要载体，按照用途可以分为通信、导航、遥感、科学与技术试验四类。相对陆基平台，卫星平台离地面高，视野开阔，覆盖范围广。铱星、海事卫星通信系统、全球定位系统（GPS）等已经通过国际民航组织（ICAO）的认可，为航班提供通信导航服务。极轨星座铱星二代搭载通信和监视载荷，可覆盖全球任何区域，提供通信和监视服务。中国自主建设的北斗卫星导航系统能够覆盖全球，提供定位、导航和授时服务。但是，由于民航对航空安全极高的要求，以及卫星本身存在的一些脆弱性问题，卫星通信导航监视系统仅仅是陆基系统的重要补充。随着卫星技术的发展及其在民航的运行时间积累，其本身存在的问题将会逐步解决，卫星通信导航监视系统必将是未来空管系统的主要组成部分。ICAO 制定了全球空中航行计划（GANP），发布并持续更新航空系统组块升级计划（ASBU）[1]，规划了卫星通信、卫星导航、星基监视等技术的路线图，在2025—2030 年取得广泛应用[1]。2019 年中国民用航空局发布《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》[2]指出：“实现以北斗为核心的多模GNSS 作为PBN、广播式自动相关监视ADS-B 运行的主要导航源，推动兼容北斗的地基增强系统GBAS 在运输机场部署，提升机场精密进近效率及低能见度运行保障能力”。

卫星技术的应用必将是民航空管系统的未来趋势，全面推进卫星的大规模部署和在民航的应用势在必行。下面分别从卫星通信、卫星导航、星基监视等方面进行剖析，总结技术发展与应用现状，并对其未来发展进行展望，为行业发展建言献策。

二、卫星通信技术及其民航应用

航空通信是航空部门之间利用电信设备进行联系，以传递空中交通管制指令、飞行动态和航空运输业务信息等的飞行保障业务，可分为航空固定通信和航空移动通信。其中，航空移动通信包括甚高频、高频和卫星通信，为空地之间的通信链路[3]。卫星通信与甚高频和高频通信相比，具有覆盖范围广、可靠性高、通信质量好等多方面的优势，被认为是未来民航空地通信的重要技术手段。

1. 卫星通信技术及其发展现状

卫星通信是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电终端间利用卫星作为中继而进行的通信，可承载话音和数据通信业务。卫星通信的特点是通信距离远和范围大，只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信。

卫星通信按照终端可分为固定卫星通信和移动卫星通信，按照运行轨道可分为静止地球轨道GEO和中低轨MEO、LEO，按照工作的频段主要有C、L、Ku、Ka 频段等，按照带宽可分为窄带和宽带。下面主要结合航空卫星通信业务简要概括几个常见卫星通信系统。

铱星（Iridum）卫星通信系统，使用L 频段，2001 年开始服务，2019 年完成铱星二代星座部署。铱星由66 个低轨道卫星组成星座，可覆盖包括极地的全球区域，采用星间链路。目前可提供352kbit/s 的Iridium Certus 350 服务、702kbit/s Iridium Certus 700服务等，可用于民航地空话音和数据双向通信。

海事（Inmarsat）卫星通信系统，使用C 频段（语音）、L 频段（数据）、Ka 频段（宽带数据），1990 年开始提供航空通信服务，2020 年完成海事五代部署。海事卫星由位于GEO 的三个卫星组成，可覆盖全球南、北纬78°之间的区域。目前可提供10.5kbit/s Classic Aero 业务、432kbit/s的SwiftBroadBand（SBB）和上行150Mbit/s、下行5Mbit/s Global Xpress 服务，可用于民航地空话音和数据双向通信、宽带上网等。

民航C 频段卫星通信网，1995 年开始建设，使用鑫诺1 号通信卫星，采用甚小口径终端VSAT，主要包括电话地球站TES 和个人地球站PES 两个网络系统。目前，C 波段卫星通信网地球站161 座，带宽共36MHz，覆盖全国所有民航机场和部分导航台，主要承担管制移交电话、帧中继、自动转报、雷达信息联网等地面航空电信业务。

Ku 频段卫星通信网，2005 年开始建设，使用亚洲4 号卫星，采用VSAT Plus II 系统，与C 频段卫星网互补。目前，Ku 频段卫星通信网地球站220座，主要承担话音通信、雷达信息引接、甚高频遥控等地面航空电信业务。

近年来，随着宽带卫星通信业务的商业化运行，用于后舱的空中互联网业务逐渐发展起来[4]。这些卫星通信系统工作在Ku、Ka 频段，带宽大，主要有：美国Viasat、加拿大Telesat、英国海事Inmarsat 五代、法国Eutelsat、中国中星16 号。

作为未来的发展趋势，部分学者还提出了综合化空地卫星6G 网络ISTN 概念[5-7]，由卫星网络、机载网络（飞机、无人机UAV 和高空平台HAPS）和地面网络组成，以提供更可靠、更高速、成本更低的无线通信网络。

此外，中国建设的北斗全球卫星导航系统（BDS）具备短报文RDSS 双向通信、搜救功能，是世界上唯一实现了通导遥一体化的卫星导航系统[8]。北斗三号的单次短报文最大长度为14000比特（1000个汉字），可覆盖除极地外的全球区域[9]。北斗三号系统的6 颗MEO 卫星上，还装有搜救载荷，可以与其他全球卫星搜救系统一起，为全球用户提供搜救服务。

2. 卫星通信民航应用

卫星通信在航空通信应用中主要划分为驾驶舱（前舱）和客舱（后舱）。前舱通信需要高度完整性和快速响应的安全和正常通信。后舱通信是为航空承运人的通信服务，以及航空旅客公众通信服务。

为解决偏远地区、海洋地区及低密度空域空地通信设施匮乏的问题，20 世纪60 年代起，民用航空界开始探索卫星通信技术在民航的应用。1988 年，ICAO 成立了航空移动卫星业务专家组，编制卫星通信在航空领域应用标准和建议措施。2005 年，ICAO对国际民航公约附件十进行修订，引入了卫星航空移动（航路）业务的一般标准和建议措施。2010 年，ICAO 发布了卫星移动（航路）业务手册[10]，明确了海事卫星和铱星用于空中交通管制通信。

现阶段，民航空地卫星通信网络主要依 赖Inmarsat 和Iridum 系 统， 其 中 海 事 卫 星SwiftBroadband（SBB）网络在民用航空领域应用最为广泛。如图1 所示，为SBB 网络在数字空中交通管制中的应用示意图。SBB 在民用航空典型应用包括：前舱通信服务，包括话音通信、飞机通信与寻址系统（ACARS）空地双向报文传输；电子飞行包；后舱通信服务，旅客因特网访问，包括Email、网页浏览和娱乐等；航空器位置跟踪。

图1 SBB 在民航通信中的应用

目前，全球共有70 多家航空公司提供了机载网络接入服务，全球民航客机机上联网比例达40%，北美地区83%的飞机已实现机上联网，其他地区机上联网比例也超过28%。中国民航客机机载网络接入业务起步较晚，目前尚未实现商业化运营。2013 年7 月，国内航司借助海事卫星通信系统首次实现机上互联网接入。2014 年7 月，中国电信首次提供了基于Ku 频段卫星的航空互联网服务。2020年7 月，基于我国首颗Ka 高通量卫星中星16 号的第一架高速卫星宽带互联网飞机成功首飞。2022 年，民航局发布《关于开展前后舱系统应用（国产航行新技术）试点的通知》，计划于2023 年12 月底，完成20 架飞机的改装运行，场景包括ACARS 数据多链路下传、快速存取记录器（QAR）数据实时下传、4 分钟语音通信等。

三、卫星导航技术及其民航应用

导航系统为飞机提供当前位置信息，指引飞机从起飞地按照航路到达目的地，目前可为飞机提供导航的设备分为陆基和星基导航系统[11]。其中陆基系统依赖于地面设备，主要包括多普勒全向信标、测距机、仪表着陆系统等，飞机需按照地面导航设备组成的航路飞行，活动区域大大受限。

1. 卫星导航技术及其发展现状

卫星导航技术是利用人造地球卫星进行导航、定位和授时的技术，其所依赖的卫星导航系统是一种星基无线电导航定位和时间传递系统，由多个导航卫星、地面站和卫星导航定位设备组成。卫星导航技术不依赖于地面设施，覆盖范围广，精度高。

卫星导航系统（GNSS）分为全球卫星导航系统、区域卫星导航系统和各种卫星导航增强系统三大类，其中卫星导航增强系统又可分为星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）两类。SBAS 和GBAS 作为独立的卫星导航增强系统，可以支持其覆盖范围内的进近、着陆、离场和地面滑行的所有阶段，满足民用航空的安全和可用性要求。GBAS是当前在精密进近的主要研究方向之一，中国电子科技集团公司研制了基于美国GPS 的GBAS 系统样机，并于2014 年在天津滨海国际机场安装[12]。

2018 年，中国自主研发建设的北斗全球卫星导航系统北斗三号开始向全球提供服务[13]，其中星基增强BDSBAS 和星基精密单点定位B2b-PPP 服务，可实现米级、分米级和厘米级精度的定位，甚至通过地基差分定位获得毫米级精度的定位。2020年11 月，ICAO 导航系统专家组第六次全体会议上，北斗三号系统189 项性能指标技术验证全部通过，为全球民航提供服务的能力得到国际认可。

当前，世界其他国家也正着手开展新一代系统建设。美国2023 年计划发射NTS-3 卫星，开展导航新技术的在轨试验；俄罗斯计划2030 年建成以GLONASS-KM 为主体的卫星星座；欧盟计划2025—2035 年完成第2 代Galileo 系统部署；中国也正在积极论证下一代北斗系统，计划2035 年前构建以北斗系统为核心、全面融合低轨卫星增强与地基无线电，实现更加泛在、更具弹性、更加智能的国家综合定位导航授时PNT 体系。

2. 卫星导航民航应用

卫星导航系统在民航存在广泛的应用场景，可覆盖全部飞行阶段，包括导航、监视、授时、应急救援和飞行校验。

为了实现前言所述空管系统的现代化发展规划，ICAO 和中国民航局近年来积极推进以所需导航性能RNP 为主的基于性能的导航PBN，以增强未来空管基于航迹TBO/4DT 的运行与管理能力。RNP 技术是利用飞机自身搭载的导航设备和全球卫星导航系统来对飞机飞行过程进行合理的引导，使飞机在飞行过程中可以按照既定飞行路线精准飞行。RNP 规定了各航路或空域内航空器必须具备的导航精度，以匹配相应空域能力，使空域得到有效利用。RNP 的应用摆脱了对地基导航设施的依赖。

PBN 的内涵是指在相应的导航基础设施条件下，航空器在指定的空域内或者沿航路、仪表飞行程序飞行时，对系统完好性、连续性、精度和可用性以及功能等方面提出的要求。PBN 的引入体现了航行方式从基于传感器导航到基于性能导航的转变。当前民用飞机实施RNP 运行时，卫星导航系统是最重要的导航传感器，ICAO 对各空域阶段的精度、完好性、连续性及可用性给出了实施标准，如表1 所示。

表1 民用航空对GNSS 的导航性能要求

卫星着陆系统（GLS）是一种基于GBAS 导航性能增强的卫星着陆系统，包括实现精密进近和着陆的GBAS 系统，以及与之相关的航空器功能[14]，已被国际民航组织、美国联邦航空局和欧洲航空安全局作为未来精密进近和着陆导航的主要发展方向。PBN 技术可实施仪表离场、进场、类精密进近APV，但无法实施精密进近。使用GLS 技术后，可进一步弥补PBN 在精密进近及低能见度运行方面的不足，具有广阔的应用前景。

尽管GNSS导航精度可以通过增强系统（ABAS、SBAS、GBAS）和差分系统进一步提高到接近技术极限的程度，但GNSS 的一些不足使很多用户对GNSS 所提供服务的信任程度大大降低，GNSS 完好性问题关系着万千旅客的生命安全。因此，GNSS完好性一直是民航领域的研究热点，越来越多的机构和学者关注并致力于GNSS 完好性研究，图2示意的是GNSS 完好性增强体系。当前GNSS 民航应用的主要任务是，在GNSS 自身能力不足够的应用场景下寻求多源组合导航处理，着眼于GNSS 服务性能的全面提升，彻底解决完好性问题，实现GNSS 作为主用导航的角色嬗变。

图2 卫星导航完好性增强体系

四、星基监视技术及其民航应用

监视为空管运行单位及其他相关单位和部门提供目标（包括空中航空器及机场场面目标）的实时动态信息[15]。目前应用于空中交通管理的监视技术主要有一次监视雷达（PSR）、场面监视雷达（SMR）、二次监视雷达（SSR）、自动相关监视（ADS）、多点定位（MLAT）等。这些技术依赖于地面设备进行监视，覆盖范围受限，尤其是在低空、洋区、偏远地区等无法有效提供服务。

1. 卫星监视技术及其发展现状

与PSR、SSR 不同，自动相关监视ADS 是飞机将自身的位置等信息通过通信手段发送给用户，其中使用最广泛的是广播式自动相关监视（ADS-B）。ADS-B 是航空器、机场活动区车辆和其他物体通过数据链以广播模式自动发出或者接收诸如标识、位置和其他应用数据的一种监视技术。目前美国、欧洲、澳大利亚、中国等已经开始了ADS-B 的全面实施。目前的PSR、SSR、ADS-B 等监视设备部署在地面，据估计覆盖的范围不到地球面积的10%[16]。

星基ADS-B（Spaced-ADS-B，Satellite ADS-B）是将ADS-B 接收机作为卫星载荷，以卫星星座方式实现对飞机ADS-B 信号全球覆盖接收的技术方案，如图3 所示。星基ADS-B 技术理论上可以实现对地球上100%区域的监视覆盖。

图3 星基ADS-B 概念示意图

2014 年11 月，ICAO 得到多方建议，在低轨卫星上安装ADS-B 接收机，通过覆盖全球的卫星通信系统将航班4D 位置信息转发到地面追踪系统，并提议ITU 和ICAO 在1090MHz 频段为星基ADS-B 系统新增卫星航空移动（航路）业务频率划分。2015 年，ITU WRC-15 决定以卫星航空移动（航路）业务进行频率划分，将1087.7—1092.3MHz 用于卫星空间电台接收从航空器发射机发出的ADS-B信号。

2011 年以来，欧洲、美国、亚洲等均开展了对星基ADS-B 技术研究和试验工作。较为成熟的有基于“铱星二代”Aireon 和“全球星二代”ALAS。其中，Aireon 是世界上唯一投入商业运营的星基ADS-B[17]。2019 年3 月，Aireon 星 基ADS-B 系 统完成部署。据其网站公布，目前已经与非洲航空安全局、Eurocontrol、美国联邦航空局、爱尔兰空管、冰岛空管、挪威航空管理局、加拿大空管、印度机场管理局、巴布亚新几内亚、阿塞拜疆、波音、睿思誉Cirium 等签署了合作协议，提供空管监视、航空器位置追踪、测试评估验证等数据服务。

国内星基ADS-B 的研究和试验工作一直在持续开展，2015 年至今国内相继发射了8 颗星基ADS-B 试验卫星。其中，国防科技大学首先在天拓三号和天拓五号上搭载ADS-B 接收机进行在轨测试；军事科学院军科1 号低轨卫星，搭载ADS-B接收机开展搜索救援应用试验；上海科技大学STU-2 ADS-B 立方星，进行星间和星地数据处理技术测试；北京和德宇航有限公司“天行者卫星”开展ADS-B 数据采集试验；北京航空航天大学空事卫星一号，搭载相控阵天线体制的ADS-B 接收机，开展高灵敏度、数字多波束合成等技术测试验证。基于北斗RDSS 的航空器追踪系统如图4 所示。

图4 基于北斗RDSS 的航空器追踪系统

除ICAO 定义的应用于空中交通管理的监视技术外，近年来还涌现了其他一些监视技术，包括卫星定位+北斗短报文（GNSS+RDSS）、卫星定位+移动通信网络（GNSS+4G/5G）和遥控无人驾驶航空器通信链路位置信息自动广播监视。中国民航于2018 年开始，在国际航空公司的20 架飞机上加改装了基于RDSS 的全球航班追踪系统，地面数据中心部署在中国民航大学，给国航和民航局运行监控中心提供数据服务[18]。

2. 星基监视民航应用

以投入商业运营的Aireon 星基ADS-B 系统为例，可提供服务包括[17]：Global ATS Surveillance，提供全球空中交通监视服务；Aireon STREAM，提供高保真度空中交通服务监视数据流业务；Aireon INSIGHTS，提供关于航班运行事件与航班告警的数据流服务；Aireon FLOW，面向空中航行服务提供商ANSP 提供的数据服务；GLOBAL BEACON，是Aireon 与FlightAware 共同提供的为航空运营人监控其飞机飞行状态的完整解决方案；Aireon ALERT，是航空业界第一个也是唯一一个免费的航空器全球紧急定位服务。

五、结束语

商业航空航天技术的蓬勃发展将带动卫星系统在各行各业的深入应用，但卫星技术在民航领域的应用方兴未艾。民航高安全、高可靠应用性能要求亦是对卫星技术民航应用走向成熟的关键难题，需要卫星和民航产业链上的各方携手，共同突破，加快民航数字化建设。

卫星通信方面，目前的卫星通信带宽有限，离空地信息“高速路”的目标仍然较远；数据安全是另外需要考虑的一个关键问题，需开展持续的研究、技术验证和制定相关的管理机制，确保数据安全，防范相应的风险；卫星通信频率的问题，Ka/Ku 频率不是民航专用频率，需在验证时重点关注和解决信息的连续传输和整体完好性问题。

卫星导航方面，目前民用飞机搭载卫星接收机主要以GPS 单星座为主。单星座导航系统有可能因为故障问题或者人为限制精度而无法提供满足需求的位置服务，同时由于星座构造及配套地基增强系统布局问题，卫星增强服务在不同空域存在相应限制。多星座导航系统可大大降低星座层面的故障概率，并通过改善星座构型和增加观测冗余度提高定位精度。另外，出于国家主权和国家安全考虑，中国民航不能完全依靠广泛应用的GPS 或其他卫星导航系统，而必须是以BDS 为基础、兼容GPS 等其他GNSS 的综合性系统。

星基监视方面，对其性能的验证以及相关运行保障机制远未成熟，未来还需要民航各利益方协作推动。对于基于北斗RDSS 的监视技术，目前已经在中国通航飞机和商业运输飞机上取得应用，是自主可控的监视技术手段。但是，技术的成熟度、产业链等各方面还未完全达到商业运营的阶段。