北斗卫星定位追踪技术在民航运输航班中的应用

文｜李郁 何运成

中国民航科学技术研究院

一、引言

2014 年3 月，马航MH370 失联在全球引发极大震动，国际民航组织（ICAO）各成员国及全球业界开启了系统性推进航空器追踪监控工作。ICAO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，并制定了航空器追踪规范，要求航空承运人在2018 年11 月8日前实现对其海洋区域运行至少每15 分钟通过自动报告对航空器位置进行追踪（4D/15 追踪）[1]。

在航空器定位追踪技术领域，我国民航长久以来依赖于美国的GPS 系统，这对我国的民航运输而言存在相当大的隐患。一旦GPS 关闭的历史事件再次重演，将对我国的民航运输安全产生重大影响。因此中国民用航空局（CAAC）一直积极推动将北斗导航系统应用于我国民航运输飞机。2017 年7 月，民航局颁布《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》[2]，提出分三阶段实施航空器全球追踪，最终建成具有自主知识产权的航空器追踪监控体系，并形成相关标准，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11 月CAAC 颁布了《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》[3]，该路线图结合北斗在民航现状和使用要求，分近期、中期、远期给出了实施计划，提出总体目标为：中国民航大力推进北斗系统应用，积极构建以北斗为核心的GNSS技术应用体系，积极推动以星基定位、导航与授时技术为核心的新一代空中航行系统建设与运行。按照“从易到难，从便携到机载，从监视到导航，通用运输统筹推进”的总体实施路径，全面提升民航安全水平、空域容量、运行效率和服务能力，进一步推动北斗全球民航应用。针对运输航空器追踪监控，到2021 年底，完成基于北斗定位及短报文通信的运输航空器追踪监控典型示范；到2025 年，全部民航运输飞机将具备基于北斗的定位与追踪能力，基本完成北斗星基增强（BDSBAS）的运输航空应用；到 2035 年，将实现中国民航运输飞机使用北斗进行自主导航。该路线图旨在推进北斗在民用运输航空中的应用，建立以北斗定位信息为核心的运输航空器追踪、监视及导航能力。

自2000 年第一颗北斗卫星升空起，截至2022年底，北斗系统已有45 颗卫星在轨提供服务。随着北斗三号的建设完成、北斗成功组网提供全球服务[4]，我国民航全面应用北斗进行导航、通信和监视的战略即将成为现实[5]。

二、民航领域的北斗定位追踪技术

1. 北斗卫星导航系统

北斗系统主要由空间段、地面段和用户段三部分组成，如图1 所示。

图1 北斗卫星导航系统组成

空间段是由地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成的混合星座。地面段主要包括注入站、监测站和主控站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。监测站用来接收卫星发送的观测数据，并监测卫星和卫星运行轨道；注入站负责卫星间的数据传送；主控站管理和控制系统的运行。用户段指北斗的接收终端，目前我国部分民用航空器经过改装，实现了机载北斗接收终端的测试运行。

2. 短报文服务

北斗区别于其他卫星导航系统的特色功能是短报文服务，单次通信最大长度达到1000 个汉字。北斗短报文支持双向通信，并且在通信的同时也能进行定位[6]。

北斗短报文通信过程如下（图2）：

图2 北斗短报文通信示意图

1）短报文发送方将接收方ID 号和通信数据加密后通过卫星转发入站；

2）地面系统接收到通信数据后，经解密再加密处理后加入出站广播电文中；

3）卫星收到电文后持续广播给用户；

4）接收端用户机接收出站信号，并对信号解密，完成一次通信。

使用北斗短报文服务是定位和监视航空器的手段之一。它的优势是覆盖范围广，无通信盲区，可独立向地面系统报告航空器位置、速度和时间等信息。目前我国改装的应用了北斗系统的运输机，即是用了北斗短报文服务进行定位和监视。

3. 北斗定位监视技术优势

民航定位监视技术主要有ACARS、二次雷达、ADS-B、ATG、Ka 卫星通信以及北斗短报文。表1对北斗短报文技术与其他技术的优缺点进行了对比分析。目前空管部门依然应用二次雷达和ADS-B进行监视，而航空公司对航空器的监控传统手段为ACARS，从经济效益、时效性等方面，北斗短报文具有很大的优势（表1）。

表1 北斗短报文技术对比

三、北斗在民航运输航班中的应用

传统的航班追踪监控系统主要基于ADS-B、ACARS、雷达等轨迹数据，主要关注飞行中环境因素对航班安全运行的影响，缺乏星基监视和基于北斗数据源的追踪定位，并且缺乏风险动态预测等风险预警、缓解、消除的技术支持。随着中国的北斗卫星导航系统建设的完成，应用北斗独特的定位和短报文功能，不仅能够满足运输航空器追踪监视在空中飞行阶段和地面滑行阶段的性能要求，而且可以做到全球覆盖，是当前较为可行的运输航班自主追踪监视手段。

通过北斗短报文与ADS-B 数据、ACARS、气象等多源异构数据的深度融合，建设高效航班运行分析技术手段，能够实现基于我国北斗卫星系统的航班全球跟踪监控，满足运输航空对航空器位置缺失、航班复飞、应答机突变等飞行异常状况的风险监控和风险预警要求。

2019 年12 月25 日，首架加装北斗定位追踪系统的国航波音737-800 客机从北京飞抵新疆喀什，在喀什平稳着陆。这是北斗卫星导航系统在中国民航运输航空的首次应用，实现了基于北斗的运输飞机全程定位和追踪，对提升民航安全水平、提升民航国际竞争力和话语权意义重大[7]。

1. 北斗机载追踪监视设备

北斗机载追踪监视设备主要包括北斗机载天线和北斗机载收发机，具备北斗定位、北斗自动位置报告和短报文通信功能。可利用飞机总线信息获取飞机航班号、燃油量、飞机姿态等关键信息，按照通信协议组包封装后，通过地面部署的北斗地面数据处理系统，实现定位和短报文信息的传输。

中国民航颁布了用作航空器追踪的北斗卫星导航系统机载设备的技术标准，基于技术标准要求北斗机载设备应满足民用运输航空器加改装以及高电压雷击、强电流物理损毁，以及设备在民用运输航空器的电磁兼容等多项要求。

目前国内已有相关公司针对北斗在民航运输航班适航和追踪监视，研制了高性能北斗机载天线和收发机，获得国内北斗CTSOA 适航证书，成功应用于飞机改装，解决了民航复杂电磁兼容环境及航空器飞行姿态下的北斗天线设计及稳定通信问题[8]。

2. 终端应用系统

终端应用系统需要充分融合的北斗短报文航班运行数据、基础数据、航迹数据、GIS 数据等，形成统一、完整、准确的航班运行态势，提高空中目标监视和追踪的连续性，扩大空中目标监视和追踪的范围。

另一方面终端应用系统基于融合多源异构海量数据，可以实现航班运行态势分析和运行风险预警等核心功能，挖掘运行风险因素、优化航班运行效率。典型应用包括：

1）动态油量监控，能够解决传统手段报文下发间隔长，无法实现航班运行监控中的低油量告警、时刻偏差、偏航等告警的时间要求。

2）备降决策推演，可以根据航班监控实际运行需求，基于航班当前初始运行态势，对其未来可能出现的事件态势进行预估，从而应对航班绕飞、盘旋、目的地机场恶劣天气等异常状况。

3）航班高风险告警识别，能够根据风险态势分析结果提供当前运行状态提示，为航空器运行提供全流程态势监控与风险告警。

4）运行风险预警，结合航班动态、飞行计划、航行通告、气象等数据，实现对全国高风险空域或机场的识别预警，包括盘旋等待、复飞、延误、颠簸、偏航绕飞等异常事件，以及盘旋、复飞、颠簸、偏航等风险高发区域的预警提示。

目前国内已有相关公司研制了全球航班追踪监控与风险预警系统[9-10]（图3）。系统融合了国航机队北斗定位数据源、ADS-B 实时数据、航班动态等多源异构运行数据，构建运行大数据云服务平台，实现超过2 万架航空器的动态追踪与运行数据实时分析处理。此外，系统具备飞机实时跟踪监控和风险告警功能，实现航班运行过程中的全流程异常事件动态监控与实时告警，解决了航班的全球化动态监视问题。

图3 全球航班追踪监控与风险预警系统

四、技术应用展望

1）可以加快推进在通航领域的应用。与商业运输航空相比，通用航空具有飞行高度低、飞行器小、飞行速度慢的特点[11]，对设备适航审定要求低、系统建设成本低、周期短、总体投资规模小，在通航率先开展全面的基于北斗定位追踪技术的推广，可以在较短时间内实现全面的应用，同时还可以为北斗在运输航空的应用示范提供有力的技术支撑。

2）可以加快推进运输航空北斗应用。目前国内已经在国航20 架飞机上安装了北斗定位追踪设备，取得了较好的应用效果。基于上述技术基础，继续推动新一代兼容北斗二代/三代北斗机载收发机的研制和取证工作，推动新一代北斗机载设备的验证应用，促进北斗在运输航空器上全面应用，实现运输航班基于自主技术的追踪监视。