北斗衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀及其在民航領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用前景

郭健偉 余焰

摘 要：本文通過介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展及特點(diǎn)，結(jié)合民航新航行系統(tǒng)對衛(wèi)星導(dǎo)航的需求，介紹其在民航空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視方面的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新航行系統(tǒng)（CNS/ATM）；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）；北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（COMPASS）；基于性能導(dǎo)航（PBN）

引言

隨著國際民航組織（ICAO）對新航行系統(tǒng)（CNS/ATM）多年來的推廣實(shí)施，作為其重要組成部分之一的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），開始逐步被包括中國在內(nèi)的國際民航界廣泛使用。

我國自行研制的北斗（COMPASS）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建設(shè)，將為我國民航新一代空管系統(tǒng)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇，其可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。

中國民航新一代空管系統(tǒng)未來應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將是以北斗COMPASS為基礎(chǔ)、兼容美國的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合性系統(tǒng)。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展及特點(diǎn)

我國于1983年開始籌劃建設(shè)自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，1994年正式立項(xiàng)建設(shè)“雙星”快速定位通信系統(tǒng)——“北斗一號”。2003年12月25日“北斗一號”建成并正式開通運(yùn)行。2004年4月全面對民用用戶開放正式運(yùn)營。

“北斗一號”雙星衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采用衛(wèi)星無線電定位業(yè)務(wù)（RDSS）原理工作，通過兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星，由用戶以外的中心控制系統(tǒng)完成經(jīng)衛(wèi)星至用戶的詢問式距離測量，計(jì)算出用戶的三維坐標(biāo)再告知用戶，同時(shí)完成了位置報(bào)告和用戶位置信息共享。該個(gè)系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時(shí)和GPS廣域差分功能，并已在測繪、電信、水利、交通運(yùn)輸、漁業(yè)、勘探、森林防火和國家安全等諸多領(lǐng)域逐步發(fā)揮重要作用。在2008年5.12大地震抗震救災(zāi)和2008年北京奧運(yùn)安保中，發(fā)揮了重要的積極的作用。

2006年我國政府發(fā)表了《中國的航天》白皮書，特別提到了完善“北斗”導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)，啟動并實(shí)施“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃。開始建設(shè)“北斗二號”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。2007年4月14日成功發(fā)射第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，截至2012年10月25日已成功將第16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。目前該系統(tǒng)已進(jìn)入密集組網(wǎng)高峰階段，2012年底已經(jīng)向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)，預(yù)計(jì)2020年左右建成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后，可以提供覆蓋全球提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10m，測速精度達(dá)到0.2m/s，授時(shí)精度為10ns。授權(quán)服務(wù)是向有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶提供更安全的定位、測速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。

2 中國民航新一代空管系統(tǒng)對自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航需求

改革開放以來中國民航業(yè)快速發(fā)展，從2005年開我國民航的運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量成為僅次于美國的第二大民航運(yùn)輸系統(tǒng)。為滿足這種快速增長的需要，中國民航正加緊推廣新航行系統(tǒng)的規(guī)劃和實(shí)施工作。

由于中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡，我國的民航運(yùn)輸業(yè)也存在發(fā)展不平衡的局面。在我國中東部地區(qū)，尤其是北京、上海、廣州，民航運(yùn)輸量大、空域擁擠、導(dǎo)航設(shè)施條件好、雷達(dá)實(shí)現(xiàn)多重覆蓋。而在西部地區(qū)，特別是青海、西藏等高原山區(qū)，同樣有著大量的民航運(yùn)輸需求，由于機(jī)場海拔高、地形復(fù)雜、地理?xiàng)l件差、地面導(dǎo)航臺布設(shè)困難、氣象環(huán)境惡劣等因素，導(dǎo)致這些區(qū)域?qū)Ш胶屠走_(dá)信號覆蓋不完全，采用傳統(tǒng)導(dǎo)航方式飛行運(yùn)行困難，迫切需要新技術(shù)和新設(shè)備來保障飛行運(yùn)行安全。使用以衛(wèi)星技術(shù)為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)，將使航路規(guī)劃擺脫必須依賴地面設(shè)施的約束。

3 新一代空管系統(tǒng)采用現(xiàn)代衛(wèi)星、信息、網(wǎng)絡(luò)和自動化技術(shù)，將星基系統(tǒng)與現(xiàn)行陸基系統(tǒng)高度集成，構(gòu)建空天地一體化的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)

3.1 通信

民航通信分空空、空地、地地通信三類。已建成的ATM（Asynchronous Transfer Mode即異步傳輸模式）民航數(shù)據(jù)網(wǎng)支持ATM業(yè)務(wù)，幀中繼業(yè)務(wù)，VOLP業(yè)務(wù)，IP業(yè)務(wù)，X.25/異步等業(yè)務(wù)，已成為我國民航數(shù)據(jù)網(wǎng)、電報(bào)網(wǎng)、氣象和航行情報(bào)等數(shù)據(jù)交換和傳輸?shù)闹饕删€傳輸媒介。民航C波段、KU波段衛(wèi)星通信網(wǎng)也作為重要傳輸媒介，廣泛應(yīng)用于甚高頻遙控臺線路、雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸和連網(wǎng)。民航通信很多方面依賴于高精度時(shí)間同步，導(dǎo)航衛(wèi)星高精度時(shí)鐘提供的受時(shí)服務(wù)，可以用于民航通信同步授時(shí)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)服務(wù)精度達(dá)到10ns，完全可以替代GPS授時(shí)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所特有的短報(bào)文通信功能，能方便位置的報(bào)告及導(dǎo)航信息的交換，可用開發(fā)于對民用航空器的監(jiān)視和生命救援等。

3.2 導(dǎo)航

當(dāng)前國內(nèi)機(jī)場都在大力度推進(jìn)的，由我國自主研發(fā)的衛(wèi)星精密導(dǎo)航技術(shù)（PBN）航行技術(shù)。PBN運(yùn)行的三個(gè)基礎(chǔ)要求就是導(dǎo)航應(yīng)用、導(dǎo)航規(guī)范和支持系統(tǒng)運(yùn)行的導(dǎo)航設(shè)施，而北斗本身就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是北斗二代，它與GPS的性能是相當(dāng)?shù)?。一方面，北斗可以為PBN提供包括航路、終端區(qū)、非精密進(jìn)近和精密進(jìn)近全部飛行階段的導(dǎo)航；北斗的短報(bào)文通信也可實(shí)現(xiàn)ADS-B和雷達(dá)覆蓋盲區(qū)的航空器監(jiān)視和應(yīng)急通信；同時(shí)，北斗還可以實(shí)現(xiàn)民航通信網(wǎng)絡(luò)、自動化系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)、MLAT等的時(shí)間同步。另一方面，從國家安全角度上來講，因?yàn)镚PS衛(wèi)星為美國軍方控制，所以在某些特定的因素下，有可能存在信號被關(guān)閉或被干擾等問題，定位精度有可能會受到影響。而北斗系統(tǒng)是由我們自主控制的，所以在信號的精度和穩(wěn)定性上是有保證的。從國家戰(zhàn)略的角度上來講，北斗作為我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)，自主控制的導(dǎo)航系統(tǒng)必定在我國民航系統(tǒng)中應(yīng)用和普及。

以往傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)使得航空器只能通過向臺和背臺來飛行，也就是說必須由導(dǎo)航臺信號引導(dǎo)飛機(jī)飛行，而PBN這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)代飛機(jī)的一些機(jī)載設(shè)備的性能和優(yōu)勢，利用先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，使得飛機(jī)只要在導(dǎo)航信號覆蓋范圍內(nèi)就可以沿任意路徑進(jìn)行飛行，從而使得飛行航跡靈活和精確。

3.3 監(jiān)視

采用自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）的技術(shù)，航空器通過空地?cái)?shù)據(jù)通信鏈路自動發(fā)送其位置、速度等數(shù)據(jù)到空中交通管制中心和其他用戶，以模擬雷達(dá)的方式顯示出來。主要于洋區(qū)、低密度大陸區(qū)域，也可作為高密度區(qū)域二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）的備份手段。近期在濱州大高機(jī)場的鉆石42機(jī)型和塞斯納172機(jī)型上分別搭載了北斗導(dǎo)航通信一體化終端和ADS-B機(jī)載應(yīng)答機(jī)，在地面布設(shè)北斗指揮型終端和ADS-B地面站。目前，通過多個(gè)起降和空域飛行測試，北斗信號接收良好，定位精度較高，位置報(bào)告和短消息功能工作正常。其中，ADS-B機(jī)載應(yīng)答機(jī)能夠?qū)崟r(shí)向地面站發(fā)送飛機(jī)的地址碼、位置、高度、速度等飛行參數(shù)信息，而且監(jiān)視數(shù)據(jù)連續(xù)無中斷。這初步驗(yàn)證了基于北斗的導(dǎo)航、通信和ADS-B監(jiān)視的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可靠性以及技術(shù)方案的可行性。

4 結(jié)束語

隨著中國民航新技術(shù)的不斷使用，我們相信擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、我自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相兼容的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)會在中國民航未來發(fā)展中占據(jù)越來越重要的地位。

參考文獻(xiàn)

[1]韓松臣.新航行系統(tǒng)導(dǎo)論[D].南京航空航天大學(xué)，2003.