雙王一炸北斗衛(wèi)星導(dǎo)阿嬌

張展

2017年10月15日，人民日?qǐng)?bào)發(fā)表了一篇名為《中國的兩個(gè)“王”湊成了一個(gè)“炸”！—— 一手好牌的感覺真好》的文章，這里面提到的兩個(gè)“王”，一個(gè)是我國自主設(shè)計(jì)并制造的支線客機(jī)——ARJ21-700，另一個(gè)是指我國自主研發(fā)的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。10月10日至10月14日，在山東東營機(jī)場(chǎng)，由中國商飛公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心牽頭，中國商飛公司民用飛機(jī)試飛中心、上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、上海飛機(jī)制造有限公司等參加，由相關(guān)高校、研究所和制造商共同參研的“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)在ARJ21飛機(jī)的測(cè)試試飛項(xiàng)目圓滿成功，這次不尋常的飛行試驗(yàn)，將我國兩個(gè)事關(guān)國計(jì)民生的重大專項(xiàng)緊密結(jié)合在一起，正式拉開了國產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國產(chǎn)民用客機(jī)應(yīng)用的序幕。

這次試飛的重大意義在于，首次實(shí)現(xiàn)了天、空、地三個(gè)層面的4個(gè)“國產(chǎn)化”的結(jié)合：太空中有我們的國產(chǎn)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，空中的國產(chǎn)民用大飛機(jī)內(nèi)搭載著國產(chǎn)機(jī)載導(dǎo)航接收機(jī)，地面應(yīng)用的是國產(chǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)。正因?yàn)橐陨霞夹g(shù)都掌握在自己手上，這為后續(xù)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國際民航標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用推廣、測(cè)試認(rèn)證獲取大量的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我們先來看看這4個(gè)“國產(chǎn)”。

眾所周知，現(xiàn)代民航飛機(jī)的運(yùn)行，少不了衛(wèi)星導(dǎo)航，目前在世界范圍內(nèi)廣泛使用的導(dǎo)航服務(wù)是美國的GPS（全球?qū)Ш较到y(tǒng)），這個(gè)從上世紀(jì)90年代開始使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，配合其他增強(qiáng)手段，目前民航衛(wèi)星導(dǎo)航精度最高可達(dá)到分米級(jí)，基本滿足民航對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)精度的要求。

場(chǎng)面滑行，主要包括直線滑行和S形滑行。直線滑行，指飛機(jī)沿跑道中心線進(jìn)行往返滑行;S形滑行，指飛機(jī)沿跑道中心線進(jìn)行S形滑行。試驗(yàn)過程中，記錄“北斗”導(dǎo)航設(shè)備輸出的定位數(shù)據(jù)和引導(dǎo)數(shù)據(jù)、以及相關(guān)的導(dǎo)航基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。主要目的是進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路檢查、信號(hào)覆蓋和偏置數(shù)據(jù)檢查。場(chǎng)面滑行的“北斗”導(dǎo)航定位軌跡如圖。

大圓飛行，主要包括高度為10 000英尺（約3 000米）和5 000英尺（約1 500米）的大圓飛行。大圓飛行用來驗(yàn)證地基增強(qiáng)信號(hào)的有效覆蓋范圍。大圓飛行的“北斗”導(dǎo)航定位軌跡如圖。

弧度飛行，主要包括以跑道為中心線、跑道起點(diǎn)為圓心進(jìn)行圓弧飛行，主要目的是驗(yàn)證進(jìn)近區(qū)域內(nèi)地基增強(qiáng)空間信號(hào)覆蓋情況，查看是否存在干擾信號(hào)?；《蕊w行的“北斗”導(dǎo)航定位軌跡如圖。

恒定高度飛行，主要包括以高度2 000英尺（約610米）、3 000英尺（約914米）和4 000英尺（約1 219米）的通場(chǎng)飛行，主要目的是驗(yàn)證跑道上方區(qū)域內(nèi)地基增強(qiáng)空間信號(hào)覆蓋情況。恒定高度飛行的“北斗”導(dǎo)航定位軌跡如圖。

為關(guān)鍵時(shí)刻不受制于人，在全世界已經(jīng)存在美國的GPS，歐洲的“伽利略”以及俄羅斯的“格洛納斯”導(dǎo)航系統(tǒng)后，中國的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為后起之秀，目前已經(jīng)完成了對(duì)亞太地區(qū)的覆蓋，正在向著全球覆蓋的目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)。“北斗”系統(tǒng)可以為用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，是國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。隨著“北斗”系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)繪地理信息、森林防火、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域。

但是，雖然“北斗”應(yīng)用廣泛，但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民航領(lǐng)域中的應(yīng)用這顆“皇冠上的明珠”，卻暫時(shí)沒有“北斗”導(dǎo)航的身影，民航衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)一直被美國的GPS牢牢把握。這一方面是因?yàn)椤氨倍贰睂?dǎo)航系統(tǒng)起步較晚，目前還沒有形成全球服務(wù)的能力，而民航卻是一個(gè)全球化的服務(wù)行業(yè);另一方面因?yàn)閲H民航組織的大部分席位也由國外企業(yè)和公司占據(jù)，且世界上大多數(shù)民用飛機(jī)都由歐美公司生產(chǎn)，在中國土生土長(zhǎng)的“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)要進(jìn)入國際民航舞臺(tái)壁壘太多。

現(xiàn)在情況有了轉(zhuǎn)機(jī)，因?yàn)槲覀冇辛俗约褐圃斓拿窈斤w機(jī)——ARJ21。

關(guān)于ARJ21，自然無需多言，繼2017年7月9日取得中國民航局生產(chǎn)許可證后，ARJ21已經(jīng)獲得433架訂單，3架交付客戶，2架正式投入航線運(yùn)營，目前載客數(shù)已超過2萬人次。相比于剛剛首飛，有著漫長(zhǎng)取證之路要走的C919來說，無論從飛機(jī)穩(wěn)定性還是安全性上考慮，ARJ21飛機(jī)都是一個(gè)非常理想的飛行平臺(tái)。本次試飛采用的是ARJ21的103駕機(jī)，相比老大哥101、102駕機(jī)，和已經(jīng)交付的105、106、107駕機(jī)，這架飛機(jī)針對(duì)航電通信導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行過專門改裝，非常適合進(jìn)行“北斗”導(dǎo)航測(cè)試試驗(yàn)試飛。

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在103駕機(jī)上的試飛，是“北斗”第一次實(shí)現(xiàn)了在民用航空領(lǐng)域的測(cè)試應(yīng)用，同時(shí)也是國產(chǎn)民機(jī)第一次使用國產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)兩個(gè)重大專項(xiàng)的融合發(fā)展具有里程碑意義。

“北斗”短報(bào)文指揮中心

然而，“北斗”是工具，飛機(jī)是載具，真正使用導(dǎo)航工具的是導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)。本次試飛搭載的是一臺(tái)機(jī)載多模式導(dǎo)航接收機(jī)，它由中國商飛與國內(nèi)高校以及設(shè)備制造廠參考國際民航機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合開發(fā)研制，可接收GPS、“北斗”、“格洛納斯”和“伽利略”四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，支持傳統(tǒng)的VOR（甚高頻全向信標(biāo)）和ILS（儀表著陸系統(tǒng)）盲降，同時(shí)加入了對(duì)民航地基增強(qiáng)信號(hào)的支持，以及“北斗”短報(bào)文收發(fā)的功能，功能上比目前波音、空客民機(jī)以及ARJ21和C919上裝備的導(dǎo)航接收機(jī)更加先進(jìn)，符合國際民航對(duì)未來導(dǎo)航系統(tǒng)多頻多星座多導(dǎo)航源的要求。

值得一提的是，“北斗”短報(bào)文是“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)特色功能，其創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，能夠提供位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)。目前，民航中的監(jiān)視一般通過雷達(dá)以及地-空/空-空數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)，即飛機(jī)將自身位置等信息發(fā)送給地面管理部門或周邊其他飛機(jī)，覆蓋范圍受雷達(dá)覆蓋和地面站位置等因素限制。在MH370事件后，獨(dú)立自主的民航飛機(jī)監(jiān)視能力得到廣泛的關(guān)注，而“北斗”短報(bào)文的位置報(bào)告功能則可以全面了解空域內(nèi)所有飛機(jī)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，尤其能夠有效解決沒有雷達(dá)和地面站覆蓋區(qū)域的民航飛行監(jiān)視問題。“北斗”短報(bào)文通信服務(wù)還可用于民航運(yùn)行管理部門與飛行員、機(jī)載設(shè)備之間的通信，通過衛(wèi)星鏈路遠(yuǎn)程向飛行員和機(jī)載設(shè)備傳達(dá)指令，從全局上控制空中交通流量。通信、導(dǎo)航和監(jiān)視是新一代空管體系的三大支柱，而我國國產(chǎn)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將通信和導(dǎo)航融為一體，為民航運(yùn)行的監(jiān)視和管理提供了極為有效的手段，能夠進(jìn)一步提高空中交通運(yùn)行效率。但是，也正因?yàn)椤氨倍贰倍虉?bào)文是完全不同于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的原生功能，因此是否能安全可靠地應(yīng)用在民航領(lǐng)域，是否能被國際民航組織接受，還需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)積累。

還有一個(gè)系統(tǒng)不容忽視——地基增強(qiáng)系統(tǒng)。我們平常說的導(dǎo)航指的是衛(wèi)星發(fā)出的基本導(dǎo)航信號(hào)，“北斗”在亞太地區(qū)的定位精度大概在10米左右，而民航飛機(jī)在進(jìn)近過程中需要更高精度才能安全降落，因此這里就需要通過一些外部手段對(duì)機(jī)場(chǎng)區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航性能進(jìn)行增強(qiáng)，提升導(dǎo)航定位精度，同時(shí)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)向飛行員告警。本次試驗(yàn)所測(cè)試的GLS（衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)），就是上述衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)手段中的一種。

GLS系統(tǒng)通過地面子系統(tǒng)和機(jī)載子系統(tǒng)相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航性能的增強(qiáng)和對(duì)飛機(jī)進(jìn)近著陸的引導(dǎo)。一方面，GLS地面站通過對(duì)“北斗”等衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的觀測(cè)，判斷導(dǎo)航衛(wèi)星是否健康，同時(shí)向機(jī)載系統(tǒng)發(fā)送定位誤差校正等增強(qiáng)信息;另一方面，機(jī)載子系統(tǒng)利用接收到的增強(qiáng)信息對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，最終獲得自身的精確位置，同時(shí)判定當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。和傳統(tǒng)用于精密進(jìn)近的儀表著陸系統(tǒng)相比，GLS系統(tǒng)一套地面設(shè)備就能夠覆蓋整個(gè)機(jī)場(chǎng)區(qū)域，不需要針對(duì)每一條跑道建設(shè)引導(dǎo)基站。GLS系統(tǒng)可以優(yōu)化進(jìn)近航跡的設(shè)計(jì)，避開障礙物、噪音敏感區(qū)和飛行密集空域，并提高低能見度下的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行能力。從飛行員的角度來說，GLS系統(tǒng)的顯示操作與儀表著陸系統(tǒng)類似，也減少了更換系統(tǒng)后額外的培訓(xùn)成本。

商飛北研中心團(tuán)隊(duì)在山東東營機(jī)場(chǎng)合影，身后兩架是ARJ21的103、104架原型機(jī)，現(xiàn)用于各種優(yōu)化試飛任務(wù)。

目前，美國、德國、西班牙、瑞士、澳大利亞和巴西等國家都已經(jīng)有GLS系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)試或運(yùn)行，但均為GPS單導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行。而本次試驗(yàn)的地面站及機(jī)載系統(tǒng)均為國產(chǎn)自主研制，同時(shí)支持GPS/“北斗”雙信號(hào)增強(qiáng)，開創(chuàng)了民航應(yīng)用雙導(dǎo)航系統(tǒng)增強(qiáng)的先例，在國際上屬領(lǐng)先地位。

綜上所述，這四大國產(chǎn)系統(tǒng)共同組成了本次試驗(yàn)的環(huán)境，其中核心技術(shù)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)完全掌握在國人自己的手上。從產(chǎn)業(yè)角度上而言，“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)可以帶動(dòng)導(dǎo)航、通信、衛(wèi)星、無線電等多個(gè)領(lǐng)域，而民用飛機(jī)制造所涉及的產(chǎn)業(yè)鏈更加龐大，包括材料、機(jī)械加工、電子電氣、動(dòng)力、控制、測(cè)試等，作為工業(yè)制造的皇冠，與“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合必將帶來巨大的輻射影響力。

上面介紹了此次試驗(yàn)的系統(tǒng)組成，試驗(yàn)本身則是為了驗(yàn)證機(jī)載“北斗”導(dǎo)航接收機(jī)的導(dǎo)航精度性能（含地基增強(qiáng)性能），驗(yàn)證“北斗”短報(bào)文的功能。

其中機(jī)載“北斗”導(dǎo)航接收機(jī)的GLS地基增強(qiáng)性能試驗(yàn)，參考中國民航發(fā)布的咨詢通告以及美國聯(lián)邦航空管理局相關(guān)文件要求進(jìn)行，本次的GLS定位精度應(yīng)滿足精密進(jìn)近Cat I類的要求，也就是水平精度16米，垂直精度4～6米。

試驗(yàn)中，我們選取的試飛科目包括場(chǎng)面滑行、大圓飛行、弧度飛行、恒定高度飛行等。每次試飛科目的過程中，我們都會(huì)記錄GPS、“北斗”以及導(dǎo)航基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，以便飛行結(jié)束后進(jìn)行分析計(jì)算，得出本次飛行的精度結(jié)果，整個(gè)飛行試驗(yàn)結(jié)束后，我們還將對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并與國際民航要求進(jìn)行比對(duì)。

此次試驗(yàn)中，“北斗”短報(bào)文的功能試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)機(jī)載“北斗”導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)時(shí)向地面指揮中心發(fā)送短報(bào)文的通信成功率完成，同時(shí)，地面指揮中心的監(jiān)控屏幕上可以實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的位置及航跡信息，實(shí)現(xiàn)自主監(jiān)視功能。整個(gè)驗(yàn)證過程中，位置報(bào)告功能正常，監(jiān)視功能正常。

機(jī)載“北斗”導(dǎo)航接收機(jī)搭載飛行試驗(yàn)，是“北斗上民機(jī)”邁出的第一步，主要目標(biāo)在于“北斗”導(dǎo)航在國產(chǎn)飛機(jī)上應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和分析，為之后“北斗”與民機(jī)航電設(shè)備的交聯(lián)集成，“北斗”機(jī)載設(shè)備的進(jìn)一步國際標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)，在C919及后續(xù)機(jī)型上進(jìn)行機(jī)載設(shè)備國產(chǎn)化替代積累前期經(jīng)驗(yàn)。目前數(shù)據(jù)還在處理中，不過初步分析表明，“北斗”信號(hào)在民航飛機(jī)中接收穩(wěn)定，功能正常，單點(diǎn)定位精度與GPS相當(dāng)，地基增強(qiáng)對(duì)精度有明顯改善，定位精度指標(biāo)滿足國際民航相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以通過“北斗”信號(hào)為民航飛機(jī)提供進(jìn)近引導(dǎo)?！氨倍贰倍虉?bào)文功能工作正常，在地面指揮中心可以看到短報(bào)文實(shí)時(shí)的位置報(bào)告，可作為民航飛機(jī)的一種獨(dú)立自主的監(jiān)視手段。

經(jīng)過改裝的103架機(jī)客艙內(nèi)，安裝多電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)。圖中電腦屏幕左側(cè)顯示的是飛機(jī)姿態(tài)，右側(cè)是以谷歌地球衛(wèi)星照片為背景的山東東營區(qū)域地圖。

在后面的工作中，為了讓國產(chǎn)的“北斗”機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備真正在民航客機(jī)的運(yùn)行中使用，不僅還有大量的工作需要完成，也有諸多困難需要面對(duì)。在這些工作與困難中，排在第一的是，“北斗”導(dǎo)航相關(guān)國際民航標(biāo)準(zhǔn)的建立尚未完成，“北斗”導(dǎo)航只有進(jìn)入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)，才可以在全球國際航線上推廣使用，真正成為民機(jī)上的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這個(gè)目標(biāo)還需要許多試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支持;其次是“北斗”導(dǎo)航適航設(shè)備的研制和生產(chǎn)，需要提升國內(nèi)外導(dǎo)航機(jī)載設(shè)備供應(yīng)商對(duì)“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)注度和信心，共同推動(dòng)“北斗”導(dǎo)航機(jī)載設(shè)備在民航領(lǐng)域的普及;第三是“北斗”機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的航電系統(tǒng)交聯(lián)試飛，通過試飛獲得最貼近實(shí)際應(yīng)用且最為全面的測(cè)試，為“北斗”導(dǎo)航國際民航標(biāo)準(zhǔn)的制訂和相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐;最后是“北斗”機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備的航電系統(tǒng)集成，目前，這套設(shè)備還只是在后艙的設(shè)備平臺(tái)上進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，尚未與整體航電集成，成為駕駛艙里的一個(gè)基本功能，未來將“北斗”導(dǎo)航機(jī)載設(shè)備集成到整體航電系統(tǒng)后，才算真正實(shí)現(xiàn)“北斗上民機(jī)”。

目前，基礎(chǔ)條件基本形成，這是開展“北斗”導(dǎo)航國產(chǎn)民機(jī)應(yīng)用的最好時(shí)機(jī)。中國商飛ARJ21型客機(jī)已經(jīng)獲得TC、PC證并交付運(yùn)營，C919型客機(jī)完成首飛，寬體飛機(jī)已經(jīng)立項(xiàng)，國產(chǎn)大飛機(jī)平臺(tái)日趨成熟，國產(chǎn)機(jī)載設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善。同時(shí)，“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，正在向?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋的目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)，在國家政策的支持下，在國家部委的指導(dǎo)下，在各合作伙伴的通力協(xié)作下，將國家戰(zhàn)略層面兩個(gè)重大專項(xiàng)有機(jī)結(jié)合，加速實(shí)現(xiàn)“北斗上民機(jī)”。

中國商飛公司將在統(tǒng)籌干線飛機(jī)和支線飛機(jī)發(fā)展的進(jìn)程中，肩負(fù)和實(shí)現(xiàn)“北斗上民機(jī)”的使命目標(biāo)，持續(xù)跟蹤“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，通過大量預(yù)先研究工作，積極利用自身優(yōu)勢(shì)推進(jìn)“北斗”試飛項(xiàng)目研究和應(yīng)用，加快我國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民航運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)我國由民航大國向民航強(qiáng)國的跨越式發(fā)展。

責(zé)任編輯：陳肖