GPS定位系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在民航中的應(yīng)用

溫泉

摘 ?要：面對(duì)我國(guó)民航事業(yè)和傳統(tǒng)陸基導(dǎo)航體制之間產(chǎn)生的矛盾，需要新一代的導(dǎo)航向高效、安全和精準(zhǔn)的方向發(fā)展。國(guó)際民航組織已經(jīng)提出了全球新導(dǎo)航機(jī)制，我國(guó)不能繼續(xù)依賴(lài)于GPS定位系統(tǒng)，要使用北斗導(dǎo)航和GPS定位系統(tǒng)組合，從而實(shí)現(xiàn)全能性和精準(zhǔn)性的航行。文章介紹了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成、工作原理和用戶(hù)設(shè)備，并論述了其廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：GPS定位系統(tǒng);北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);民航;需求;通信航空

中圖分類(lèi)號(hào)：V249.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0168-02

Abstract： In the face of the contradiction between China's civil aviation industry and the traditional land-based navigation system， it is necessary for a new generation of navigation to develop in the direction of efficiency， safety and accuracy. The International Civil Aviation Organization has put forward a new global navigation mechanism， so China can not continue to rely on the GPS （Global Positioning System）， to use the combination of Beidou navigation and GPS （Global Positioning System）， so as to achieve totipotency and precision navigation. This paper introduces the composition， working principle and user equipment of Beidou navigation satellite positioning system， and discusses its broad application prospect.

Keywords： GPS （Global Positioning System）; Beidou satellite navigation system; civil aviation; demand; communication aviation

引言

隨著我國(guó)民航事業(yè)的發(fā)展，民航對(duì)空域資源也有了更多的需求，但是可使用空域僅有10%，這一矛盾是由我國(guó)相對(duì)落后的陸基導(dǎo)航體制造成的。陸基導(dǎo)航體制是在航路上建立無(wú)信標(biāo)導(dǎo)航站，飛機(jī)可以根據(jù)導(dǎo)航信號(hào)飛行，在機(jī)場(chǎng)也有雷達(dá)和全信標(biāo)導(dǎo)航儀提供導(dǎo)航服務(wù)。但是，陸基導(dǎo)航定位精度低，空管效率低，空域利用率低，這樣分配給每架飛機(jī)的空域資源較多，垂直高度300米就有一個(gè)航道資源作為使用。相對(duì)高速增長(zhǎng)的民航需求，和較為緊缺的空域資源形成了新的沖突。傳統(tǒng)機(jī)制導(dǎo)航進(jìn)度不高，讓飛行安全也無(wú)法得到保障，民航產(chǎn)業(yè)迫切需要新一代導(dǎo)航系統(tǒng)能向高效率、安全、快捷的方向轉(zhuǎn)變。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

國(guó)際民航組織已經(jīng)提出全球新導(dǎo)航機(jī)制，我國(guó)民航事業(yè)也應(yīng)該意識(shí)到國(guó)際變化，及時(shí)更新全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。這一改變能有效促進(jìn)我國(guó)民航及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高空域資源使用率，降低飛行成本，提高飛行速度和質(zhì)量。但是，能提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的只有美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)，如果我們依賴(lài)于美國(guó)的導(dǎo)航系統(tǒng)，有可能制約我國(guó)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展，威脅到國(guó)防安全。民航事業(yè)需要使用北斗導(dǎo)航和GPS定位系統(tǒng)組合，以此促進(jìn)民航事業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保障國(guó)家戰(zhàn)略安全，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益。

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

美國(guó)GPS定位系統(tǒng)，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐盟伽利略定位系統(tǒng)被公認(rèn)為是全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)核心供應(yīng)商。我國(guó)研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中包括“北斗一號(hào)”和“北斗二號(hào)”?！氨倍芬惶?hào)”已經(jīng)投入使用，而“北斗二號(hào)”還處于建設(shè)中。目前，中國(guó)的“北斗一號(hào)”已經(jīng)覆蓋國(guó)內(nèi)的領(lǐng)土，趨于完善?！氨倍范?hào)”是全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)研發(fā)的，組成形式由空間段、用戶(hù)段和地面段三個(gè)部分?？臻g衛(wèi)星主要由一顆在軌備份衛(wèi)星和兩顆工作衛(wèi)星組成。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的中樞部分以地面為中心控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的測(cè)軌、定位和調(diào)整。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶(hù)設(shè)備采用定向的天線(xiàn)接收器，用于接收衛(wèi)星發(fā)來(lái)的信號(hào)和中心站的定位請(qǐng)求。

1.3 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位主要是依靠于雙星定位，用戶(hù)終端向中心站發(fā)出請(qǐng)求，再將定位信息發(fā)送給用戶(hù)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的雙星定位就是以?xún)深w衛(wèi)星為中心，以衛(wèi)星到用戶(hù)的距離為半徑，將用戶(hù)放置于雙衛(wèi)星球面交線(xiàn)的圓弧上。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理就像一個(gè)以地球?yàn)榍蛐模蛐牡降孛娴母叨葹榘霃降那蛎嬷?，通過(guò)圓弧線(xiàn)和地球表面交點(diǎn)之間的距離，赤道北側(cè)當(dāng)作已知目標(biāo)，從而獲取用戶(hù)的定位。

1.4 用戶(hù)設(shè)備

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶(hù)設(shè)備是帶有定向天線(xiàn)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)器，主要用于接收衛(wèi)星發(fā)射的S波段信號(hào)，再提取地面中樞通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)和定位請(qǐng)求。北斗系統(tǒng)用戶(hù)不包含定位解算處理設(shè)備，用戶(hù)設(shè)備僅包括通信型、授時(shí)型和管理型。

用戶(hù)設(shè)備具有開(kāi)機(jī)快速定位功能、位置報(bào)告功能和雙向授時(shí)功能。開(kāi)機(jī)快速定位功能在用戶(hù)開(kāi)機(jī)之后幾秒內(nèi)就可以完成定位，比GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快很多。用戶(hù)與用戶(hù)、用戶(hù)管理部門(mén)，用戶(hù)和地面中樞之間都可以進(jìn)行雙向報(bào)文通信，傳遞位置及其他信息。這一雙向授時(shí)服務(wù)是其他衛(wèi)星系統(tǒng)不具備的特點(diǎn)。

2 GPS系統(tǒng)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)別

GPS系統(tǒng)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)論從衛(wèi)星軌道結(jié)構(gòu)、覆蓋范圍、用戶(hù)容量和定位原理都大不相同。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是在赤道上設(shè)置了兩顆衛(wèi)星，也就是雙星定位。而GPS系統(tǒng)是在6個(gè)軌道上設(shè)置了24顆衛(wèi)星。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)僅用于我國(guó)領(lǐng)土，是全國(guó)范圍內(nèi)的覆蓋，而GPS定位系統(tǒng)是全球覆蓋。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在定位的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電隱蔽性失去問(wèn)題，對(duì)軍事會(huì)造成影響。如果地面為中心控制的中樞部分受到攻擊，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的定位功能。GPS定位系統(tǒng)僅僅是測(cè)距的三維導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)用戶(hù)和設(shè)備都是獨(dú)立計(jì)算，接收用戶(hù)信息然后直接給用戶(hù)反饋有效位置信息。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)主要是主動(dòng)式雙向測(cè)距，通過(guò)地面中心進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射，因此用戶(hù)容量有限。而GPS是單項(xiàng)測(cè)距，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收，設(shè)備對(duì)用戶(hù)的容量較大。

3 GPS定位和北斗系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著民航新的航行系統(tǒng)不斷完善，逐漸民航導(dǎo)航將不再使用INS的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，而更多的采用星基導(dǎo)航系統(tǒng)。雖然GPS定位系統(tǒng)具有一定的準(zhǔn)確性和精度，但是其主要還是依靠于衛(wèi)星，如果衛(wèi)星故障，會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)航的信號(hào)。民航的定位和姿態(tài)獲取及其容易受到衛(wèi)星的影響。同時(shí)，GPS定位系統(tǒng)技術(shù)掌握在美國(guó)手中，如果我國(guó)要使用這一技術(shù)，就始終受制于人。而GPS定位系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)就可以有效避免這一現(xiàn)象，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋于我國(guó)的全部領(lǐng)土，受我國(guó)自主控制住，因此，既可以避免民航受衛(wèi)星故障的影響，也可以保證民航飛行不受外國(guó)影響。

民航在巡航時(shí)一直處于高動(dòng)態(tài)階段，因此北斗導(dǎo)航系統(tǒng)使用期間定位誤差較大，往往會(huì)導(dǎo)致定位誤差，影響飛行速度和范圍。GPS系統(tǒng)的三維定位和北斗系統(tǒng)的信息接收能力相結(jié)合，就能和地面中樞建立準(zhǔn)確的聯(lián)系，保證飛行的速度和質(zhì)量，提高民航飛行效率。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還是建立與地面監(jiān)控中心之上，通過(guò)對(duì)設(shè)備的合理之后，將地面的網(wǎng)絡(luò)連接到衛(wèi)星導(dǎo)航運(yùn)營(yíng)中心，以此強(qiáng)化監(jiān)控，發(fā)揮指揮的職能。在民航飛機(jī)在導(dǎo)航區(qū)域內(nèi)，離崗調(diào)度系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行分析，合理規(guī)劃航線(xiàn)，搜集準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)傳輸給地面中樞。GPS定位和北斗系統(tǒng)組合的導(dǎo)航系統(tǒng)能和地面中心及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸送，保證航線(xiàn)合理規(guī)劃，引導(dǎo)飛機(jī)安全降落，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)還能對(duì)民航飛機(jī)附近的空域進(jìn)行監(jiān)控，確保飛行安全，讓導(dǎo)航員觀(guān)察整體空域的情況。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)促使我國(guó)自主導(dǎo)航系統(tǒng)更具影響力，提高衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)水平。但是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中還需注意，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)如果要應(yīng)用在民航中，就要和民航局加強(qiáng)溝通，考慮到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于航空領(lǐng)域的意義，逐步完善相關(guān)功能，提高定位精度。這是一種權(quán)限的飛行運(yùn)行方式，對(duì)行業(yè)安全具有一定保障，如果采用GPS定位和北斗系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，飛行品質(zhì)能有所提高，地面設(shè)施投入也會(huì)減少。GPS定位系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)組合在民航中能創(chuàng)造更好的實(shí)施效果，帶來(lái)更穩(wěn)定的導(dǎo)航功能，可以說(shuō)是一項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性的新興技術(shù)。

4 GPS定位和北斗系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的必須性和需求分析

4.1 必須性

我國(guó)空域管理較為特殊，民航僅有十分之一的資源使用權(quán)。而美國(guó)恰好相反，民航有90%的空域資源使用權(quán)，這一政策極大繁榮了美國(guó)的民航產(chǎn)業(yè)。我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中，航空出行已經(jīng)逐漸變得普遍，越來(lái)越大的需求受到了空域組員的制約。如果我國(guó)民航飛行能有更準(zhǔn)確的定位，規(guī)劃更適當(dāng)?shù)穆肪€(xiàn)，對(duì)空域管理和飛行安全都是有效的保證。

4.2 需求分析

在民航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，不僅帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益也產(chǎn)生了社會(huì)效益。玉樹(shù)地震中，因?yàn)橛駱?shù)機(jī)場(chǎng)的建立，讓大批的傷員可以快速運(yùn)轉(zhuǎn)到其他地區(qū)接受治療。在救援的同時(shí)，大量的物資也通過(guò)航空的方式進(jìn)入災(zāi)區(qū)。我國(guó)西南地區(qū)海拔較高，山高林密，建立機(jī)場(chǎng)難度較大，而傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式精度低，只能采取直線(xiàn)飛行，這樣在高海拔、樹(shù)林密集的地區(qū)無(wú)法保障飛行安全，這一迫切的局面，是對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星變革的需求。

4.3 產(chǎn)業(yè)前景

當(dāng)前全球民航導(dǎo)航都由美國(guó)單方面提供，是處于壟斷的局面。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有助于我國(guó)打破這一局面，保障國(guó)家安全。以防在非和平時(shí)期美國(guó)等國(guó)家取消對(duì)我國(guó)的導(dǎo)航服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航的社會(huì)運(yùn)用越來(lái)越廣泛，產(chǎn)業(yè)前景良好，能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)利益，在技術(shù)成熟后，“北斗二號(hào)”也可以向海外推廣，搶占全球市場(chǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主獨(dú)立研發(fā)的，已經(jīng)是趨于成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在民航產(chǎn)業(yè)中的使用也越來(lái)越廣泛。在新航行系統(tǒng)的環(huán)境下，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在飛機(jī)飛行階段能提高其飛行質(zhì)量和自動(dòng)化程度。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋了中國(guó)所有領(lǐng)土，提供24小時(shí)的航空服務(wù)，沒(méi)有通信盲區(qū)，在航空領(lǐng)域逐漸凸顯出其重要性。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)不受地形和地理位置的影響，能為飛行提供全天候的技術(shù)保障，提高航空安全性。通過(guò)GPS定位和北斗導(dǎo)航組合系統(tǒng)的必須性和需求分析，我們了解到當(dāng)前全球民航導(dǎo)航處于壟斷的局面，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有助于我國(guó)打破這一局面，保障國(guó)家安全。飛行中更精準(zhǔn)的定位，更適當(dāng)?shù)穆肪€(xiàn)，都是導(dǎo)航衛(wèi)星變革的需求。

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