基于北斗的民航追蹤監(jiān)視體系應用發(fā)展綜述

任 奇 陶志平 孟 斌 周中華 何大海 張承皓 /文

監(jiān)視技術是現(xiàn)代民航運行及空中交通管理的重要技術基礎。目前主要通過航空器通信尋址報告系統(tǒng)（ACARS）、廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）和雷達等監(jiān)視方式實現(xiàn)。本文對國內(nèi)外追蹤監(jiān)視體系發(fā)展歷程進行概述，然后結合國內(nèi)北斗天基資源全球化的服務，分析國內(nèi)未來監(jiān)視技術的應用和發(fā)展趨勢。

2014 年3 月，馬航MH370 失聯(lián)在全球引發(fā)極大震動，國際民航組織（ICAO）各成員國及全球業(yè)界正系統(tǒng)推進航空器追蹤監(jiān)控工作。習總書記提出了重要批示，要求加強航空安全保障體系、航空安全監(jiān)控能力、技術裝備支撐能力和應急反應處置能力監(jiān)視。監(jiān)視技術是現(xiàn)代民航運行及空中交通管理的重要技術基礎。

中國民航局于2016 年底啟動中國民航航空器全球追蹤監(jiān)控體系建設工作，旨在全面提升我國在民用航空器的全球追蹤監(jiān)控能力，加強我國航空安全保障體系建設，并提出了“先通用后運輸，先監(jiān)視后導航”的“北斗”應用實施策略。目前，將北斗作為我國民用航空的主用導航系統(tǒng)，可使我國民航擺脫對國外GNSS 星座的依賴，在保障飛行安全和提高運行效率方面發(fā)揮重要作用。此外，民用航空是最高端用戶，推進北斗在民航追蹤監(jiān)視領域應用，是服務國家戰(zhàn)略與國家安全大局的重要需要，是推進國家空管體制改革大局的需要，是進一步提升民航安全水平的需要，也是提升中國民航國際競爭力與話語權的需要。

監(jiān)視是飛機安全飛行和空中交通管理的基礎。獨立監(jiān)視手段主要有一次監(jiān)視雷達（PSR）、A/C/S 模式二次雷達（SSR）及自動相關監(jiān)視等。自動相關監(jiān)視依靠航空器自主定位和報告實現(xiàn)，該監(jiān)視手段主要有約定式自動相關監(jiān)視（ADS-C）和廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B），其中ADS-B 技術在民航得到廣泛應用。而在國內(nèi)，由于北斗短報文系統(tǒng)的優(yōu)勢，在民航系統(tǒng)中越來越得到重視，是在基于星基的ADS-B技術成熟之前的一種重要手段。

ACARS 監(jiān)視系統(tǒng)構成示意圖

二次雷達詢問和應答監(jiān)視系統(tǒng)構成示意圖

國外民航監(jiān)視體系發(fā)展現(xiàn)狀

飛機通信尋址與報告系統(tǒng)（ACARS）ACARS系統(tǒng)由美國ARINC 公司在20 世紀70 年代開發(fā)，并于1978 年正式投入使用，使空地之間的通信由單純的語音通信擴展為現(xiàn)階段的語音和數(shù)字電報（ACARS報文）兩種方式，實現(xiàn)了空地通信系統(tǒng)的重大變革，得到國際民航界的普遍認同。系統(tǒng)高達99.999%的有效性和方便的空地數(shù)據(jù)傳輸方式，是民航最值得信賴、最為可靠的空地通信系統(tǒng)。但傳輸延時、信道競爭和速度較低等問題也隨著民航業(yè)務量的迅速膨脹成為制約ACARS 空地數(shù)據(jù)鏈高速發(fā)展的技術瓶頸。

二次雷達20 世紀70 年代初，計算機技術和雷達結合實現(xiàn)了航管雷達的全自動化。航管二次雷達是指提供地面對空中交通監(jiān)視和管制用的二次雷達系統(tǒng)。地面上設置掃描詢問雷達，飛機上裝有雷達應答機，兩者在L 頻率上呼應工作。地面雷達將收到飛機發(fā)來的應答信號經(jīng)處理后，能在平面位置顯示器上顯示目標光點，位置對應于飛機的方位和距離。這一系統(tǒng)在1957 年被國際民航組織采納為標準的空中交通監(jiān)視系統(tǒng)。這個系統(tǒng)極大改善了空中管制環(huán)境，提高了管制效率，可用于重大任務保障和應急保障等。

ADS-BADS-B 是國際民航組織確定的未來主要監(jiān)視技術，是利用空地、空空數(shù)據(jù)通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的一種航行新技術。該技術將衛(wèi)星導航、通信技術、機載設備以及地面設備等先進技術相結合，為飛行提供了更加安全、高效的監(jiān)視手段，擴大了監(jiān)視覆蓋范圍，有效提高了空中交通安全水平、空域容量與運行率，它不需飛行員干預和地面詢問，自動周期性向所有用戶廣播監(jiān)視數(shù)據(jù)，提供航空器的位置、高度、速度、方向和識別碼等信息，其監(jiān)視數(shù)據(jù)依賴機載設備（如氣壓高度表）、導航信息來源于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS 等。目前，ADS-B技術逐漸成熟，ADS-B 系統(tǒng)已經(jīng)成為世界各國新空中交通管理系統(tǒng)的重要組成部分。

美國、歐洲等發(fā)達國家不僅把ADS-B 作為下一代空管的核心技術，而且還在積極探索開發(fā)ADS-B 的其他擴展應用，包括利用低軌衛(wèi)星星座構建ADS-B 網(wǎng)絡，實現(xiàn)對航空平臺的全球無縫監(jiān)視。其中：美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）“新一代航空運輸系統(tǒng)”（NGATS）計劃中提出新一代空中交通系統(tǒng)NextGen 計劃，旨在基于星基的ADS-B 技術實現(xiàn)全球航空器實時追蹤；歐洲“單一天空計劃”提出在監(jiān)視方面，ADS-B 為飛機全球追蹤提供技術手段，確保2025 年實現(xiàn)全歐洲范圍內(nèi)一體化、無縫式空中交通管理系統(tǒng)，促進歐洲范圍內(nèi)的空中活動安全有序，并最大限度地提高歐洲空域容量和空管效率。目前較為成熟的有“銥星二代”系統(tǒng)和“全球星二代”系統(tǒng)。

國內(nèi)民航監(jiān)視體系發(fā)展現(xiàn)狀

ACARS中國民航約有97%的運輸飛機已經(jīng)安裝了ACARS 系統(tǒng)，因此，現(xiàn)階段使用ACARS 位置報告對國際航班及運行于偏遠地區(qū)的航班實施例行航空器追蹤監(jiān)控的硬件條件已初步具備。

民航局于2016 年6 月組織開展了航空器全球追蹤監(jiān)控區(qū)域演示驗證，國航、東航、南航、海航等4家航空公司在13 個典型運行區(qū)域的42 條航線、89 個航段參與演示驗證。數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析結果顯示，國際運行中實施基于ACARS 的4D/15 追蹤可有效覆蓋海洋、極地等運行區(qū)域，總體4D/15 追蹤符合率超過93%，30 分鐘內(nèi)能夠自行恢復的4D/15 追蹤符合率超過98%。

可見，航空公司建立基于ACARS 等現(xiàn)有技術的正常航班全球追蹤監(jiān)控能力。同時，民航局下發(fā)了《航空承運人航空器追蹤監(jiān)控實施指南》咨詢通告，實現(xiàn)中國民航各航空公司在中國九大飛行情報區(qū)外運行的航班滿足4D/15 追蹤要求，并完成相關補充運行合格審定工作。

二次雷達二次雷達能夠獲得飛機的代碼、距離、方位、高度等信息，是我國目前主要的空管監(jiān)視數(shù)據(jù)源。據(jù)了解，目前國內(nèi)民航空管系統(tǒng)共有13 套移動二次雷達設備、100 多套二次雷達設備。其中，國內(nèi)絕大部分機場采用單脈沖二次雷達，只有北京首都機場安裝有2 部、上海虹橋機場裝有1 部帶有S 模式的法國THALES 公司生產(chǎn)的二次雷達。目前，我國民航進入了一個大規(guī)模的雷達更新?lián)Q代的基礎建設階段，S 模式雷達正在逐步取代目前的常規(guī)二次雷達，成為主要的二次雷達采購類型。

廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng)構成示意圖

ADS-B中國民用航空局于2017 年12 月26 日下發(fā)明傳電報《關于ADS-B 機載設備加改裝相關工作要求的通知》（局發(fā)明電[2017]3685 號），為大型飛機公共運輸合格證持有人如何加改裝ADS-B 機載設備提出了明確的要求。通知要求，在2022 年12 月31日前，安裝滿足RTCA DO-260B 標準并經(jīng)相關適航批準的S 模式應答機；安裝具備SA AWARE 功能，或安裝通過星基增強系統(tǒng)增強GNSS 信號并經(jīng)過相關適航批準的衛(wèi)星定位信號或接收設備。

中國國際貨運航空公司于2019 年2 月1 日至2月17 日完成了首架波音757 飛機滿足DO-260B 標準的ADS-B Out 系統(tǒng)改裝工作。預計未來幾年，國內(nèi)將陸續(xù)迎來ADS-B 改裝的高潮，各航空公司和國內(nèi)民航維修企業(yè)應提前謀劃，積極應對。

我國民航領域?qū)娇掌髯粉櫛O(jiān)視的訴求是全球覆蓋、自主可控。目前，中國民航約有97%運輸飛機已安裝了ACARS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地面網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域使用地面基站，在地面網(wǎng)絡盲區(qū)使用衛(wèi)星通信，是當前追蹤監(jiān)控的主要手段，但由ARINC（ACARS 系統(tǒng)國際運營商）運營，無法自主可控，需繳納大額服務費用。而部署于機場的二次雷達、部署于航路的ADS-B 地面臺站均存在覆蓋盲區(qū)，無法解決全球覆蓋問題。

基于北斗的民航追蹤監(jiān)視體系發(fā)展

民航局在發(fā)布的《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設實施路線圖》和《中國民航北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用實施路線圖》中明確指出，利用國家自主可控天基信息資源，推動以“北斗”為代表的國產(chǎn)裝備在民航的應用，積極推進自主知識產(chǎn)權技術和標準在國際上的應用于引領，推動北斗技術在民航領域的應用，填補民航追蹤監(jiān)視應用上自助可控技術的空白。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供定位、導航、授時和短報文服務的國家重要空間基礎設施。北斗的定位以及獨有的短報文功能，為民航航空器追蹤監(jiān)視提供了技術支撐，能夠滿足民航追蹤監(jiān)視體系的要求。

基礎設施建設2018 年12 月27 日，北斗系統(tǒng)服務范圍由區(qū)域擴展為全球，北斗系統(tǒng)正式邁入全球時代。2020 年6 月23 日，我國成功發(fā)射北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，至此北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署比原計劃提前半年全面完成建設。北斗的定位、全球和區(qū)域短報文功能，能夠滿足全球覆蓋內(nèi)的航空器追蹤監(jiān)視要求，也是當前作為可行的自主追蹤監(jiān)視手段。只要能夠在適航認證等方面取得突破，就可以完全替代GPS，解決當前民航自主可控發(fā)展關鍵問題，為民航提供優(yōu)質(zhì)的定位數(shù)據(jù)服務。

政策環(huán)境2014 年3 月，馬航MH370 失聯(lián)在全球引發(fā)了極大震動，國際民航組織（ICAO）各成員國及全球業(yè)界正系統(tǒng)推進航空器追蹤監(jiān)控工作。習總書記做出重要批示，要求加強航空安全保障體系、航空安全監(jiān)控能力、技術裝備支撐能力和應急反應處置能力建設。

2017 年7 月，民航局在發(fā)布的《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設實施路線圖》中明確指出，2025 年底建成基于自主知識產(chǎn)權的航空器全球追蹤系統(tǒng)，并形成相關標準。

2019 年12 月，民航局在發(fā)布的《中國民航北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用實施路線圖》中明確指出，推動以“北斗”為代表的國產(chǎn)裝備在民航的應用，積極推進自主知識產(chǎn)權技術和標準在國際上的應用與引領。

適航標準民航作為一個高度全球化的行業(yè)，所運行的相關技術與行業(yè)標準均與國外同步，因此，北斗導航系統(tǒng)要進入民航領域，首先要完成國際標準化，即把北斗的信號機制和相應的設備終端寫入到國際民航組織（ICAO）行業(yè)標準中。概括地說，國際標準化是推進北斗在民用航空和運輸航空應用的基礎和前提，北斗在民航應用的最終目標是國際標準化。

2011—2018 年，我國先后參加16 次ICAO 導航系統(tǒng)專家組會議，在ICAO 的統(tǒng)一框架下不斷推進北斗SARPs 的更新。2019 年8 月，民航局航空器試航審定司發(fā)布《僅用作航空器追蹤的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）機載設備》技術標準，用于推進北斗在民用航空器追蹤監(jiān)視的應用。同時，隨著北斗三號面向全球提供服務，2019 年12 月，據(jù)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其介紹，北斗國際標準正快速推進，北斗全球信號技術指標基本完成驗證，計劃明年進入國際民航組織標準。

飛機加改裝2019 年3 月，由中國國際航空公司、民航大學聯(lián)合承擔的民航局“民用航空器北斗追蹤監(jiān)視項目”正式實施，整體目標為2019 年完成2 架飛機加改裝，2020 年完成18 架飛機加改裝，2023 年實現(xiàn)全部機隊共約3000 架飛機加改裝。該示范項目的立項，標志著民用航空器北斗追蹤監(jiān)視項目進入正式實施階段。

民航局發(fā)布的基于北斗二號系統(tǒng)的機載設備CTSOA 技術標準及組織開展的飛機加改裝工作，使北斗在我國民航的應用進入實施階段。隨著未來北斗國際標準的推進，基于北斗的追蹤監(jiān)視體系將由區(qū)域擴展到全球，真正實現(xiàn)全球無盲區(qū)的民用航空器追蹤。將北斗短報文作為追蹤監(jiān)視體系建設的重要部分，能夠完善我國民航全球追蹤監(jiān)視體系的建設。結合ACARS、ADS-B、二次雷達等傳統(tǒng)地面監(jiān)控設施，將構建天、空、地一體的民航追蹤監(jiān)視體系，不斷提高民航服務性能，由區(qū)域向全球服務擴展，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)無縫空域監(jiān)視和空中?交通管理。