GNSS民航應(yīng)用服務(wù)性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)發(fā)展思考

李宏肖，王 巍，姚午偉

GNSS民航應(yīng)用服務(wù)性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)發(fā)展思考

李宏肖1，王 巍2，姚午偉3

（1 民航空管技術(shù)裝備發(fā)展有限公司，北京 100015；2 中國(guó)民用航空局空中交通管理局，北京 100022；3 中國(guó)民用航空華北地區(qū)管理局，北京 100621）

目前以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）為主要定位、導(dǎo)航和授時(shí)源的基于性能的導(dǎo)航（PBN）、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）等技術(shù)應(yīng)用在國(guó)際民航領(lǐng)域大規(guī)模展開，GNSS空間信號(hào)的性能對(duì)于民航安全運(yùn)行的作用十分關(guān)鍵。按照國(guó)際民航組織（ICAO）的有關(guān)規(guī)定，對(duì)GNSS信號(hào)的服務(wù)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估是使用GNSS要素的必要條件。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外GNSS服務(wù)性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作的現(xiàn)狀，對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)有關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提出了建議。

GNSS；服務(wù)性能評(píng)估；導(dǎo)航；民航應(yīng)用

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）能夠提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)（Position，Navigation and Timing，PNT）應(yīng)用服務(wù)，GNSS已經(jīng)成為基于性能導(dǎo)航（Performance-Based Navigation，PBN）、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）和四維航跡（4DT）的導(dǎo)航定位和時(shí)間基礎(chǔ)，GNSS還提供用于各種系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同步的通用時(shí)間基準(zhǔn)。

目前國(guó)際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）認(rèn)可的GNSS包括：美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）以及我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）等四個(gè)核心星座。為了滿足航空應(yīng)用需求，必須對(duì)GNSS增強(qiáng)，GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)主要分為空基增強(qiáng)系統(tǒng)（Airborne Based Augmentation System，ABAS）、星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）和地基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground–Based Augmentation System，GBAS）等三大類；其中，SBAS主要有美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）、歐洲的地球同步導(dǎo)航覆蓋服務(wù)（European Geo Stationary Navigation Overlay System，EGNOS）、我國(guó)的北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Beidou Satellite-Based Augmentation System，BDSBAS）、日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS）、印度的GPS輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（The GPS Aided GEO Augmentation Navigation，GAGAN）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（System of Differential Corrections and Monitoring，SDCM）和韓國(guó)增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)（South-Korea Augmentation Satellite System，KASS）等。

GNSS信號(hào)傳播距離長(zhǎng)，到達(dá)用戶接收機(jī)天線的信號(hào)功率低，因此容易受到多種因素的影響，可能導(dǎo)致基于GNSS的服務(wù)降級(jí)或中斷。影響因素除了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身原因外，主要包括非蓄意干擾、蓄意干擾和欺騙性干擾、頻譜管制以及電離層和太陽(yáng)活動(dòng)的影響。

1 GNSS民航應(yīng)用監(jiān)測(cè)評(píng)估需求

ICAO對(duì)于GNSS空間信號(hào)性能要求做了明確規(guī)定，具體如表1所示[1]。從表1中可以看出，GNSS在民航領(lǐng)域應(yīng)用，其精度、完好性、連續(xù)性和可用性等性能需要滿足不同運(yùn)行場(chǎng)景的需求。

表1 GNSS空間信號(hào)性能要求

ICAO國(guó)際民用航空公約附件10《航空電信》卷I中建議批準(zhǔn)基于GNSS業(yè)務(wù)的國(guó)家應(yīng)該確保記錄與業(yè)務(wù)有關(guān)的GNSS數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要用于事故和事故證候調(diào)查，還可以支持定期確認(rèn)準(zhǔn)確性、完好性、連續(xù)性和可用性保持在批準(zhǔn)的運(yùn)行所要求的限度內(nèi)；記錄應(yīng)該至少保留14天，當(dāng)記錄與事故和事故調(diào)查有關(guān)時(shí)，應(yīng)將其保留更長(zhǎng)時(shí)間，直到明顯不再需要它們?yōu)橹埂４送?，?duì)于需要記錄的數(shù)據(jù)類型和記錄內(nèi)容等均做了詳細(xì)的規(guī)定。

ICAO Doc 9849《GNSS手冊(cè)》規(guī)定為實(shí)施基于GNSS的服務(wù)，國(guó)家應(yīng)完成、批準(zhǔn)或接受對(duì)GNSS的安全評(píng)估，從而支持相關(guān)培訓(xùn)、空域、儀表程序、空中交通管理（ATC）程序的實(shí)施，以及相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)，使其符合相關(guān)規(guī)章。GNSS性能評(píng)估用于各國(guó)為了實(shí)現(xiàn)定期驗(yàn)證其已宣布可運(yùn)行信號(hào)的性能（如GPS L1和GLONASS L1）；收集關(guān)于技術(shù)要素的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以支持新的GNSS信號(hào)和/或星座（如GPS L5，GLONASS L3，BDS和Galileo）在特定空域應(yīng)用的業(yè)務(wù)批準(zhǔn)決定。此外，對(duì)于GNSS的性能評(píng)估、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)記錄等均制定了詳細(xì)規(guī)定，并建議可以通過(guò)建設(shè)專門的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)以上的要求[2]。

ICAO Doc 9613《PBN手冊(cè)》對(duì)以GNSS為導(dǎo)航源的區(qū)域?qū)Ш椒?wù)性能監(jiān)測(cè)做出了相應(yīng)規(guī)定，提供進(jìn)近管制服務(wù)的機(jī)場(chǎng)管制塔臺(tái)和單位，在實(shí)施基于GNSS的相關(guān)機(jī)場(chǎng)進(jìn)近、著陸和起飛等程序時(shí)，應(yīng)及時(shí)提供相關(guān)無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)運(yùn)行狀況信息[3]。

從ICAO以上有關(guān)要求可以看出，對(duì)GNSS的服務(wù)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估是GNSS應(yīng)用的必要條件之一，也是保障運(yùn)行安全的重要手段。

2 國(guó)內(nèi)外GNSS民航應(yīng)用監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)現(xiàn)狀

為滿足基于GNSS的民航運(yùn)行安全要求，美國(guó)、歐洲和俄羅斯等國(guó)均已開展了GNSS脆弱性評(píng)估和性能監(jiān)測(cè)工作，不同國(guó)家和地區(qū)采取了各種不同的方式進(jìn)行。

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀

（1）美國(guó)

美國(guó)不同機(jī)構(gòu)分別對(duì)GPS核心星座及WAAS進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估。

1）針對(duì)GPS核心星座的性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估

GPS核心星座由美國(guó)國(guó)防部（United States Department of Defense，DOD）負(fù)責(zé)開發(fā)和運(yùn)營(yíng)工作，GPS為民航提供L1 C/A信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（Standard Positioning Service，SPS）。DOD發(fā)布GPS SPS性能標(biāo)準(zhǔn)，并定期發(fā)布GPS SPS性能分析報(bào)告（一般為每年度）。GPS星座的運(yùn)維信息通過(guò)美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)網(wǎng)站的NANU報(bào)文進(jìn)行發(fā)布，用戶需要進(jìn)行訂閱。

美國(guó)聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）負(fù)責(zé)基于GPS相關(guān)應(yīng)用的審查，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式提供預(yù)測(cè)服務(wù)，包括ADS-B服務(wù)可用性預(yù)測(cè)工具、飛行前偏差授權(quán)工具、RAIM預(yù)測(cè)工具等。此外，F(xiàn)AA將根據(jù)星座運(yùn)維信息（NANU報(bào)文）提供NTOAM服務(wù)，并在軍事干擾測(cè)試活動(dòng)前發(fā)布NOTAM，通知受影響的應(yīng)用（WAAS、ADS-B、GBAS等）、受影響區(qū)域等。

FAA依靠其1993年建設(shè)的WAAS原型系統(tǒng)——國(guó)家衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)（National Satellite Testing，NSTB）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的性能監(jiān)測(cè)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式予以發(fā)布，并定期公布性能分析報(bào)告等。

2）針對(duì)WAAS的性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估

WAAS是美國(guó)的SBAS，由FAA負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)維；在WAAS建設(shè)前，其建立了國(guó)家衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)（NSTB），以開發(fā)和測(cè)試實(shí)施WAAS所需的算法，硬件和概念等，在全國(guó)部署了18個(gè)參考站。

在WAAS投入使用前，F(xiàn)AA在其威廉·休斯技術(shù)中心成立了WAAS測(cè)試團(tuán)隊(duì)，持續(xù)開展對(duì)WAAS的性能監(jiān)測(cè)。2003年7月，WAAS開始提供初始服務(wù)。WAAS由38個(gè)廣域監(jiān)測(cè)站（其中20個(gè)在美國(guó)本土、7個(gè)在阿拉斯加、4個(gè)在加拿大、1個(gè)在夏威夷、1個(gè)在波多黎各，另外5個(gè)在墨西哥）、3個(gè)廣域主控站、3顆地球同步衛(wèi)星、4個(gè)地面上行注入站、2個(gè)操作控制中心以及陸地通信網(wǎng)絡(luò)組成。

WAAS系統(tǒng)投入使用后，NSTB系統(tǒng)主要用于對(duì)GPS和WAAS的服務(wù)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，依然由FAA威廉·休斯技術(shù)中心的WAAS測(cè)試團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，并通過(guò)http://www.nstb.tc.faa.gov/網(wǎng)址對(duì)外提供服務(wù)（含實(shí)時(shí)、歷史性能和季度性能分析報(bào)告等）；其中，用于進(jìn)行性能分析的原始數(shù)據(jù)來(lái)源于部分NSTB監(jiān)測(cè)站和部分WAAS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站。

目前，F(xiàn)AA已批準(zhǔn)用于目視飛行規(guī)則（IFR）運(yùn)行的GPS和WAAS，F(xiàn)AA監(jiān)控WAAS和GPS服務(wù)性能，以確保在國(guó)家空域系統(tǒng)中安全有效地使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)性能進(jìn)行分析，能夠?qū)崿F(xiàn)：通過(guò)表征重要的性能參數(shù)來(lái)評(píng)估和監(jiān)控WAAS增強(qiáng)GPS的能力；分析GPS衛(wèi)星運(yùn)行和維護(hù)以及電離層活動(dòng)對(duì)WAAS性能的影響；調(diào)查GPS和WAAS異常并確定潛在的用戶影響；存檔GPS和WAAS性能以供將來(lái)評(píng)估。

（2）歐洲

1）針對(duì)Galileo核心星座的性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估

Galileo是由歐盟建設(shè)，歐洲GNSS機(jī)構(gòu)（GSA）負(fù)責(zé)管理，并通過(guò)合同的方式選擇星座服務(wù)運(yùn)營(yíng)商。GSA于2018年成立了Galileo參考中心（GRC），該中心獨(dú)立于Galileo系統(tǒng)和其服務(wù)運(yùn)營(yíng)商，主要評(píng)估Galileo星座空間信號(hào)質(zhì)量和服務(wù)運(yùn)營(yíng)商的性能，利用自身搜集的數(shù)據(jù)并與會(huì)員國(guó)合作，生成性能評(píng)估產(chǎn)品和報(bào)告。

歐洲航行安全組織（Eurocontrol）通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的方式提供RAIM預(yù)測(cè)服務(wù)以及相關(guān)NOTAM服務(wù)，后續(xù)將通過(guò)GRC和EGNOS運(yùn)營(yíng)服務(wù)商（ESSP）提升相關(guān)方面的服務(wù)。

2）針對(duì)EGNOS的性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估

EGNOS是歐洲的SBAS，由歐盟負(fù)責(zé)建設(shè)，目前GSA通過(guò)合同的方式交由其運(yùn)營(yíng)服務(wù)商（ESSP）提供服務(wù)。歐洲在部署EGNOS之前，歐洲航天局（ESA）實(shí)施了EGNOS系統(tǒng)測(cè)試床（ESTB），該測(cè)試床作為EGNOS的原型，前期具有10個(gè)監(jiān)測(cè)站。在此階段，Eurocontrol負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和執(zhí)行EGNOS原型的運(yùn)行驗(yàn)證，并提出民航應(yīng)用需求、定義運(yùn)行測(cè)試用以驗(yàn)證信號(hào)；此外，開發(fā)了用于性能分析的PEGASUS分析工具，并建立了6個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，用于數(shù)據(jù)收集，并在每周對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析。

ESTB一直提供服務(wù)至EGNOS正式投入運(yùn)行。EGNOS于2009年完成建設(shè)和開發(fā)，系統(tǒng)包括40個(gè)測(cè)距與完好性監(jiān)測(cè)站（RIMS）、4個(gè)主控制中心（MCC）和6個(gè)地面導(dǎo)航信息注入站（NLES）。自從2009年開始，EGNSO的運(yùn)營(yíng)由歐盟委員會(huì)通過(guò)合同的方式交給歐洲衛(wèi)星服務(wù)提供商（ESSP）負(fù)責(zé)。ESSP持續(xù)開展對(duì)EGNOS的性能分析，并通過(guò)https://egnos-user-support.essp-sas.eu/new_egnos_ops/網(wǎng)站、手機(jī)端等提供信息服務(wù)。EGNOS的服務(wù)包括公開服務(wù)（OS）、生命安全（SOL）服務(wù)、數(shù)據(jù)獲取服務(wù)和授時(shí)服務(wù)等，并提供實(shí)時(shí)、歷史性能分析及未來(lái)性能預(yù)測(cè)等。

EGNOS在2011年3月2日通過(guò)生命安全應(yīng)用認(rèn)證，宣布其實(shí)時(shí)服務(wù)安全性可用于航空。Eurocontrol在GNSS運(yùn)行有關(guān)工作中保持與歐盟委員會(huì)、歐洲航天局、GSA及FAA的合作關(guān)系，并開展對(duì)衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)控，主要提供RAIM服務(wù)，并發(fā)布GPS/RAIM NOTAM；后續(xù)也將通過(guò)Galileo的參考中心（GRC）和ESSP的信息提升該方面的服務(wù)。

（3）俄羅斯

俄羅斯主要通過(guò)使用衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）地面站網(wǎng)絡(luò)作為區(qū)域監(jiān)視數(shù)據(jù)源，在俄羅斯聯(lián)邦的幾乎所有主要機(jī)場(chǎng)都安裝了經(jīng)認(rèn)證的GLONASS/GPS LCCS-A-2000（GBAS）站點(diǎn)，截止2015年的數(shù)據(jù)，共有70多個(gè)地面站。建立基于多星座地面增強(qiáng)站網(wǎng)絡(luò)GBAS LCCS-A-2000的民用航空導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以降低成本和時(shí)間，使GNSS在俄羅斯民航系統(tǒng)中的使用成為可能。另外，俄羅斯也研發(fā)了固定式（LCS）和移動(dòng)式（MLCS）的本地監(jiān)測(cè)站，用于在部分地區(qū)部署。

俄羅斯地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要目的是根據(jù)國(guó)際民航組織的標(biāo)準(zhǔn)和建議措施要求，生成和提供有關(guān)GNSS狀態(tài)及其適用性的信息，分析關(guān)于本地射頻干擾（RFI）情況的實(shí)時(shí)GNSS信號(hào)狀態(tài)，向機(jī)組人員、ATC和航空公司提供有關(guān)獨(dú)立和差分模式下實(shí)際導(dǎo)航性能的相關(guān)數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行各種飛行運(yùn)行的許可，支持機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備。俄羅斯監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)https://spectr.gkovd.su（俄文）網(wǎng)站提供監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星性能。

2.2 我國(guó)現(xiàn)狀

（1）針對(duì)北斗系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估

我國(guó)北斗三號(hào)系統(tǒng)于2020年7月31日宣布正式開通，其服務(wù)包括核心星座提供的基本定位授時(shí)服務(wù)以及星基增強(qiáng)系統(tǒng)（BDSBAS）服務(wù)。我國(guó)于2011年成立了中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室測(cè)試評(píng)估研究中心，是由中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室與中國(guó)航天科技集團(tuán)公司聯(lián)合設(shè)立的，主要職責(zé)包括：建設(shè)與運(yùn)行“國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱iGMAS）”；建設(shè)與運(yùn)行“北斗地面仿真驗(yàn)證系統(tǒng)”；提供北斗用戶支持；開展北斗測(cè)試評(píng)估領(lǐng)域相關(guān)國(guó)際合作等。其中，iGMAS由分布全球的30個(gè)跟蹤站、3個(gè)數(shù)據(jù)中心、8個(gè)分析中心、1個(gè)監(jiān)測(cè)評(píng)估中心、1個(gè)產(chǎn)品綜合與服務(wù)中心和1個(gè)運(yùn)行控制管理中心組成。

此外，我國(guó)北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)（BDSBAS）民用服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)建設(shè)完成，具備提供初始服務(wù)的能力；該平臺(tái)在我國(guó)境內(nèi)建設(shè)了27個(gè)監(jiān)測(cè)站和2個(gè)數(shù)據(jù)處理中心及相關(guān)的信息服務(wù)系統(tǒng)；該平臺(tái)的主要作用是提供星基增強(qiáng)服務(wù)、應(yīng)用推廣、標(biāo)準(zhǔn)化和國(guó)際化等工作。BDSBAS民用服務(wù)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)支持為民航提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源。目前，我國(guó)民航正在開展BDSBAS民航應(yīng)用的驗(yàn)證評(píng)估工作。

（2）中國(guó)民航開展的有關(guān)工作

1）GNSS地基區(qū)域完好性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（GRIMS）試驗(yàn)平臺(tái)

2004年9月，民航局批復(fù)了GNSS地基區(qū)域完好性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（GRIMS）試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。GRIMS建設(shè)目標(biāo)是對(duì)GPS衛(wèi)星的完好性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建設(shè)了7個(gè)監(jiān)測(cè)站和一個(gè)主控站，監(jiān)測(cè)站分別位于北京、上海、哈爾濱、昆明、拉薩、三亞和烏魯木齊，主控站則位于北京。隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的建設(shè)，2015~2016年，民航數(shù)據(jù)通信有限公司對(duì)GRIMS進(jìn)行了升級(jí)，增加了對(duì)Galileo和北斗二號(hào)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力。

2）自主完好性預(yù)測(cè)（RAIM）系統(tǒng)

2007年，民航局空管局提出建設(shè)“RAIM可用性預(yù)測(cè)系統(tǒng)”項(xiàng)目，由數(shù)據(jù)公司和中國(guó)電科20所聯(lián)合承擔(dān)；2009年12月，民航局空管局通知有關(guān)用戶RAIM系統(tǒng)作為PBN運(yùn)行的重要輔助工具試用。該系統(tǒng)滿足我國(guó)民航飛行情報(bào)區(qū)的RAIM預(yù)測(cè)功能，通過(guò)RAIM預(yù)測(cè)，可以為全國(guó)機(jī)場(chǎng)（NPA）、航路及區(qū)域（RNAV1、RNAV2和RNAV5）提供預(yù)測(cè)。

2018年，在“東部地區(qū)民航廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）工程ADS-B一級(jí)數(shù)據(jù)中心和輔助系統(tǒng)”項(xiàng)目中完善了RAIM預(yù)測(cè)有關(guān)功能，可提供GPS RAIM預(yù)測(cè)服務(wù)和GPS ADS-B可用性預(yù)測(cè)服務(wù)；除滿足與原有版本等效的RAIM預(yù)測(cè)，新增提供了經(jīng)度5°×緯度5°格網(wǎng)點(diǎn)的GPS ADS-B區(qū)域預(yù)測(cè)的服務(wù)。該系統(tǒng)于2019年4月對(duì)外提供服務(wù)。

3）GNSS性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)工程

為了確保民航空管安全運(yùn)行，推進(jìn)北斗系統(tǒng)的民航應(yīng)用，履行國(guó)際民航組織有關(guān)責(zé)任要求的需要，民航局空管局2021年批復(fù)利用自有資金建設(shè)GNSS性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)工程。GNSS性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)將在全國(guó)建設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)站和1個(gè)主控中心及相關(guān)的信息服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)具備支持引接和處理其他GNSS監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)的能力。

該工程將建立對(duì)GPS、BDS（含BDSBAS）等導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、管理、發(fā)布等功能的信息服務(wù)平臺(tái)，對(duì)以上GNSS要素的運(yùn)行狀況和主要服務(wù)性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，提供實(shí)時(shí)的GPS和BDS完好性監(jiān)測(cè)與告警、GPS及BDS（含BDSBAS）的服務(wù)性能分析與評(píng)估、監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)下載等服務(wù)，支持我國(guó)民航安全有效的使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，服務(wù)于民航運(yùn)行、標(biāo)準(zhǔn)建立及衛(wèi)星導(dǎo)航新技術(shù)研究等各類應(yīng)用。此外，該工程同時(shí)支持BDSBAS民航應(yīng)用驗(yàn)證評(píng)估的部分工作。

按照民航局發(fā)布的《中國(guó)民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖》實(shí)施要求，該工程將在近期初步建成，實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)范圍GPS、BDS及BDSBAS的性能監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)向運(yùn)營(yíng)人發(fā)布監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。

3 GNSS民航應(yīng)用監(jiān)測(cè)評(píng)估的預(yù)期發(fā)展

3.1 GNSS民航應(yīng)用的發(fā)展

中國(guó)民航發(fā)布的《新時(shí)代民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)行動(dòng)綱要》中提出“建成空天地一體化、網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)通信、精密導(dǎo)航、綜合監(jiān)視系統(tǒng)，完成陸基向星基的轉(zhuǎn)變”、“推動(dòng)國(guó)產(chǎn)空管技術(shù)和裝備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)空管設(shè)備安全與技術(shù)自主可控”[5]。可見(jiàn)，在民航導(dǎo)航領(lǐng)域，陸基向星基過(guò)渡是必然的趨勢(shì)。

星基導(dǎo)航方面，未來(lái)GNSS的民航應(yīng)用將進(jìn)入雙頻多星座（DFMC）運(yùn)行的階段，將由各個(gè)國(guó)家空管部門推薦本空域允許使用的導(dǎo)航衛(wèi)星星座，并確保在其空域的空間信號(hào)健康可用。

DFMC GNSS提供了進(jìn)一步提高GNSS穩(wěn)健性、導(dǎo)航性能和運(yùn)行效益的機(jī)會(huì)，使用雙頻將有助于緩解電離層擾動(dòng)和無(wú)線電頻率干擾所致的薄弱環(huán)節(jié)，多星座將有助于緩解電離層閃爍和單星座內(nèi)衛(wèi)星不足的風(fēng)險(xiǎn)。這些技術(shù)上的改進(jìn)將有效提升運(yùn)行安全和運(yùn)行效益，例如，可顯著提高通信、導(dǎo)航和監(jiān)視（CNS）應(yīng)用的運(yùn)行可靠性，擴(kuò)大PBN在全球范圍的運(yùn)行部署，實(shí)現(xiàn)可靠的3D儀表進(jìn)近運(yùn)行，促進(jìn)引入新的運(yùn)行概念和應(yīng)用，并對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)施持續(xù)進(jìn)行合理化改造[4]。

《中國(guó)民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖》中提出，中國(guó)民航將大力推進(jìn)北斗系統(tǒng)應(yīng)用，積極構(gòu)建以北斗為核心的GNSS技術(shù)應(yīng)用體系，積極推動(dòng)以星基定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)為核心的新一代空中航行系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行。按照“從易到難，從便攜到機(jī)載，從監(jiān)視到導(dǎo)航，通用運(yùn)輸統(tǒng)籌推進(jìn)”的總體實(shí)施路徑，助力運(yùn)輸和通用航空業(yè)發(fā)展，到2035年底，構(gòu)建以北斗系統(tǒng)為核心的，與GPS等其他星座兼容互操作的雙頻多星座GNSS技術(shù)應(yīng)用體系，逐步實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)民航行業(yè)應(yīng)用“全覆蓋，可替代”，為運(yùn)輸、通用航空及無(wú)人駕駛航空器飛行提供精確完好、安全可靠的導(dǎo)航服務(wù)，為空中交通提供全空域監(jiān)視服務(wù)，全面提升民航安全水平、空域容量、運(yùn)行效率和服務(wù)能力，為新時(shí)代民航強(qiáng)國(guó)發(fā)展提供強(qiáng)大技術(shù)支撐，進(jìn)一步推動(dòng)北斗全球民航應(yīng)用[6]。

3.2 GNSS民航應(yīng)用服務(wù)性能監(jiān)測(cè)的發(fā)展

從前面介紹可以看出，歐、美、俄民航部門都陸續(xù)開發(fā)和建設(shè)了獨(dú)立于核心衛(wèi)星星座地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)之外的民用服務(wù)性能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并對(duì)外提供信息服務(wù)。中國(guó)民航通過(guò)前期有關(guān)GNSS監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建設(shè)和研究，積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；即將建設(shè)的GNSS性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)工程將進(jìn)一步提升我國(guó)民航在該領(lǐng)域的能力與信息服務(wù)水平。

預(yù)計(jì)在未來(lái)的一段時(shí)期內(nèi)，在有條件的國(guó)家或地區(qū)，GNSS民航應(yīng)用的服務(wù)性能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)保持與GNSS系統(tǒng)本身監(jiān)測(cè)網(wǎng)的獨(dú)立性；至于該獨(dú)立監(jiān)測(cè)網(wǎng)是民航有關(guān)部門自己建設(shè)，還是引接其他獨(dú)立監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，將根據(jù)本國(guó)或者本地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，可供各國(guó)選擇的替代辦法還包括國(guó)際全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)（IGS）、相關(guān)科學(xué)/研究機(jī)構(gòu)和專門的站點(diǎn)。同時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)需要考慮監(jiān)測(cè)接收機(jī)的選擇與選址，以及所需站點(diǎn)的密度和數(shù)量。接收機(jī)的選擇和選址過(guò)程中應(yīng)充分考慮到大氣效應(yīng)（電離層和平流層）、接收機(jī)噪聲、遮擋、無(wú)線電頻率干擾和多路徑等可能給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不利影響的所有因素；在確定特定地區(qū)部署站點(diǎn)的密度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要考慮到衛(wèi)星的幾何構(gòu)形、平流層延遲和電離層延遲模式等因素。

中國(guó)民航即將建設(shè)的GNSS性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，也將在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，不斷完善系統(tǒng)功能，形成滿足民航運(yùn)行的定制化服務(wù)產(chǎn)品。同時(shí)，該系統(tǒng)將長(zhǎng)期提供我國(guó)北斗系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和性能評(píng)估結(jié)果，為建立和完善北斗系統(tǒng)國(guó)際民航標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供必要的支持。此外，該工程將長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)估北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，為中國(guó)民航對(duì)基于GNSS相關(guān)飛行程序的運(yùn)行批準(zhǔn)提供必要的參考支持。

4 總結(jié)

本文從GNSS民航應(yīng)用背景與需求，以及國(guó)內(nèi)外GNSS民航應(yīng)用服務(wù)性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估的現(xiàn)狀等幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹分析，并結(jié)合分析研究、工程實(shí)踐和運(yùn)行需求等對(duì)未來(lái)GNSS民航應(yīng)用性能監(jiān)測(cè)評(píng)估進(jìn)行了展望，重點(diǎn)對(duì)我國(guó)該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展需求提出了建議。綜合以上闡述，GNSS民航應(yīng)用對(duì)其服務(wù)性能的監(jiān)測(cè)與評(píng)估十分必要且非常緊迫；國(guó)際民航界各主要機(jī)構(gòu)已相繼開展了卓有成效的工作，中國(guó)民航在推進(jìn)北斗民航應(yīng)用的進(jìn)程中，也在著力提升相關(guān)能力，并取得初期成效。相信隨著我國(guó)北斗事業(yè)進(jìn)入到全球服務(wù)新時(shí)代，中國(guó)民航在相關(guān)領(lǐng)域的工作將全面開啟新征程。

[1] ICAO. Annex 10 Aeronautical Telecommunications [Z]. Canada: ICAO, 2018.

[2] ICAO. Doc 9849 Global Navigation Satellite System (GNSS) Manual[Z]. Canada: ICAO, 2017.

[3] ICAO Doc 9613 Performance-based Navigation (PBN) Manual [Z]. Canada: ICAO, 2013.

[4] ICAO 《對(duì)附件10第I卷的修訂提案》（AN 7/62.1.4-21/41）（2021-07-06）.

[5] 中國(guó)民用航空局. 新時(shí)代民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)行動(dòng)綱要[EB/OL]. http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/ZFGW/ 201812/P020181212548784102983.pdf

[6] 中國(guó)民用航空局. 中國(guó)民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖[EB/OL]. http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/TZTG/201912/P020191213525396651648.pdf.

Development and Analysis for GNSS Civil Aviation Application Service Performance Monitoring and Assessment System

LI Hongxiao, WANG Wei, YAO Wuwei

GNSS has been widely used in civil aviation and provides positioning, navigation and timing sources for PBN and ADS-B technologies. The performance of GNSS space signals is critical to the safe operation of civil aviation. According to the relevant regulations of the ICAO, monitoring and evaluating the service performance of GNSS signals is a necessary condition for using GNSS elements. The current situation of GNSS service performance monitoring and evaluation at home and abroad is analyzed, expounds the future development trend of the system, and puts forward suggestions on domestic research and practice in related fields.

GNSS; Performance Evaluation, Navigation, Civil Aviation Application

V37

A

1674-7976-(2021)-06-410-06

2021-11-09。

李宏肖（1988.07—），內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槊窈娇展苄l(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用。