北斗在飛機(jī)精密進(jìn)近與著陸階段的應(yīng)用研究

姜毓琦周小明

（1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司四川分公司，四川 成都610000；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 211100）

0 引言

自第一顆北斗衛(wèi)星于2000年10月31日成功點火升空，到最后一顆北斗全球組網(wǎng)衛(wèi)星于2020年6月30日發(fā)射成功，歷經(jīng)20年時間攻關(guān)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）已經(jīng)實現(xiàn)了全球先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航功能，開始服務(wù)并在各領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。民用航空領(lǐng)域正在與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)加強(qiáng)應(yīng)用結(jié)合，未來必將取代全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）在商用飛機(jī)上的衛(wèi)星導(dǎo)航核心地位。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已進(jìn)入全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的頂級行列。

任何新技術(shù)或新設(shè)備要應(yīng)用在商用飛機(jī)的運(yùn)行，必須通過嚴(yán)格的適航驗證才能準(zhǔn)入。其中衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)在商用飛機(jī)的精密進(jìn)近和著陸階段起到至關(guān)重要作用，衛(wèi)星導(dǎo)航未來也將是商用飛機(jī)在飛行中大部分階段采用的導(dǎo)航方式。國內(nèi)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的商用飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸階段的導(dǎo)航應(yīng)用研究已開展多年。隨著成熟的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)投入全球服務(wù)，我國自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)勢必在商用飛機(jī)的航線運(yùn)行中被廣泛應(yīng)用和發(fā)展。本文就北斗衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)在商用飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸階段的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在商用飛機(jī)的應(yīng)用路徑

目前全球有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2000年首次發(fā)射衛(wèi)星，組網(wǎng)衛(wèi)星55顆，2012年覆蓋亞太地區(qū)開始投入使用，服務(wù)對象為軍民兩用；美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），1979年首次發(fā)射衛(wèi)星，組網(wǎng)衛(wèi)星24顆，1994年投入使用，服務(wù)對象為軍民兩用；俄羅斯的格洛納斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS），1982年首次發(fā)射衛(wèi)星，組網(wǎng)衛(wèi)星35顆，2009年投入使用，服務(wù)對象為軍民兩用；歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo），2005年首次發(fā)射衛(wèi)星，組網(wǎng)衛(wèi)星30顆，2008年投入使用，服務(wù)對象為民用。

其中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨(dú)立建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，向全球用戶提供全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和短報文等服務(wù)，向軍民領(lǐng)域開放使用。2018年年底，隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的北斗三號系統(tǒng)基本建成便開始提供高質(zhì)量的全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)。2020年，北斗最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功后，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以開展更全面、更穩(wěn)定的用戶服務(wù)，躋身世界頂尖衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

中國民航局于2019年正式發(fā)布《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》，提出要大力推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在商用飛機(jī)運(yùn)營中應(yīng)用，積極構(gòu)建以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用體系，推動以星基導(dǎo)航、定位、與授時技術(shù)為核心的新一代空中航行系統(tǒng)建設(shè)。這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國民航應(yīng)用的首個系統(tǒng)性實施路徑。明確要以“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)”為總體實施路徑，分步實施中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。根據(jù)實施計劃，中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施分為近期（2019—2021年）、中期（2022—2025年）和遠(yuǎn)期（2026—2035年）三個階段，每個階段均提出了本階段要完成的主要任務(wù)、實現(xiàn)本階段目標(biāo)需要具備的條件。

考慮到商用飛機(jī)運(yùn)營中嚴(yán)格的安全要求，以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成熟的時間原因，目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未在商用飛機(jī)運(yùn)營中廣泛使用。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與商用飛機(jī)結(jié)合應(yīng)用研究的逐步深入，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，商用飛機(jī)的運(yùn)營即將實現(xiàn)航路中起飛、巡航、進(jìn)近、著陸等各階段的定位、導(dǎo)航與授時。民航局的路線圖中指出：15～30年，將完成從陸基導(dǎo)航向星基導(dǎo)航轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)平穩(wěn)過渡的關(guān)鍵時期。從陸基導(dǎo)航向星基導(dǎo)航轉(zhuǎn)化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，推動北斗系統(tǒng)民航應(yīng)用是其中最核心任務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、短報文和授時功能已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)機(jī)場場面監(jiān)視、通用航空的監(jiān)視和定位等領(lǐng)域，也將為航空用戶提供B1I、B1C和B2a信號，其中B1C和B2a信號與GPS和Galileo有關(guān)信號兼容。中國北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)正在建設(shè)中，于2017年被國際民航組織接納為星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)商，為基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)投入商用飛機(jī)上使用奠定了基礎(chǔ)。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)概況

我國民用機(jī)場的飛機(jī)主要進(jìn)近著陸方式仍然以儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）為主，但是ILS著陸方式的航線很單一，全部為一條下滑直線，而且飛機(jī)截取ILS的航向道和下滑道時離機(jī)場的距離有約束條件，這就導(dǎo)致飛機(jī)沒有余度和其他更優(yōu)的著陸航線規(guī)劃。隨著我國商用飛機(jī)的數(shù)量逐年增加，機(jī)場空域的壓力日趨增大，為提高飛機(jī)進(jìn)場的效率亟須一種新的精密進(jìn)近和著陸導(dǎo)航方式。

利用衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)（GNSS Landing System，GLS）引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近和著陸是提高機(jī)場進(jìn)場效率的更優(yōu)方法。GLS是基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground-Based Augmentation System，GBAS）的著陸系統(tǒng)，其隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展將得到進(jìn)一步完善。由于GLS可以使用衛(wèi)星導(dǎo)航，進(jìn)近和著陸航線不再是單一的固定直線航線，不僅可以直線導(dǎo)航著陸，其他折線、曲線等方式的著陸航線都可以實現(xiàn)著陸。基于GLS的飛機(jī)進(jìn)近著陸航線如圖1所示。

圖1 GLS進(jìn)近著陸航線示意圖

如圖1所示，這極大增加進(jìn)近和著陸航線規(guī)劃的多樣性，可以縮小著陸前飛機(jī)的間隔，極大提高跑道利用率。根據(jù)中國民航局規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，飛機(jī)進(jìn)近著陸階段分三個等級（Category，CAT）：CAT I、CAT II和CAT III。CAT I運(yùn)行條件：決斷高不低于60 m（200英尺），能見度不小于800 m或跑道視程不小于550 m的精密進(jìn)近著陸。CAT II運(yùn)行條件：決斷高低于60 m（200英尺）但不低于30 m（100英尺），跑道視程不小于350米的精密進(jìn)近著陸。CAT III又包括：CAT IIIA、CAT IIIB與CAT IIIC，運(yùn)行條件是決斷高低于30 m（100英尺）或無決斷高，跑道視程不小于200 m或小于200 m且大于50 m或無跑道視程限制的精密進(jìn)近著陸。目前部分商用飛機(jī)，如空客A350，已具備基于ILS實現(xiàn)CAT III自動著陸的功能?；贕LS，目前美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）的局域增強(qiáng)系統(tǒng)在設(shè)計上可以達(dá)到CAT II/III類進(jìn)近與著陸的要求，但還未普遍應(yīng)用到商用飛機(jī)的航線運(yùn)營。由于GLS的顯著優(yōu)點是能提供給飛機(jī)多種且平滑的著陸航線，而ILS只能引導(dǎo)飛機(jī)高于或低于預(yù)定的固定直線飛行。對于地面空中管制人員安排飛機(jī)進(jìn)近著陸有更多選擇方式，必然提高飛機(jī)進(jìn)場的效率，間接減少航班延誤的時間。因此，GLS今后必將逐步取代ILS成為民用機(jī)場主要進(jìn)近著陸手段。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)的基本組成及原理

對比儀表著陸系統(tǒng)的設(shè)備，衛(wèi)星導(dǎo)航著陸系統(tǒng)組成精簡，運(yùn)行及維護(hù)成本均較低。每個機(jī)場只需配置一套地基增強(qiáng)系統(tǒng)，包括衛(wèi)星基準(zhǔn)接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和甚高頻數(shù)據(jù)廣播（VHF Data Broadcast，VDB），即可為多架飛機(jī)同時提供進(jìn)近著陸導(dǎo)航服務(wù)，且對同時準(zhǔn)備著陸的飛機(jī)之間不會產(chǎn)生干擾，可以縮小進(jìn)近飛機(jī)的時空間隔，極大提高飛機(jī)進(jìn)場的跑道利用率，從而提高機(jī)場運(yùn)輸量。除了直線進(jìn)近著陸外，系統(tǒng)還可以采用曲線和角度等多種進(jìn)近著陸方式，相對于ILS只能采取單一的直線進(jìn)近方式，可以大幅提高終端空域飛行航線數(shù)量。

GLS由空間系統(tǒng)、地面系統(tǒng)與機(jī)載系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成?？臻g系統(tǒng)為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。地面系統(tǒng)包括衛(wèi)星基準(zhǔn)接收機(jī)、地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備、甚高頻發(fā)射器等。機(jī)載系統(tǒng)包括衛(wèi)星天線、機(jī)載接收機(jī)、飛行管理系統(tǒng)等設(shè)備。GLS在精密進(jìn)近著陸階段導(dǎo)航的基本原理：地面系統(tǒng)通過與已知精確位置的地面基準(zhǔn)接收機(jī)比較計算出衛(wèi)星偽距差分修正值，同時完好性監(jiān)測符合標(biāo)準(zhǔn)后，將差分修正量通過設(shè)備發(fā)送到機(jī)載接收機(jī)上。機(jī)載接收機(jī)實時計算偽距，機(jī)載再次進(jìn)行完好性監(jiān)測后，再將偽距采用地面的差分修正量校正，然后利用算法算出飛機(jī)修正后的實時位置。飛行管理系統(tǒng)和飛行指引系統(tǒng)根據(jù)修正后的位置，指引飛機(jī)按照預(yù)設(shè)的航線進(jìn)近和著陸。

GLS系統(tǒng)的空間系統(tǒng)包括BDS、GPS、GLONASS、Galileo系統(tǒng)的星座?？臻g部分主要功能是不間斷地向地面發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文。其基本原理如圖2所示。

圖2 GLS空間系統(tǒng)原理示意圖

GLS系統(tǒng)的地面部分原理示意圖如圖3所示。其中衛(wèi)星基準(zhǔn)接收機(jī)接收衛(wèi)星信號計算偽距，并采用載波相位平滑偽距差分算法計算出差分修正值。相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)給地面完好性監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行可用性評估。數(shù)據(jù)符合要求后，同時將機(jī)場基站的數(shù)量和位置等信息合并，通過甚高頻數(shù)據(jù)廣播電臺向空中發(fā)射，供飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的接受和使用。

圖3 GLS地面系統(tǒng)原理示意圖

GLS系統(tǒng)的機(jī)載部分原理示意圖如圖4所示。飛機(jī)上的機(jī)載接收機(jī)接收全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座的測距信號和地面站發(fā)送的修正值等信息，通過機(jī)載完好性檢測后，由飛行管理系統(tǒng)計算并提供預(yù)定進(jìn)近著陸的指引信號。飛行員跟隨飛行儀表的導(dǎo)航指引駕駛飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸。若飛機(jī)具備高性能的CAT類自動著陸功能，接通自動駕駛儀功能即可實現(xiàn)由計算機(jī)控制的自動進(jìn)近和著陸。

圖4 GLS機(jī)載系統(tǒng)原理示意圖

GLS的三個子系統(tǒng)相互交聯(lián)。地面子系統(tǒng)接收空間系統(tǒng)的數(shù)據(jù)生成偽距和修正信息。機(jī)載子系統(tǒng)接收空間子系統(tǒng)的衛(wèi)星信息和地面子系統(tǒng)傳播的數(shù)據(jù)，再生成修正后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)來引導(dǎo)飛機(jī)。從而實現(xiàn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸階段的導(dǎo)航功能。

4 北斗在商用飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸的技術(shù)要求

BDS在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到55顆，可向全球提供高質(zhì)量的全天候、全天時的定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)。基于BDS的GLS的空間系統(tǒng)要求能檢測到可用衛(wèi)星至少4顆。BDS完全能滿足GLS空間系統(tǒng)的性能需求。

基于BDS的GLS地面技術(shù)為地基增強(qiáng)系統(tǒng)。以I類精密進(jìn)近著陸場景分析。地面設(shè)備的位置數(shù)據(jù)使用WGS-84坐標(biāo)系。設(shè)備應(yīng)具備功能包括：提供本地偽距修正數(shù)據(jù)；提供GBAS基站數(shù)據(jù)；提供最后進(jìn)近著陸航段數(shù)據(jù)；提供測距源可用性數(shù)據(jù)；提供測距源完好性監(jiān)測。地面設(shè)備的連續(xù)性應(yīng)不少于（1-8.0×10）/15 s。空間信號完好性風(fēng)險應(yīng)不大于2×10/進(jìn)近。最后進(jìn)近航段側(cè)向告警限制不大于40M，垂直告警限制不大于10M。地面設(shè)備的水平精度應(yīng)優(yōu)于16M，垂直精度應(yīng)優(yōu)于4M。

GBAS的基準(zhǔn)接收機(jī)具備功能包括：接收、跟蹤和解碼BDS衛(wèi)星信號；可測量接收機(jī)到每顆可見BDS衛(wèi)星的偽距觀測值及多普勒觀測值；能輸出具有時間標(biāo)記的衛(wèi)星信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)。其基準(zhǔn)接收天線、數(shù)據(jù)處理中心、完好性監(jiān)測、VDB等子設(shè)備或系統(tǒng)按照現(xiàn)有技術(shù)均能滿足要求。

基于BDS的GLS機(jī)載系統(tǒng)的電子飛行儀表顯示系統(tǒng)、自動飛行控制系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)等設(shè)備有最低性能要求。飛行管理系統(tǒng)按基于BDS的GLS通道號來區(qū)別和實施進(jìn)近。自動飛行控制系統(tǒng)信息源需來自ILS、GLS等多進(jìn)近/著陸飛行數(shù)據(jù)為指引，其軟件管理功能需包括故障探測、自動進(jìn)近/自動著陸可選用模式、飛行模式通告等。

衛(wèi)星天線應(yīng)滿足RTCA DO—228及等效文件的相應(yīng)要求；VDB接收機(jī)應(yīng)滿足RTCA DO—253C第2.2的相應(yīng)要求；定位和導(dǎo)航子系統(tǒng)應(yīng)滿足RTCA DO—253C第2.3的相應(yīng)要求。多功能控制顯示組件需提供精密進(jìn)近、著陸選擇頁面，以及測試和現(xiàn)狀頁面，有關(guān)GLS數(shù)據(jù)有新頁面。飛行控制面板需有允許飛行員預(yù)位/接通GLS的按鈕或開關(guān)。無線電調(diào)節(jié)組件需允許選擇GLS進(jìn)近。電子飛行儀表顯示系統(tǒng)需向飛行員顯示在GLS進(jìn)近模式下的飛行指引信息。

在飛行實施階段，飛行員需嚴(yán)格按照通過審定后的飛行程序執(zhí)行飛行任務(wù)。GLS最終應(yīng)用在商用飛機(jī)運(yùn)行中，進(jìn)近著陸程序必須完善。其程序可基于ILS準(zhǔn)則，并與滿足《航空電信》（國際民航組織修訂 附件10）規(guī)定所要求的地面和機(jī)載設(shè)備性能及完整性。GLS程序范圍包括最后進(jìn)近著陸航段和復(fù)飛階段。相比于ILS，GLS程序設(shè)計需完成最后進(jìn)近航段數(shù)據(jù)塊的設(shè)計編碼。將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用到飛機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)引著陸，需在GLS的空間子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)、機(jī)載子系統(tǒng)及飛行程序或手冊等方面進(jìn)行設(shè)計，并需按照相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適航驗證，并在航線試飛等方式逐步提高基于BDS的GLS應(yīng)用能力。

5 結(jié)語

2015年，基于GPS的GLS地面設(shè)備已獲得美國、德國等國家民航局的審定批準(zhǔn)，具備Ⅰ類運(yùn)行能力，GLSⅡ、Ⅲ運(yùn)行正在發(fā)展和取證中。基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GLS暫未實現(xiàn)精密進(jìn)近與著陸的航線運(yùn)行。中國民航局于2019年發(fā)布《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》中明確提出：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，逐步實現(xiàn)北斗系統(tǒng)民航行業(yè)應(yīng)用“全覆蓋、可替代”。2016年6月28日，我國的國產(chǎn)商用飛機(jī)ARJ21—700機(jī)型完成首次航線運(yùn)營，國產(chǎn)大飛機(jī)C919機(jī)型在2017年5月5日完成首飛后也即將投入到航線運(yùn)營。隨著基于北斗的衛(wèi)星著陸系統(tǒng)技術(shù)的持續(xù)研究與驗證，搭載北斗應(yīng)用的國產(chǎn)商用飛機(jī)必然會成功航線運(yùn)營。