北斗衛(wèi)星定位追蹤技術(shù)在民航運輸航班中的應(yīng)用

文｜李郁 何運成

中國民航科學(xué)技術(shù)研究院

一、引言

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)界開啟了系統(tǒng)性推進航空器追蹤監(jiān)控工作。ICAO明確要求航空承運人實現(xiàn)“正常情況下4D/15 追蹤，不正常情況下實現(xiàn)4D/1 追蹤”能力，并制定了航空器追蹤規(guī)范，要求航空承運人在2018 年11 月8日前實現(xiàn)對其海洋區(qū)域運行至少每15 分鐘通過自動報告對航空器位置進行追蹤（4D/15 追蹤）[1]。

在航空器定位追蹤技術(shù)領(lǐng)域，我國民航長久以來依賴于美國的GPS 系統(tǒng)，這對我國的民航運輸而言存在相當大的隱患。一旦GPS 關(guān)閉的歷史事件再次重演，將對我國的民航運輸安全產(chǎn)生重大影響。因此中國民用航空局（CAAC）一直積極推動將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于我國民航運輸飛機。2017 年7 月，民航局頒布《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實施路線圖》[2]，提出分三階段實施航空器全球追蹤，最終建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空器追蹤監(jiān)控體系，并形成相關(guān)標準，推動以北斗為代表的國產(chǎn)裝備在民航的應(yīng)用，積極推進自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)和標準在國際上的應(yīng)用與引領(lǐng)。

2019 年11 月CAAC 頒布了《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》[3]，該路線圖結(jié)合北斗在民航現(xiàn)狀和使用要求，分近期、中期、遠期給出了實施計劃，提出總體目標為：中國民航大力推進北斗系統(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，積極推動以星基定位、導(dǎo)航與授時技術(shù)為核心的新一代空中航行系統(tǒng)建設(shè)與運行。按照“從易到難，從便攜到機載，從監(jiān)視到導(dǎo)航，通用運輸統(tǒng)籌推進”的總體實施路徑，全面提升民航安全水平、空域容量、運行效率和服務(wù)能力，進一步推動北斗全球民航應(yīng)用。針對運輸航空器追蹤監(jiān)控，到2021 年底，完成基于北斗定位及短報文通信的運輸航空器追蹤監(jiān)控典型示范；到2025 年，全部民航運輸飛機將具備基于北斗的定位與追蹤能力，基本完成北斗星基增強（BDSBAS）的運輸航空應(yīng)用；到 2035 年，將實現(xiàn)中國民航運輸飛機使用北斗進行自主導(dǎo)航。該路線圖旨在推進北斗在民用運輸航空中的應(yīng)用，建立以北斗定位信息為核心的運輸航空器追蹤、監(jiān)視及導(dǎo)航能力。

自2000 年第一顆北斗衛(wèi)星升空起，截至2022年底，北斗系統(tǒng)已有45 顆衛(wèi)星在軌提供服務(wù)。隨著北斗三號的建設(shè)完成、北斗成功組網(wǎng)提供全球服務(wù)[4]，我國民航全面應(yīng)用北斗進行導(dǎo)航、通信和監(jiān)視的戰(zhàn)略即將成為現(xiàn)實[5]。

二、民航領(lǐng)域的北斗定位追蹤技術(shù)

1. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖1 所示。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成

空間段是由地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星組成的混合星座。地面段主要包括注入站、監(jiān)測站和主控站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設(shè)施。監(jiān)測站用來接收衛(wèi)星發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)，并監(jiān)測衛(wèi)星和衛(wèi)星運行軌道；注入站負責衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳送；主控站管理和控制系統(tǒng)的運行。用戶段指北斗的接收終端，目前我國部分民用航空器經(jīng)過改裝，實現(xiàn)了機載北斗接收終端的測試運行。

2. 短報文服務(wù)

北斗區(qū)別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特色功能是短報文服務(wù)，單次通信最大長度達到1000 個漢字。北斗短報文支持雙向通信，并且在通信的同時也能進行定位[6]。

北斗短報文通信過程如下（圖2）：

圖2 北斗短報文通信示意圖

1）短報文發(fā)送方將接收方ID 號和通信數(shù)據(jù)加密后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；

2）地面系統(tǒng)接收到通信數(shù)據(jù)后，經(jīng)解密再加密處理后加入出站廣播電文中；

3）衛(wèi)星收到電文后持續(xù)廣播給用戶；

4）接收端用戶機接收出站信號，并對信號解密，完成一次通信。

使用北斗短報文服務(wù)是定位和監(jiān)視航空器的手段之一。它的優(yōu)勢是覆蓋范圍廣，無通信盲區(qū)，可獨立向地面系統(tǒng)報告航空器位置、速度和時間等信息。目前我國改裝的應(yīng)用了北斗系統(tǒng)的運輸機，即是用了北斗短報文服務(wù)進行定位和監(jiān)視。

3. 北斗定位監(jiān)視技術(shù)優(yōu)勢

民航定位監(jiān)視技術(shù)主要有ACARS、二次雷達、ADS-B、ATG、Ka 衛(wèi)星通信以及北斗短報文。表1對北斗短報文技術(shù)與其他技術(shù)的優(yōu)缺點進行了對比分析。目前空管部門依然應(yīng)用二次雷達和ADS-B進行監(jiān)視，而航空公司對航空器的監(jiān)控傳統(tǒng)手段為ACARS，從經(jīng)濟效益、時效性等方面，北斗短報文具有很大的優(yōu)勢（表1）。

表1 北斗短報文技術(shù)對比

三、北斗在民航運輸航班中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的航班追蹤監(jiān)控系統(tǒng)主要基于ADS-B、ACARS、雷達等軌跡數(shù)據(jù)，主要關(guān)注飛行中環(huán)境因素對航班安全運行的影響，缺乏星基監(jiān)視和基于北斗數(shù)據(jù)源的追蹤定位，并且缺乏風險動態(tài)預(yù)測等風險預(yù)警、緩解、消除的技術(shù)支持。隨著中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的完成，應(yīng)用北斗獨特的定位和短報文功能，不僅能夠滿足運輸航空器追蹤監(jiān)視在空中飛行階段和地面滑行階段的性能要求，而且可以做到全球覆蓋，是當前較為可行的運輸航班自主追蹤監(jiān)視手段。

通過北斗短報文與ADS-B 數(shù)據(jù)、ACARS、氣象等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度融合，建設(shè)高效航班運行分析技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)基于我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的航班全球跟蹤監(jiān)控，滿足運輸航空對航空器位置缺失、航班復(fù)飛、應(yīng)答機突變等飛行異常狀況的風險監(jiān)控和風險預(yù)警要求。

2019 年12 月25 日，首架加裝北斗定位追蹤系統(tǒng)的國航波音737-800 客機從北京飛抵新疆喀什，在喀什平穩(wěn)著陸。這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國民航運輸航空的首次應(yīng)用，實現(xiàn)了基于北斗的運輸飛機全程定位和追蹤，對提升民航安全水平、提升民航國際競爭力和話語權(quán)意義重大[7]。

1. 北斗機載追蹤監(jiān)視設(shè)備

北斗機載追蹤監(jiān)視設(shè)備主要包括北斗機載天線和北斗機載收發(fā)機，具備北斗定位、北斗自動位置報告和短報文通信功能。可利用飛機總線信息獲取飛機航班號、燃油量、飛機姿態(tài)等關(guān)鍵信息，按照通信協(xié)議組包封裝后，通過地面部署的北斗地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)定位和短報文信息的傳輸。

中國民航頒布了用作航空器追蹤的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)機載設(shè)備的技術(shù)標準，基于技術(shù)標準要求北斗機載設(shè)備應(yīng)滿足民用運輸航空器加改裝以及高電壓雷擊、強電流物理損毀，以及設(shè)備在民用運輸航空器的電磁兼容等多項要求。

目前國內(nèi)已有相關(guān)公司針對北斗在民航運輸航班適航和追蹤監(jiān)視，研制了高性能北斗機載天線和收發(fā)機，獲得國內(nèi)北斗CTSOA 適航證書，成功應(yīng)用于飛機改裝，解決了民航復(fù)雜電磁兼容環(huán)境及航空器飛行姿態(tài)下的北斗天線設(shè)計及穩(wěn)定通信問題[8]。

2. 終端應(yīng)用系統(tǒng)

終端應(yīng)用系統(tǒng)需要充分融合的北斗短報文航班運行數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)等，形成統(tǒng)一、完整、準確的航班運行態(tài)勢，提高空中目標監(jiān)視和追蹤的連續(xù)性，擴大空中目標監(jiān)視和追蹤的范圍。

另一方面終端應(yīng)用系統(tǒng)基于融合多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)航班運行態(tài)勢分析和運行風險預(yù)警等核心功能，挖掘運行風險因素、優(yōu)化航班運行效率。典型應(yīng)用包括：

1）動態(tài)油量監(jiān)控，能夠解決傳統(tǒng)手段報文下發(fā)間隔長，無法實現(xiàn)航班運行監(jiān)控中的低油量告警、時刻偏差、偏航等告警的時間要求。

2）備降決策推演，可以根據(jù)航班監(jiān)控實際運行需求，基于航班當前初始運行態(tài)勢，對其未來可能出現(xiàn)的事件態(tài)勢進行預(yù)估，從而應(yīng)對航班繞飛、盤旋、目的地機場惡劣天氣等異常狀況。

3）航班高風險告警識別，能夠根據(jù)風險態(tài)勢分析結(jié)果提供當前運行狀態(tài)提示，為航空器運行提供全流程態(tài)勢監(jiān)控與風險告警。

4）運行風險預(yù)警，結(jié)合航班動態(tài)、飛行計劃、航行通告、氣象等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全國高風險空域或機場的識別預(yù)警，包括盤旋等待、復(fù)飛、延誤、顛簸、偏航繞飛等異常事件，以及盤旋、復(fù)飛、顛簸、偏航等風險高發(fā)區(qū)域的預(yù)警提示。

目前國內(nèi)已有相關(guān)公司研制了全球航班追蹤監(jiān)控與風險預(yù)警系統(tǒng)[9-10]（圖3）。系統(tǒng)融合了國航機隊北斗定位數(shù)據(jù)源、ADS-B 實時數(shù)據(jù)、航班動態(tài)等多源異構(gòu)運行數(shù)據(jù)，構(gòu)建運行大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺，實現(xiàn)超過2 萬架航空器的動態(tài)追蹤與運行數(shù)據(jù)實時分析處理。此外，系統(tǒng)具備飛機實時跟蹤監(jiān)控和風險告警功能，實現(xiàn)航班運行過程中的全流程異常事件動態(tài)監(jiān)控與實時告警，解決了航班的全球化動態(tài)監(jiān)視問題。

圖3 全球航班追蹤監(jiān)控與風險預(yù)警系統(tǒng)

四、技術(shù)應(yīng)用展望

1）可以加快推進在通航領(lǐng)域的應(yīng)用。與商業(yè)運輸航空相比，通用航空具有飛行高度低、飛行器小、飛行速度慢的特點[11]，對設(shè)備適航審定要求低、系統(tǒng)建設(shè)成本低、周期短、總體投資規(guī)模小，在通航率先開展全面的基于北斗定位追蹤技術(shù)的推廣，可以在較短時間內(nèi)實現(xiàn)全面的應(yīng)用，同時還可以為北斗在運輸航空的應(yīng)用示范提供有力的技術(shù)支撐。

2）可以加快推進運輸航空北斗應(yīng)用。目前國內(nèi)已經(jīng)在國航20 架飛機上安裝了北斗定位追蹤設(shè)備，取得了較好的應(yīng)用效果。基于上述技術(shù)基礎(chǔ)，繼續(xù)推動新一代兼容北斗二代/三代北斗機載收發(fā)機的研制和取證工作，推動新一代北斗機載設(shè)備的驗證應(yīng)用，促進北斗在運輸航空器上全面應(yīng)用，實現(xiàn)運輸航班基于自主技術(shù)的追蹤監(jiān)視。