文｜李郁 何運成

中國民航科學技術研究院

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領域，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航系統(tǒng)應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)權的航空器追蹤監(jiān)控體系，并形成相關標準，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。

2019 年11 月CAAC 頒布了《中國民航北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用實施路線圖》[3]，該路線圖結合北斗在民航現(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)應用，積極構建以北斗為核心的GNSS技術應用體系，積極推動以星基定位、導航與授時技術為核心的新一代空中航行系統(tǒng)建設與運行。按照“從易到難，從便攜到機載，從監(jiān)視到導航，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、運行效率和服務能力，進一步推動北斗全球民航應用。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航。該路線圖旨在推進北斗在民用運輸航空中的應用，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。隨著北斗三號的建設完成、北斗成功組網(wǎng)提供全球服務[4]，我國民航全面應用北斗進行導航、通信和監(jiān)視的戰(zhàn)略即將成為現(xiàn)實[5]。

二、民航領域的北斗定位追蹤技術

1. 北斗衛(wèi)星導航系統(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

北斗區(qū)別于其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的特色功能是短報文服務，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。目前我國改裝的應用了北斗系統(tǒng)的運輸機，即是用了北斗短報文服務進行定位和監(jiān)視。

3. 北斗定位監(jiān)視技術優(yōu)勢

民航定位監(jiān)視技術主要有ACARS、二次雷達、ADS-B、ATG、Ka 衛(wèi)星通信以及北斗短報文。表1對北斗短報文技術與其他技術的優(yōu)缺點進行了對比分析。目前空管部門依然應用二次雷達和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 北斗短報文技術對比

三、北斗在民航運輸航班中的應用

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)預測等風險預警、緩解、消除的技術支持。隨著中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設的完成，應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、氣象等多源異構數(shù)據(jù)的深度融合，建設高效航班運行分析技術手段，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、航班復飛、應答機突變等飛行異常狀況的風險監(jiān)控和風險預警要求。

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)星導航系統(tǒng)在中國民航運輸航空的首次應用，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意義重大[7]。

1. 北斗機載追蹤監(jiān)視設備

北斗機載追蹤監(jiān)視設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?？衫蔑w機總線信息獲取飛機航班號、燃油量、飛機姿態(tài)等關鍵信息，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)星導航系統(tǒng)機載設備的技術標準，基于技術標準要求北斗機載設備應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，成功應用于飛機改裝，解決了民航復雜電磁兼容環(huán)境及航空器飛行姿態(tài)下的北斗天線設計及穩(wěn)定通信問題[8]。

2. 終端應用系統(tǒng)

終端應用系統(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。

另一方面終端應用系統(tǒng)基于融合多源異構海量數(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)勢進行預估，從而應對航班繞飛、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）運行風險預警，結合航班動態(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警，包括盤旋等待、復飛、延誤、顛簸、偏航繞飛等異常事件，以及盤旋、復飛、顛簸、偏航等風險高發(fā)區(qū)域的預警提示。

目前國內(nèi)已有相關公司研制了全球航班追蹤監(jiān)控與風險預警系統(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)等多源異構運行數(shù)據(jù)，構建運行大數(shù)據(jù)云服務平臺，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)控與風險預警系統(tǒng)

四、技術應用展望

1）可以加快推進在通航領域的應用。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]，對設備適航審定要求低、系統(tǒng)建設成本低、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的推廣，可以在較短時間內(nèi)實現(xiàn)全面的應用，同時還可以為北斗在運輸航空的應用示范提供有力的技術支撐。

2）可以加快推進運輸航空北斗應用。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備，取得了較好的應用效果。基于上述技術基礎，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備的驗證應用，促進北斗在運輸航空器上全面應用，實現(xiàn)運輸航班基于自主技術的追蹤監(jiān)視。