浅析北斗导航系统在民航领域的应用及展望.docx
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浅析北斗导航系统在民航领域的应用及展望
浅析“北斗”导航系统在民航领域的应用及展望
“北斗”是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。
该系统历经20余年的建设发展,目前已经广泛应用到航海、测绘、电信、水利、渔业、森林防火、减灾救灾等诸多民用领域,并产生了显著的经济效益和社会效益。
相比之下,“北斗”在我国民航运输领域的应用尚处于起步阶段,如何抓住当前有利时机,全面推进“北斗”在我国民航运输业中的创新应用,实现我国自主知识产权导航技术在中国民航落地生根,为民航强国建设提供重要技术支撑,已日益引起相关各界的高度关注。
图1“北斗”历经20余年的建设发展,目前已经广泛应用到航海、测绘、电信、水利、渔业、森林防火,以及减灾救灾等诸多民用领域
一、卫星导航技术在世界及我国民航领域应用现状
得益于卫星技术和信息技术的高速发展,目前全球导航卫星系统(GNSS)已经在民用航空领域得到了广泛应用,并展现出传统陆基导航系统无可比拟的优越性和安全性。
一方面,由于GNSS可以在世界范围内同时为用户提供连续精确的三维位置、速度和时间信息,空中交通管制中心及相关部门可以借此对民航飞机进行全程自动监视,并提供防撞预警,进而有效改善飞行安全;另一方面,由于GNSS目前已基本实现了全球覆盖,可以使飞机在遵循相关规则的条件下从一个地方直飞目的地,而不必像传统陆基导航那样,只能进行台(地面导航台)对台飞行,由此可以大幅缩短航行时间,降低燃油消耗。
因此,将GNSS应用于民用航空领域,除了可使其更加安全、便捷、高效外,还将会来带来非常可观的经济效益。
正是由于这样的原因,GNSS已经成为现代民用航空系统中不可或缺的一部分,目前世界各国民航飞机已广泛配装了GNSS设备。
应用于民航运输业的卫星导航系统具有很强的行业特殊性,对系统的高精度、连续性、完整性和可靠性均有严格要求,其安全性等级和技术壁垒均非常高。
目前世界上,理论上可应用于民航运输领域的GNSS主要有美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)、欧洲“伽利略”(GALILEO)和我国的“北斗”系统。
在这四种GNSS中,美国GPS和俄罗斯“格洛纳斯”均达到了美国航空无线电技术委员会(RTCA)标准,并已在世界民航运输领域正式投入使用。
不过,由于政治、经济、技术等多方面原因,俄罗斯“格洛纳斯”系统在当前世界民用航空市场上的占有率很低,美国GPS则作为目前世界上唯一一种在民用航空航路、终端、进近/着陆控制中得到实际应用的GNSS,被全球绝大多数民航飞机选作主导航源,甚至已经成为世界各国民机机载卫星导航系统的“标配”。
目前我国民航运行中的导航手段正在经历从陆基转向星基的过程,将GNSS应用于我国民航运输,其带来的效益非常明显:
在东部地区,可有效提高繁忙航路和终端区的空域容量,缓解航班延误;在西部地区,则可有效降低高原航路和高原机场的最低运行标准,确保飞行安全。
但由于众所周知的原因,长期以来我国民航领域卫星导航服务均采用美国GPS,并且对其依赖非常严重。
目前GPS是我国民航大洋和边远地区的主用导航系统以及航路、终端区、非精密进近和着陆运行的辅助导航系统,同时也是国内PBN飞行程序的导航源和广播式自动相关监视(ADS-B)的位置信息源;此外,我国民航空中交通管理运营体系的时空基准也是基于GPS搭建。
从国家战略层面考虑,这样的现状无法保证我国民航运输自主可控,存在安全性和可靠性问题。
二、全面推进“北斗”系统在我国民航领域应用的现实意义
GNSS作为未来民用航空运行的主要导航源,在世界范围内已经进入快速发展和应用阶段,今后15-30年将是全球空中航行系统实现从陆基导航向星基导航平稳过渡的关键时期。
在此期间,加快实现“北斗”系统在我国民航领域的创新应用,逐步替代GPS为我国民机提供导航服务,并以此为基础建立独立自主的民航运行时空基准,不仅是我国实现由民航大国向民航强国跨越式发展的必由之路,同时还将会在国民经济及社会发展的诸多领域发挥带动和促进作用。
(1)打破国外对民航卫星导航技术的垄断,确保我国民航运输自主可控
如前所述,目前包括我国在内的世界各国民航飞机上应用的GNSS主要是美国的GPS,然而GPS的军用系统本质使得我国民航将其作为主用导航系统时,将不可避免地会面临巨大风险。
因为GPS完全受美国控制,将无法保证其长期可用性和安全性,今后一旦国际局势发生变化,美方随时可能会切断局部区域的导航信号,或者通过人为注入干扰信号来降低局部GPS信号的精度,由此会导致该区域内的民航飞机导航能力受限,进而严重影响飞行安全和运行效率。
而“北斗”作为我国自主研制、建设和掌控的卫星导航系统,如果将其应用于我国民航并替代GPS,由于导航源完全自主可控,将可以彻底规避使用GPS所带来的潜在风险,从根本上改变我国民航依赖国外卫星导航系统的窘境,真正实现卫星导航在我国民航运输业中的安全应用。
(2)有效消除GPS单一星座带来的安全隐患,提升我国民航运输安全水平
民航运输对卫星导航定位精度、完好性和可用性要求比较高,单一星座往往难以满足要求。
但是在目前世界民航卫星导航领域,GPS居于绝对的垄断地位,世界各国民机均高度依赖GPS信号,由此会带来一定的安全隐患。
例如,近年来国内发生的部分航班延误、取消事件,就是因为GPS信号异常、受干扰而导致的。
如果将“北斗”作为一个新的核心星座纳入世界民航卫星导航体系,实现多个星座互补,将可以有效消除GPS单一星座所带来的安全隐患,弥补传统导航方式的不足,显著提高民航运输的安全水平和运行效率。
因此我国民航今后采用以“北斗”为基础,兼容多导航星座的GNSS作为未来的主用导航系统,对国内民用航空运输安全与效益均具有重大的现实意义。
(3)充分满足国内航空运输快速发展需求,加速我国商业航空的全球化推进
今后随着基于“北斗”的民机卫星导航系统正式投入运营,一方面由于实现了导航源的自主可控,将可以更加稳步地推进我国民航运输从陆基导航向星基导航过渡,真正落实卫星导航在我国民航运输业中的广泛应用,充分满足国内航空运输快速发展的需求;另一方面,由于“北斗”系统能够在全球范围内快速提升民航定位精度和完好性指标,已完全能满足世界各国在民用航空领域的高精度定位和完好性需求,这对未来我国商业航空的全球化推进也非常有利。
此外,“北斗”在我国民航领域的成功应用,将是中国国家意志和中国民航软实力的充分体现,还将非常有助于推动“北斗”系统在国际民航领域的标准化工作,进而提升中国民航的国际竞争力,提升我国在国际民航组织及相关工业标准组织中的话语权。
(4)有力促进“北斗”自身发展完善,多方面发挥产业链拉动和辐射作用
“北斗”系统以服务全球为目标,将需要一个全球性行业来落地应用和体现价值,而民航业是公认的国际化程度最高的行业之一,因此我国民航率先用好“北斗”将是该系统最终成为GNSS的重要体现,将可以为其赢得更多的国际话语权。
不仅如此,由于民用航空是卫星导航系统的最高级别民用用户,民航运输业中的应用是卫星导航系统民用领域的制高点,“北斗”达到民用航空导航的要求,还将会有力推动其自身技术的发展,并带动一系列相关技术的进步。
例如,全面开展机载“北斗”导航设备及相关配套产品研发,形成“需求-架构-开发-研制-验证”全过程的正向流程,实现未来国产机载卫星导航设备从预先研究到设计开发,从批产制造到运营服务全产业链的更新换代,所带来的产业链拉动作用和辐射影响力非常明显,将可以带动导航、通信、卫星、无线电等诸多技术领域的发展,促进军方、民航、高校、科研院所等多方力量的合作协同。
三、推进“北斗”系统在我国民航领域应用的技术基础
与已拥有20多年航空应用历史、早已被纳入国际民航组织标准的GPS相比,“北斗”尽管涉足民航运输领域相对较晚,但近年来随着该系统建设的日渐完善以及国产民机研发工作的顺利进展,国内相关科研机构从我国民航运输业对卫星导航系统的现实需求出发,同步进行了一系列“北斗”应用于民机的试验验证工作,并取得了大量技术成果,由此为“北斗”在我国民航运输领域大规模推广应用奠定了坚实的技术基础。
(1)“北斗”系统性能完全能满足民机卫星导航应用的要求
“北斗”系统创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务等五大功能,在主要性能/功能方面足以与国际先进水平比肩,部分性能已居世界领先地位,完全能满足民航用户的苛刻要求。
例如,“北斗”通过采用独特的算法设计,能够在高动态环境下对多普勒频移进行有效校正,具备有高精度定位、测姿能力,即使空中飞行的民机处于高速运动状态,引起相当大的多普勒频移,“北斗”终端也能够正常运行。
又如,与GPS等国外同类系统相比,“北斗”拥有短报文通信功能的独特优势,不需要依赖其他通信系统即可实现位置信息的传送,进而方便指挥中心对用户的监控与指挥调度。
此外,随着“北斗”与“天通”卫星移动通信系统的融合,我国卫星导航与通信将会呈现出一体化应用的发展趋势,由此可以实现民航飞机在全球任意时间、任意地点的无盲区报文通信,进而更好地服务于民航飞机的全球监控和搜索救援等应用场合。
(2)国内已具备“北斗”系统自主产品研发能力和适航验证经验
经过多年发展,目前国内已经成长出一大批从事“北斗”系统用户终端产品的研发单位和生产企业,已初步形成芯片、模块、天线、终端、测试设备和行业解决方案的完整产业链格局,部分产品已成功应用于军用飞机。
与此同时,国内已经开始开展“北斗”机载设备相关的适航审定和标准规范编制工作,参与项目涵盖了航空器、发动机、螺旋桨和机载设备各个领域,其中包括按照机载设备的环境条件和测试程序(RTCA-DO-160),通过试验检测并获得相关认证报告。
总的来看,目前国内在“北斗”相关机载设备的适航标准和审定方面积累了较丰富的经验,已经具备研制“北斗”导航系统应用机载设备、“北斗”机载设备闭环测试和验证的能力,同时也具备了完成“北斗”机载设备的试飞示范、用户体验评价、实际性能验证、中国民航标准制订和适航认证的能力。
(3)机载“北斗”多模卫星导航原型样机的飞行试验已成功完成
近年来,中国商飞公司在民航未来新航行体系需求、“北斗”导航系统集成测试、试飞测试和加/改装技术等方面做了大量研究工作,并取得突破性进展,于2017年10月成功实现了“北斗”多模导航接收机在国产ARJ21-700喷气支线客机上的搭载试飞。
此次试飞按照相关国际民航标准及中国民航有关技术标准要求,成功完成了机载“北斗”卫星导航接收机性能/功能试飞验证、基于“北斗”的地基增强系统实现I类精密进近的性能试飞验证以及“北斗”短报文功能试飞验证。
实验结果表明,系统性能达到国外同类产品技术水平,其中瞬态和快速定位指标居国际领先地位。
在此次试验中,不仅首次实现了“北斗”在民用航空领域的测试应用,而且实现了四个“国产化”的结合,即将国产卫星导航系统、国产卫星导航地基增强系统、国产机载导航系统结合到国产民用大飞机平台上。
通过此次试验,获取了“北斗”在国产民机上应用的试验数据,不仅为其与民机航电设备的交联集成积累了前期经验,而且为后续的国际民航标准化、应用推广、测试认证提供了支撑。
图22017年10月,“北斗”多模导航接收机成功实现在国产ARJ21-700支线客机上的搭载试飞
(4)我国即将拥有多型可承担“北斗”导航示范应用的国产民机平台
目前我国大部分民航客机及其机载设备均从欧美进口,近期内要在这些飞机上全面应用国产卫星导航系统,将会面临多方面限制。
因此,要使“北斗”早日走出国门,实现全球应用的目标,必须从我国拥有完全有自主知识产权的国产民机入手,将“北斗”机载设备研制与国产民机制造相结合,真正实现核心制造业、核心技术的完全自主可控。
而国内在这方面已经具备良好的基础,目前国产喷气支线客机ARJ21已投入航线运营多年,国产窄体干线客机C919将于2021年内交付使用,国产大型水陆两栖飞机AG600已于2017年12月完成首飞,中俄合作的CR929远程宽体客机研发工作也在稳步推进中。
今后随着国产民机加装“北斗”测试验证工作的顺利进行,我国所有新交付的国产商用飞机都将会配装“北斗”系统,由此带来的巨大市场空间和示范效应,将会极大地促进“北斗”在国内外民航运输业中的推广应用。
四、国内相关机构推进“北斗”系统民航应用的规划及进展
我国政府一向高度重视“北斗”系统的建设发展,将其列为国家科技重大专项,支撑国家创新发展战略,同时大力推进“北斗”在各个领域的应用,推动卫星导航与国民经济各行业的深度融合,其中包括“北斗”系统在民航运输业中的应用。
近年来,中国民航局、中国商飞公司、中国卫星导航系统管理办公室等机构(企业)采取了一系列积极举措。
图3我国高度重视“北斗”系统的建设发展,大力推进“北斗”在各个领域的应用,推动卫星导航与国民经济各行业的深度融合
中国民航局2009年发布的《中国民航PBN实施路线图》中,在提出2009-2025年间我国PBN实施目的、总体目标、关键任务和实施时间表的同时,明确表示待“北斗”卫星导航系统建成后,中国民航将会把该系统纳入未来GNSS系统中。
中国民航局2015年发布的《民用航空导航技术应用政策》中,从满足民航运输对导航技术应用的需求,提高空中交通安全保障能力并提升运行效率出发,将中国民航导航技术应用分为近期(至2020年)、中期(2021-2030年)和远期(2030年以远)三个阶段,最终形成以GNSS为主要导航源、陆基导航设施为备份导航源的导航系统架构,同时积极开展以“北斗”系统为核心,兼容GPS、“伽利略”的我国民航卫星导航体系的建设,并推进“北斗”系统的全球应用。
2016年12月,中国民航局在其发布的《民航科技发展“十三五”规划》中提出,“十三五”期间要着力推进重点科技研发,支持国家重大战略,支撑民航科技发展。
其中,基于“北斗”的民航科技应用方面,将通过研究“北斗”信息服务在民航通信/导航/监视等方面的应用技术、“北斗”空间信号测试与评估标准体系、“北斗”接收机测试评估与适航技术,推动“北斗”在民航通信导航监视/空中交通管理(CNS/ATM)和通用航空中的应用示范,推进基于“北斗”信息服务的空管装备国产化。
2019年12月,中国民航局发布《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》,提出要大力推进“北斗”系统应用,积极构建以“北斗”为核心的GNSS技术应用体系,推动以星基定位、导航与授时技术为核心的新一代空中航行系统建设与运行,按照“从易到难,从便携到机载,从监视到导航,通用运输统筹推进”的总体实施路径,分步实施中国民航“北斗”系统应用。
按照该实施计划,中国民航“北斗”应用实施分为近期(2019-2021年)、中期(2022-2025年)和远期(2026-2035年)三个阶段,并且每个阶段均提出了各自要完成的主要任务、实现本阶段目标需要具备的条件。
此外,从2010年起,中国民用航空局还开始大力推进“北斗”系统的国际标准化工作。
在此后的十余年间,在中国民航局的支持下,中国卫星导航系统管理办公室组织国内多家相关单位,开展了大量标准研究、指标验证、性能测试、国际协调等工作,突破了多项重大关键技术,在“北斗”系统国际标准化方面取得了重大进展。
在2020年11月举行的国际民航组织导航系统专家组第六次全体会议(NSP/6)上,“北斗三号”系统189项性能指标技术验证全部通过,标志着该系统正式进入国际民航组织标准的最核心、最主要工作已经完成,该系统为全球民航提供服务的能力已经得到国际认可,进而为全面实施中国民航标准国际化战略、推进新时代民航强国建设与“北斗”系统工业标准制定、“十四五”期间全面推进“北斗”航空应用奠定了坚实基础。
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