基于北斗的民航追踪监视体系应用发展综述
来源:尖兵之翼
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作者:任 奇 陶志平 孟 斌 周中华 何大海 张承皓
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发布时间: 2020-09-01
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目前主要通过航空器通信寻址报告系统（ACARS）、广播式自动相关监视（ADS-B）和雷达等监视方式实现...
监视技术是现代民航运行及空中交通管理的重要技术基础。目前主要通过航空器通信寻址报告系统（ACARS）、广播式自动相关监视（ADS-B）和雷达等监视方式实现。本文对国内外追踪监视体系发展历程进行概述，然后结合国内北斗天基资源全球化的服务，分析国内未来监视技术的应用和发展趋势。
2014年3月，马航MH370失联在全球引发极大震动，国际民航组织（ICAO）各成员国及全球业界正系统推进航空器追踪监控工作。习总书记提出了重要批示，要求加强航空安全保障体系、航空安全监控能力、技术装备支撑能力和应急反应处置能力监视。监视技术是现代民航运行及空中交通管理的重要技术基础。
中国民航局于2016年底启动中国民航航空器全球追踪监控体系建设工作，旨在全面提升我国在民用航空器的全球追踪监控能力，加强我国航空安全保障体系建设，并提出了“先通用后运输，先监视后导航”的“北斗”应用实施策略。目前，将北斗作为我国民用航空的主用导航系统，可使我国民航摆脱对国外GNSS星座的依赖，在保障飞行安全和提高运行效率方面发挥重要作用。此外，民用航空是最高端用户，推进北斗在民航追踪监视领域应用，是服务国家战略与国家安全大局的重要需要，是推进国家空管体制改革大局的需要，是进一步提升民航安全水平的需要，也是提升中国民航国际竞争力与话语权的需要。
监视是飞机安全飞行和空中交通管理的基础。独立监视手段主要有一次监视雷达（PSR）、A/C/S模式二次雷达（SSR）及自动相关监视等。自动相关监视依靠航空器自主定位和报告实现，该监视手段主要有约定式自动相关监视（ADS-C）和广播式自动相关监视（ADS-B），其中ADS-B技术在民航得到广泛应用。而在国内，由于北斗短报文系统的优势，在民航系统中越来越得到重视，是在基于星基的ADS-B技术成熟之前的一种重要手段。
国外民航监视体系发展现状
飞机通信寻址与报告系统（ACARS） ACARS系统由美国ARINC公司在20世纪70年代开发，并于1978年正式投入使用，使空地之间的通信由单纯的语音通信扩展为现阶段的语音和数字电报（ACARS报文）两种方式，实现了空地通信系统的重大变革，得到国际民航界的普遍认同。系统高达99.999%的有效性和方便的空地数据传输方式，是民航最值得信赖、最为可靠的空地通信系统。但传输延时、信道竞争和速度较低等问题也随着民航业务量的迅速膨胀成为制约ACARS空地数据链高速发展的技术瓶颈。
二次雷达 20世纪70年代初，计算机技术和雷达结合实现了航管雷达的全自动化。航管二次雷达是指提供地面对空中交通监视和管制用的二次雷达系统。地面上设置扫描询问雷达，飞机上装有雷达应答机，两者在L频率上呼应工作。地面雷达将收到飞机发来的应答信号经处理后，能在平面位置显示器上显示目标光点，位置对应于飞机的方位和距离。这一系统在1957年被国际民航组织采纳为标准的空中交通监视系统。这个系统极大改善了空中管制环境，提高了管制效率，可用于重大任务保障和应急保障等。
ADS-B ADS-B是国际民航组织确定的未来主要监视技术，是利用空地、空空数据通信完成交通监视和信息传递的一种航行新技术。该技术将卫星导航、通信技术、机载设备以及地面设备等先进技术相结合，为飞行提供了更加安全、高效的监视手段，扩大了监视覆盖范围，有效提高了空中交通安全水平、空域容量与运行率，它不需飞行员干预和地面询问，自动周期性向所有用户广播监视数据，提供航空器的位置、高度、速度、方向和识别码等信息，其监视数据依赖机载设备（如气压高度表）、导航信息来源于全球导航卫星系统GNSS等。目前，ADS-B技术逐渐成熟，ADS-B系统已经成为世界各国新空中交通管理系统的重要组成部分。
美国、欧洲等发达国家不仅把ADS-B作为下一代空管的核心技术，而且还在积极探索开发ADS-B的其他扩展应用，包括利用低轨卫星星座构建ADS-B网络，实现对航空平台的全球无缝监视。其中：美国联邦航空管理局（FAA）“新一代航空运输系统”（NGATS）计划中提出新一代空中交通系统NextGen计划，旨在基于星基的ADS-B技术实现全球航空器实时追踪；欧洲“单一天空计划”提出在监视方面，ADS-B为飞机全球追踪提供技术手段，确保2025年实现全欧洲范围内一体化、无缝式空中交通管理系统，促进欧洲范围内的空中活动安全有序，并最大限度地提高欧洲空域容量和空管效率。目前较为成熟的有“铱星二代”系统和“全球星二代”系统。
国内民航监视体系发展现状
ACARS 中国民航约有97%的运输飞机已经安装了ACARS系统，因此，现阶段使用ACARS位置报告对国际航班及运行于偏远地区的航班实施例行航空器追踪监控的硬件条件已初步具备。
民航局于2016年6月组织开展了航空器全球追踪监控区域演示验证，国航、东航、南航、海航等4家航空公司在13个典型运行区域的42条航线、89个航段参与演示验证。数据统计与分析结果显示，国际运行中实施基于ACARS的4D/15追踪可有效覆盖海洋、极地等运行区域，总体4D/15追踪符合率超过93%，30分钟内能够自行恢复的4D/15追踪符合率超过98%。
可见，航空公司建立基于ACARS等现有技术的正常航班全球追踪监控能力。同时，民航局下发了《航空承运人航空器追踪监控实施指南》咨询通告，实现中国民航各航空公司在中国九大飞行情报区外运行的航班满足4D/15追踪要求，并完成相关补充运行合格审定工作。
二次雷达 二次雷达能够获得飞机的代码、距离、方位、高度等信息，是我国目前主要的空管监视数据源。据了解，目前国内民航空管系统共有13套移动二次雷达设备、100多套二次雷达设备。其中，国内绝大部分机场采用单脉冲二次雷达，只有北京首都机场安装有2部、上海虹桥机场装有1部带有S模式的法国THALES公司生产的二次雷达。目前，我国民航进入了一个大规模的雷达更新换代的基础建设阶段，S模式雷达正在逐步取代目前的常规二次雷达，成为主要的二次雷达采购类型。
ADS-B 中国民用航空局于2017年12月26日下发明传电报《关于ADS-B机载设备加改装相关工作要求的通知》（局发明电[2017]3685号），为大型飞机公共运输合格证持有人如何加改装ADS-B机载设备提出了明确的要求。通知要求，在2022年12月31日前，安装满足RTCA DO-260B标准并经相关适航批准的S模式应答机；安装具备SA AWARE功能，或安装通过星基增强系统增强GNSS信号并经过相关适航批准的卫星定位信号或接收设备。
中国国际货运航空公司于2019年2月1日至2月17日完成了首架波音757飞机满足DO-260B标准的ADS-B Out系统改装工作。预计未来几年，国内将陆续迎来ADS-B改装的高潮，各航空公司和国内民航维修企业应提前谋划，积极应对。
我国民航领域对航空器追踪监视的诉求是全球覆盖、自主可控。目前，中国民航约有97%运输飞机已安装了ACARS系统，该系统在地面网络覆盖区域使用地面基站，在地面网络盲区使用卫星通信，是当前追踪监控的主要手段，但由ARINC（ACARS系统国际运营商）运营，无法自主可控，需缴纳大额服务费用。而部署于机场的二次雷达、部署于航路的ADS-B地面台站均存在覆盖盲区，无法解决全球覆盖问题。
基于北斗的民航追踪监视体系发展
民航局在发布的《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》和《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》中明确指出，利用国家自主可控天基信息资源，推动以“北斗”为代表的国产装备在民航的应用，积极推进自主知识产权技术和标准在国际上的应用于引领，推动北斗技术在民航领域的应用，填补民航追踪监视应用上自助可控技术的空白。
北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供定位、导航、授时和短报文服务的国家重要空间基础设施。北斗的定位以及独有的短报文功能，为民航航空器追踪监视提供了技术支撑，能够满足民航追踪监视体系的要求。
基础设施建设 2018年12月27日，北斗系统服务范围由区域扩展为全球，北斗系统正式迈入全球时代。2020年6月23日，我国成功发射北斗三号最后一颗全球组网卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成建设。北斗的定位、全球和区域短报文功能，能够满足全球覆盖内的航空器追踪监视要求，也是当前作为可行的自主追踪监视手段。只要能够在适航认证等方面取得突破，就可以完全替代GPS，解决当前民航自主可控发展关键问题，为民航提供优质的定位数据服务。
政策环境 2014年3月，马航MH370失联在全球引发了极大震动，国际民航组织（ICAO）各成员国及全球业界正系统推进航空器追踪监控工作。习总书记做出重要批示，要求加强航空安全保障体系、航空安全监控能力、技术装备支撑能力和应急反应处置能力建设。
2017年7月，民航局在发布的《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》中明确指出，2025年底建成基于自主知识产权的航空器全球追踪系统，并形成相关标准。
2019年12月，民航局在发布的《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》中明确指出，推动以“北斗”为代表的国产装备在民航的应用，积极推进自主知识产权技术和标准在国际上的应用与引领。
适航标准 民航作为一个高度全球化的行业，所运行的相关技术与行业标准均与国外同步，因此，北斗导航系统要进入民航领域，首先要完成国际标准化，即把北斗的信号机制和相应的设备终端写入到国际民航组织（ICAO）行业标准中。概括地说，国际标准化是推进北斗在民用航空和运输航空应用的基础和前提，北斗在民航应用的最终目标是国际标准化。
2011—2018年，我国先后参加16次ICAO导航系统专家组会议，在ICAO的统一框架下不断推进北斗SARPs的更新。2019年8月，民航局航空器试航审定司发布《仅用作航空器追踪的北斗卫星导航系统（BDS）机载设备》技术标准，用于推进北斗在民用航空器追踪监视的应用。同时，随着北斗三号面向全球提供服务，2019年12月，据中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其介绍，北斗国际标准正快速推进，北斗全球信号技术指标基本完成验证，计划明年进入国际民航组织标准。
飞机加改装 2019年3月，由中国国际航空公司、民航大学联合承担的民航局“民用航空器北斗追踪监视项目”正式实施，整体目标为2019年完成2架飞机加改装，2020年完成18架飞机加改装，2023年实现全部机队共约3000架飞机加改装。该示范项目的立项，标志着民用航空器北斗追踪监视项目进入正式实施阶段。
