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北斗主导民航安全任重道远

 2014-09-15 11:46:54 来源:民航资源网 作者:航行新技术研究  [投稿排行榜]

      近年来,我国民航事业迎来了黄金发展周期,持续增长的航空客货运输发展对空中交通的运行效率与安全管理提出了更高要求。为了面对迅猛增长的航空运输需求、新一轮空管技术革命和我国低空空域开放的机遇,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》已将“新一代空中交通管理系统”列为重点研究方向。在这一整体发展形势下,我国自主建设、独立运行并与世界其他卫星导航系统相兼容的北斗卫星导航系统如何在“新一代空中交通管理系统”中进行有效地运用,将成为确保我国航空安全、稳健发展的关键,也是国家领空安全的战略思考,是值得深思的。

      事实上,提及北斗的应用我们并不陌生,自2012年科技部出台《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》以来,举国兴起了“北斗热”,耳熟能详的是北斗与GPS双模导航系统在智能交通、物流管理等的实际应用及成功案例。那么,北斗在航空领域的应用目前又是怎样的一个发展情况呢?

      2012年,中国民航科学技术研究院在原有航行新技术研究所(以下简称航行所)的基础上成立了“民航北斗技术应用研究所”,在这个新机构诞生后,航行所便开始着手致力于北斗导航新技术在民航领域的研究、应用与推进工作。在过往的几年中,该所深入参与北斗国际标准化工作,先后与众多研究单位开展合作并承担与北斗相关的国家级重点项目,逐步针对适合民航应用的北斗设备、系统及解决方案开展了大量研发实验工作,为北斗在民航各领域的推广、促进、普及和应用做出了大量的重要工作。

      图:中国民航科学技术研究院航行新技术研究所所长何运成

      图:中国民航科学技术研究院航行新技术研究所博士郭婧

     

      近日,中国机场安防网就“北斗在航空机场领域的应用”采访了航行所所长何运成和该所博士郭婧,经了解发现,当前北斗进入民航最大的瓶颈在于它的国际标准化问题,而机场车辆及航空器的定位引导和通用航空将成为近阶段北斗在民航领域应用的两个重要突破口。

    北斗民航应用分段进行 先期将推行两大重点

      “北斗在民航领域确实处于刚刚起步的阶段,目前还面临着国际航空标准化认可的问题,这一点是目前北斗在民航应用和普及上最大的瓶颈问题,我们现在也在积极参与和配合由航天研发中心主导的北斗民航国际标准化工作”,何运成一语点中要害。

      “因为北斗系统的机载应用涉及适航取证问题,而北斗机载设备的适航取证首先依赖于相关适航法规和标准的完善,是一个非常漫长的过程。这也是为什么北斗在国内很多领域可以很好的应用,而在民航领域一直没有应用起来的主要原因。北斗系统民航应用的工业标准、适航标准、运行标准体系的建立和完善,以及国际民航组织的认可,是北斗系统在民航推广和普及的前提。正是因为有这样一个核心的问题,所以北斗民航国际标准化才是现在当务之急的一项很核心的工作”,郭婧进一步说道。

      据了解,早在2010年中国民航局和中国卫星导航系统管理办公室就已经启动了北斗国际民航标准化这项工作。2010年10月,中国民航局在国际民航组织第37届代表大会上提出了将北斗系统纳入国际民航组织全球卫星导航体系框架和国际民航组织公约附件的要求,并在会后形成了关于“制定标准和建议措施(SARPs)以支持中国北斗系统进入全球框架的实施”的决议。经过多年的努力推进,针对北斗的SARPs草案已经多次向国际民航组织提交,但什么时候获得认可还尚属未知。其中,在北斗民航国际标准化方面,航行所先后承担了国内的北斗民航标准体系、机载接收机适航标准、以及北斗民航PBN运行标准三部分研究工作。

      “北斗目前还属于一个正在建设中的系统,目前只是达到了亚太地区的区域覆盖,所以加入国际民航组织GNSS标准体系框架可能还需要时间”,郭婧指出。

      “所以目前来讲,我们将在机场车辆的监控定位引导、通用航空航空器在空中的实时定位及运行状态监控两个重点方向上去发展北斗应用”,何运成坦言说道。

      据了解,北斗卫星导航系统到2012年底,已成功发射了16颗卫星进行组网运行,正式开始向中国及周边地区提供导航、定位和授时服务,预计2020年,将形成全球服务能力。在此基础上,我国对于北斗在民航领域的应用也是分步骤实施的,根据民航局早前制定的《中国民航基于性能的导航(PBN)实施路线图》显示,通用航空将先行一步应用北斗。

      “‘PBN路线图’明确要求在2013年-2016年(中期阶段)开展面向民航PBN运行的北斗应用研究和实验工作,在远期的2017年-2025年,民航将考虑用北斗系统和其它航行系统兼容使用,从而完成从传统到PBN的一个过渡。同时,‘路线图’也特别指出了要在通用航空领域首先开展北斗的推广和应用工作”,郭婧告诉记者。

      而民航局2012年发布的《中国民用航空ADS-B实施规划》也指出了在2012-2015年间我国民航要加快北斗卫星导航在通用航空监视的应用,民航局支持和推进有关生产厂商研发安全可靠的北斗卫星导航系统机载和地面设备,组织开展兼容北斗的ADS-B机载设备适航审定和地面设备准入审定。该《实施规划》明确了到2016年-2020年将全面引入北斗卫星导航系统的计划。

      图:滨州试验

     

      “可以说,在目前的阶段下,就是先期的研究和验证工作阶段,北斗的重点也应该放在通用航空领域”,郭婧分析表示。

      据介绍,通用航空的运行标准相对于运输航空的标准来说要低得多。目前,航行所正在进行该领域的研发尝试和应用推广工作,并通过在通用航空器上搭载北斗设备进行大量技术验证,为下一步推进北斗在运输航空的应用奠定基础。

      值得一提的是,在开展通用航空北斗试验验证工作上,今年4月,航行所已经在滨州大高机场的钻石42机型和塞斯纳172机型上分别搭载了北斗导航通信一体化终端和ADS-B机载应答机,在地面布设北斗指挥型终端和ADS-B地面站。目前,通过多个起降和空域飞行测试,北斗信号接收良好,定位精度较高,位置报告和短消息功能工作正常。其中,ADS-B机载应答机能够实时向地面站发送飞机的地址码、位置、高度、速度等飞行参数信息,而且监视数据连续无中断。这初步验证了基于北斗的导航、通信和ADS-B监视的数据准确性、可靠性以及技术方案的可行性。

      图:滨州试验

     

      而对于北斗在机场地面上的应用来说,因为不牵扯适航的问题,所以无论从推广力度还是设备的研发难度来说,都相较于机载应用低得多。“为此,我们认为机场车辆或飞机的指挥调度系统将会是北斗应用的一大方向,也会是民航应用北斗技术的最先开始”,郭婧表示。

      目前,航行所正在研发一套“基于北斗与GPS联合定位的机场车辆飞机运行监控系统”。基于这个系统,机场管理机构可以实时地了解机场内车辆的编号、位置、行驶速度和行驶方向等信息,使监控者能随时掌握本部门车辆的位置和状态,并可以及时知道车辆的偏离、越界、侵入等信息,十分便于指挥调度。此外,该系统还配备了ADS-B地面站,能够实时接收机场内滑行飞机发射的ADS-B信号,从而获取航空器的位置信息,并与车辆的定位信息相融合,给出车辆、航空器冲突预警提示。

    自主PBN奠定新一代空中交通管理基石 北斗应用趋势不可逆转

      据悉,当前国内机场都在大力度推进的、由我国自主研发的卫星精密导航技术(PBN)航行技术是我国发展“新一代空中交通管理系统”的重要基石,我国要在2016年前实现PBN在机场的全面应用。这又会对北斗的应用起到什么促进作用呢?

      “PBN运行的三个基础要求就是导航应用、导航规范和支持系统运行的导航设施,而北斗本身就是卫星导航系统,特别是北斗二代,它与GPS的性能是相当的。一方面,北斗可以为PBN提供包括航路、终端区、非精密进近和精密进近全部飞行阶段的导航;北斗的短报文通信也可实现ADS-B和雷达覆盖盲区的航空器监视和应急通信;同时,北斗还可以实现民航通信网络、自动化系统、运控系统、MLAT等的时间同步。另一方面,从国家安全角度上来讲,因为GPS卫星为美国军方控制,所以在某些特定的因素下,有可能存在信号被关闭或被干扰等问题,定位精度有可能会受到影响。而北斗系统是由我们自主控制的,所以在信号的精度和稳定性上是有保证的。所以说,下一步从国家战略的角度上来讲,北斗作为我国具有自主知识产权,自主控制的导航系统必定将在我国航行技术乃至整个民航系统中加以应用和普及”,何运成表示道。

      在提到PBN的优势上,何运成告诉记者,以往传统的导航技术使得航空器只能通过向台和背台来飞行,也就是说必须由导航台信号引导飞机飞行,而PBN这项技术结合了现代飞机的一些机载设备的性能和优势,利用先进的卫星导航技术,使得飞机只要在导航信号覆盖范围内就可以沿任意路径进行飞行,从而使得飞行航迹灵活和精确。

      具体来讲,PBN的独特优势在于:一是由于其使得航空器不依赖于地基导航设备,这样就可以节省在地面建设导航台的费用和对导航台的维护费用;二是它的飞行航迹非常精准,这也就保障了我们航行会更加安全;三是它可以增加我们的空域容量,缩小航空器之间的间隔,大大提升了机场运行的效率;四是缩短了航空器进入机场的时间,不仅节省了航空器的燃油油耗,而且非常环保;五是降低很多机场飞行的运行标准,比如:我国的林芝机场,它是西藏第三座民航机场,机场海拔2949米,属于高高原机场,飞行难度在我国国内排名第一,如果用传统的导航系统,根据该机场当地的气候及天气,它全年平均的可飞行天数只有90几天,现在采用了PBN导航技术后,该机场完全不用考虑天气及恶劣环境等因素基本上全年都可执行飞行任务及计划,所以,这对航空器的运行效率会大大提高。

      “总之PBN航行技术还具有很多传统的航行技术所无法比拟的优点,也是为什么这套新技术可以在短期内得到如此大力度普及应用的主要原因”,何运成总结说,“其实,有关我们自主研发的PBN航行技术的应用早在2010年6月就已经在宁夏固原六盘山机场取得了应用并获得了成功。当时,航行所用东航一架A319飞机进行了我国自主研发的RNP APCH飞行程序的试飞,这实现了我们国家在PBN技术上零的突破”。

      图:PBN应用玉树试飞

     

      据前段时间的介绍数据显示,目前我国已经有116个机场具备了RNP APCH飞行程序,并正在进行大规模普及。同时,在这里需要特别指出的是,针对西藏等高原地区恶劣的飞行环境来讲,航行所打破国外程序供应商的垄断地位,成为国内首个具备RNP AR飞行程序设计能力的单位。目前,航行所已经为厦门航空、西部航空重庆航空完成了拉萨机场的RNP AR飞行程序设计和试飞验证,西藏航空A319-115高高原型飞机玉树机场的RNP AR飞行程序试飞工作也在今年4月圆满完成。

      “上述这些成绩,都表明了我国在推进新一代航行技术上的主动权,这也将为北斗下一步的应用奠定基础。同时,可以预示,北斗在国际民航标准化工作一旦获得认可后,北斗将在我们自研发的PBN航行技术上进一步发挥主动权”,何运成分析说。

    双向短报文为核心优势 为低空开放提供技术支撑

      算上我国自主产权、独立运行的北斗系统,目前全球已经拥有美国的GPS系统,欧洲的GALILEO系统和俄罗斯GLONASS系统四大导航系统并行运行。“北斗多了一个短消息的功能,也就是卫星通讯的功能,这一点是其它卫星导航系统所不具备的,这也是北斗的核心优势”,在说到北斗相较于其它三大导航系统的优势时,何运成告诉记者。

      据介绍,北斗系统采用了RNSS和RDSS双模结构体制,不但具有GPS的导航、定位和授时功能,同时还提供RDSS双向短报文信息服务,这将为航空器的导航和监视提供一体化的解决方案。也就是说,在导航性能上,北斗与GPS及其它的卫星系统是相当的,但是在应用上,北斗技多一筹。

      据了解,目前北斗系统一条短报文的最大容量为120个汉字,但未来随着北斗大系统的扩容,有可能会在通讯能力上有所提升。

      “事实上,全球四大导航系统在性能和技术先进性上都是相当的,不存在谁好谁坏的问题”,郭婧也表达了相同的观点,“在实际应用中,用户可能会发现我用的卫星导航系统越多,我的导航精度、稳定性、连续性就会更好”。

      “例如:在城市中、机场中有些环境下,卫星信号可能会被遮挡,难以同时捕获跟踪四颗卫星完成定位,这时导航定位的连续性难以保证。但是如果采用了多个导航系统的兼容运行后,导航系统整体性能将会提升20%-30%。在这方面我认为,未来民航对于北斗应用的政策应该是与GPS相兼容的,并非只应用北斗”,她进一步说道。

      “由于具备短消息的功能,所以北斗可以实现对飞机的实时位置信息的监控,这将有效解决下一步低空开放的问题,为我国低空开放提供一个技术支撑”,何运成指出。

      “众所周知,通用航空的发展涉及到了低空开放的问题,目前,低空开放的一大瓶颈问题就是在难以对通用航空器实施有效监控。在这方面我们可以充分利用北斗的导航定位和短消息功能,从而确保未来低空开放后我们可以顺利地监控到飞机的位置,也就是说北斗将对我国低空开放发挥很重要的促进作用”,他解释道。

      目前,航行所充分利用北斗的短报文通信功能,研发了“基于北斗的机载RNSS+RDSS双模接收机”,该接收机可以为通用航空飞行器的导航和监视提供一体化的解决方案,并能够实现航空器的自动位置报告,解决监视问题。由于采用了卫星通信链路,系统将实现无监视盲区、飞行员与地面间的应急通信等功能。

    多重努力实战应用不断推动北斗挺进民航

      当然,对于北斗在民航机场领域的应用,除了参与北斗国际民航标准化、不断开展通用航空北斗试验验证工作、“基于北斗与GPS联合定位的机场车辆飞机运行监控系统”、“基于北斗的机载RNSS+RDSS双模接收机”等成绩之外,航行所还在相关研究项目上和其它重要应用设备及系统的研发一直没有停止步伐。

      据了解,自民航北斗技术应用研究所成立后,航行所就开始与众多研究单位开展了紧密地合作,包括空军装备研究院通信导航与自动化研究所,清华大学等高校。在这些合作体制下,他们先后承担了国家自然科学基金的重点项目之一——北斗二代在民用航空导航中的应用研究和民航局科技引领资金的一个重大专项——基于北斗的导航监视应用及运行验证,虽然这两个项目都属于科研项目,但是为北斗在民航应用的推进工作都奠定了一个良好的基础和设备研发方面的支持。

      目前,该所已经与清华大学联合研发了机场北斗卫星信号监视设备,这套设备可以监测接收北斗、GPS、GLONASS、GALILEO四系统全频段的卫星信号,对机场复杂电磁环境下北斗系统的空间信号和系统性能进行实时监测和定量评估,并与GPS等数据进行比对。这有效地解决了当前北斗在民航实际应用中数据严重缺乏的局面。

      “有了这些监测数据我们就可以分析和评估北斗系统的关键性能指标,明确其与现阶段民航运行要求的差异性和符合性。也就是说北斗要代替GPS或者北斗要与GPS进行兼容运行那么我们首先要知道北斗系统的性能是不是能满足于民航的各项运行要求”,郭婧介绍说。

      除了填补北斗在民航应用上的关键数据空白之外,航行所目前还正在研发——“基于北斗的便携式机载ADS-B应答机设备”。“ADS-B和PBN作为航空器导航与监视上的新技术都要通过卫星导航实现定位的信息源,那么北斗将来如何与ADS-B做结合,这将体现在‘机载应答设备’上,为此,我们正在研究的基于北斗的ADS-B的机载应答的设备就是实现北斗与ADS-B的充分结合”。

      截止记者发稿时,航行所还正在与空军装备研究院通信导航与自动化研究所、清华大学筹建北斗联合实验室,以开展军民航领域的北斗技术交流与合作,实现信息共享。

      “对我们来讲,北斗就像是自己的孩子,他才刚刚诞生不久,还有一段很长的路要走。我们作为民航的一个科研单位,一个技术支持单位,对于北斗在民航领域的应用我们有义不容辞的责任,我们也会尽全力把北斗应用好”,在采访结束时,何运成自信而又坚定地向记者说道。

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    (供稿:中国民航科学技术研究院航行新技术研究所