论文部分内容阅读
摘 要：本文通过介绍北斗卫星导航系统的发展及特点，结合民航新航行系统对卫星导航的需求，介绍其在民航空管通信、导航、监视方面的应用前景。
关键词：新航行系统（CNS/ATM）；全球卫星导航系统（GNSS）；北斗导航卫星系统（COMPASS）；基于性能导航（PBN）
引言
随着国际民航组织（ICAO）对新航行系统（CNS/ATM）多年来的推广实施，作为其重要组成部分之一的全球卫星导航系统（GNSS），开始逐步被包括中國在内的国际民航界广泛使用。
我国自行研制的北斗（COMPASS）卫星导航定位系统的建设，将为我国民航新一代空管系统的发展带来新的机遇，其可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。
中国民航新一代空管系统未来应用的卫星导航系统将是以北斗COMPASS为基础、兼容美国的GPS卫星导航系统、俄罗斯GLONASS卫星导航系统的综合性系统。
1 北斗卫星导航系统发展及特点
我国于1983年开始筹划建设自主卫星导航定位系统，1994年正式立项建设“双星”快速定位通信系统——“北斗一号”。2003年12月25日“北斗一号”建成并正式开通运行。2004年4月全面对民用用户开放正式运营。
“北斗一号”双星卫星导航系统，采用卫星无线电定位业务（RDSS）原理工作，通过两颗地球静止轨道卫星，由用户以外的中心控制系统完成经卫星至用户的询问式距离测量，计算出用户的三维坐标再告知用户，同时完成了位置报告和用户位置信息共享。该个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。在2008年5.12大地震抗震救灾和2008年北京奥运安保中，发挥了重要的积极的作用。
2006年我国政府发表了《中国的航天》白皮书，特别提到了完善“北斗”导航试验卫星系统，启动并实施“北斗”卫星导航系统计划。开始建设“北斗二号”导航卫星系统。2007年4月14日成功发射第一颗北斗导航卫星，截至2012年10月25日已成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道。目前该系统已进入密集组网高峰阶段，2012年底已经向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，预计2020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统。
北斗卫星导航系统建成后，可以提供覆盖全球提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，测速精度达到0.2m/s，授时精度为10ns。授权服务是向有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
2 中国民航新一代空管系统对自主知识产权的北斗卫星导航需求
改革开放以来中国民航业快速发展，从2005年开我国民航的运输总周转量成为仅次于美国的第二大民航运输系统。为满足这种快速增长的需要，中国民航正加紧推广新航行系统的规划和实施工作。
由于中国经济发展的不平衡，我国的民航运输业也存在发展不平衡的局面。在我国中东部地区，尤其是北京、上海、广州，民航运输量大、空域拥挤、导航设施条件好、雷达实现多重覆盖。而在西部地区，特别是青海、西藏等高原山区，同样有着大量的民航运输需求，由于机场海拔高、地形复杂、地理条件差、地面导航台布设困难、气象环境恶劣等因素，导致这些区域导航和雷达信号覆盖不完全，采用传统导航方式飞行运行困难，迫切需要新技术和新设备来保障飞行运行安全。使用以卫星技术为基础的导航系统，将使航路规划摆脱必须依赖地面设施的约束。
3 新一代空管系统采用现代卫星、信息、网络和自动化技术，将星基系统与现行陆基系统高度集成，构建空天地一体化的通信、导航、监视系统
3.1 通信
民航通信分空空、空地、地地通信三类。已建成的ATM（Asynchronous Transfer Mode即异步传输模式）民航数据网支持ATM业务，帧中继业务，VOLP业务，IP业务，X.25/异步等业务，已成为我国民航数据网、电报网、气象和航行情报等数据交换和传输的主要干线传输媒介。民航C波段、KU波段卫星通信网也作为重要传输媒介，广泛应用于甚高频遥控台线路、雷达数据的传输和连网。民航通信很多方面依赖于高精度时间同步，导航卫星高精度时钟提供的受时服务，可以用于民航通信同步授时。北斗卫星导航系统授时服务精度达到10ns，完全可以替代GPS授时。
北斗卫星导航系统所特有的短报文通信功能，能方便位置的报告及导航信息的交换，可用开发于对民用航空器的监视和生命救援等。
3.2 导航
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。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。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在我国民航系统中应用和普及。
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。
3.3 监视
采用自动相关监视（ADS）的技术，航空器通过空地数据通信链路自动发送其位置、速度等数据到空中交通管制中心和其他用户，以模拟雷达的方式显示出来。主要于洋区、低密度大陆区域，也可作为高密度区域二次监视雷达（SSR）的备份手段。近期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。
4 结束语
随着中国民航新技术的不断使用，我们相信拥有自主知识产权、我自主建设、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会在中国民航未来发展中占据越来越重要的地位。
参考文献
[1]韩松臣.新航行系统导论[D].南京航空航天大学，2003.
关键词：新航行系统（CNS/ATM）；全球卫星导航系统（GNSS）；北斗导航卫星系统（COMPASS）；基于性能导航（PBN）
引言
随着国际民航组织（ICAO）对新航行系统（CNS/ATM）多年来的推广实施，作为其重要组成部分之一的全球卫星导航系统（GNSS），开始逐步被包括中國在内的国际民航界广泛使用。
我国自行研制的北斗（COMPASS）卫星导航定位系统的建设，将为我国民航新一代空管系统的发展带来新的机遇，其可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。
中国民航新一代空管系统未来应用的卫星导航系统将是以北斗COMPASS为基础、兼容美国的GPS卫星导航系统、俄罗斯GLONASS卫星导航系统的综合性系统。
1 北斗卫星导航系统发展及特点
我国于1983年开始筹划建设自主卫星导航定位系统，1994年正式立项建设“双星”快速定位通信系统——“北斗一号”。2003年12月25日“北斗一号”建成并正式开通运行。2004年4月全面对民用用户开放正式运营。
“北斗一号”双星卫星导航系统，采用卫星无线电定位业务（RDSS）原理工作，通过两颗地球静止轨道卫星，由用户以外的中心控制系统完成经卫星至用户的询问式距离测量，计算出用户的三维坐标再告知用户，同时完成了位置报告和用户位置信息共享。该个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。在2008年5.12大地震抗震救灾和2008年北京奥运安保中，发挥了重要的积极的作用。
2006年我国政府发表了《中国的航天》白皮书，特别提到了完善“北斗”导航试验卫星系统，启动并实施“北斗”卫星导航系统计划。开始建设“北斗二号”导航卫星系统。2007年4月14日成功发射第一颗北斗导航卫星，截至2012年10月25日已成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道。目前该系统已进入密集组网高峰阶段，2012年底已经向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，预计2020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统。
北斗卫星导航系统建成后，可以提供覆盖全球提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，测速精度达到0.2m/s，授时精度为10ns。授权服务是向有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
2 中国民航新一代空管系统对自主知识产权的北斗卫星导航需求
改革开放以来中国民航业快速发展，从2005年开我国民航的运输总周转量成为仅次于美国的第二大民航运输系统。为满足这种快速增长的需要，中国民航正加紧推广新航行系统的规划和实施工作。
由于中国经济发展的不平衡，我国的民航运输业也存在发展不平衡的局面。在我国中东部地区，尤其是北京、上海、广州，民航运输量大、空域拥挤、导航设施条件好、雷达实现多重覆盖。而在西部地区，特别是青海、西藏等高原山区，同样有着大量的民航运输需求，由于机场海拔高、地形复杂、地理条件差、地面导航台布设困难、气象环境恶劣等因素，导致这些区域导航和雷达信号覆盖不完全，采用传统导航方式飞行运行困难，迫切需要新技术和新设备来保障飞行运行安全。使用以卫星技术为基础的导航系统，将使航路规划摆脱必须依赖地面设施的约束。
3 新一代空管系统采用现代卫星、信息、网络和自动化技术，将星基系统与现行陆基系统高度集成，构建空天地一体化的通信、导航、监视系统
3.1 通信
民航通信分空空、空地、地地通信三类。已建成的ATM（Asynchronous Transfer Mode即异步传输模式）民航数据网支持ATM业务，帧中继业务，VOLP业务，IP业务，X.25/异步等业务，已成为我国民航数据网、电报网、气象和航行情报等数据交换和传输的主要干线传输媒介。民航C波段、KU波段卫星通信网也作为重要传输媒介，广泛应用于甚高频遥控台线路、雷达数据的传输和连网。民航通信很多方面依赖于高精度时间同步，导航卫星高精度时钟提供的受时服务，可以用于民航通信同步授时。北斗卫星导航系统授时服务精度达到10ns，完全可以替代GPS授时。
北斗卫星导航系统所特有的短报文通信功能，能方便位置的报告及导航信息的交换，可用开发于对民用航空器的监视和生命救援等。
3.2 导航
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。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。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在我国民航系统中应用和普及。
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。
3.3 监视
采用自动相关监视（ADS）的技术，航空器通过空地数据通信链路自动发送其位置、速度等数据到空中交通管制中心和其他用户，以模拟雷达的方式显示出来。主要于洋区、低密度大陆区域，也可作为高密度区域二次监视雷达（SSR）的备份手段。近期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。
4 结束语
随着中国民航新技术的不断使用，我们相信拥有自主知识产权、我自主建设、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会在中国民航未来发展中占据越来越重要的地位。
参考文献
[1]韩松臣.新航行系统导论[D].南京航空航天大学，2003.