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基于北斗的民航追蹤監視體系應用發展綜述
來源:尖兵之翼
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作者:任 奇 陶志平 孟 斌 周中華 何大海 張承皓
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發布時間: 2020-09-01
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目前主要通過航空器通信尋址報告系統（ACARS）、廣播式自動相關監視（ADS-B）和雷達等監視方式實現...
監視技術是現代民航運行及空中交通管理的重要技術基礎。目前主要通過航空器通信尋址報告系統（ACARS）、廣播式自動相關監視（ADS-B）和雷達等監視方式實現。本文對國內外追蹤監視體系發展歷程進行概述，然后結合國內北斗天基資源全球化的服務，分析國內未來監視技術的應用和發展趨勢。
2014年3月，馬航MH370失聯在全球引發極大震動，國際民航組織（ICAO）各成員國及全球業界正系統推進航空器追蹤監控工作。習總書記提出了重要批示，要求加強航空安全保障體系、航空安全監控能力、技術裝備支撐能力和應急反應處置能力監視。監視技術是現代民航運行及空中交通管理的重要技術基礎。
中國民航局于2016年底啟動中國民航航空器全球追蹤監控體系建設工作，旨在全面提升我國在民用航空器的全球追蹤監控能力，加強我國航空安全保障體系建設，并提出了“先通用后運輸，先監視后導航”的“北斗”應用實施策略。目前，將北斗作為我國民用航空的主用導航系統，可使我國民航擺脫對國外GNSS星座的依賴，在保障飛行安全和提高運行效率方面發揮重要作用。此外，民用航空是最高端用戶，推進北斗在民航追蹤監視領域應用，是服務國家戰略與國家安全大局的重要需要，是推進國家空管體制改革大局的需要，是進一步提升民航安全水平的需要，也是提升中國民航國際競爭力與話語權的需要。
監視是飛機安全飛行和空中交通管理的基礎。獨立監視手段主要有一次監視雷達（PSR）、A/C/S模式二次雷達（SSR）及自動相關監視等。自動相關監視依靠航空器自主定位和報告實現，該監視手段主要有約定式自動相關監視（ADS-C）和廣播式自動相關監視（ADS-B），其中ADS-B技術在民航得到廣泛應用。而在國內，由于北斗短報文系統的優勢，在民航系統中越來越得到重視，是在基于星基的ADS-B技術成熟之前的一種重要手段。
國外民航監視體系發展現狀
飛機通信尋址與報告系統（ACARS） ACARS系統由美國ARINC公司在20世紀70年代開發，并于1978年正式投入使用，使空地之間的通信由單純的語音通信擴展為現階段的語音和數字電報（ACARS報文）兩種方式，實現了空地通信系統的重大變革，得到國際民航界的普遍認同。系統高達99.999%的有效性和方便的空地數據傳輸方式，是民航最值得信賴、最為可靠的空地通信系統。但傳輸延時、信道競爭和速度較低等問題也隨著民航業務量的迅速膨脹成為制約ACARS空地數據鏈高速發展的技術瓶頸。
二次雷達 20世紀70年代初，計算機技術和雷達結合實現了航管雷達的全自動化。航管二次雷達是指提供地面對空中交通監視和管制用的二次雷達系統。地面上設置掃描詢問雷達，飛機上裝有雷達應答機，兩者在L頻率上呼應工作。地面雷達將收到飛機發來的應答信號經處理后，能在平面位置顯示器上顯示目標光點，位置對應于飛機的方位和距離。這一系統在1957年被國際民航組織采納為標準的空中交通監視系統。這個系統極大改善了空中管制環境，提高了管制效率，可用于重大任務保障和應急保障等。
ADS-B ADS-B是國際民航組織確定的未來主要監視技術，是利用空地、空空數據通信完成交通監視和信息傳遞的一種航行新技術。該技術將衛星導航、通信技術、機載設備以及地面設備等先進技術相結合，為飛行提供了更加安全、高效的監視手段，擴大了監視覆蓋范圍，有效提高了空中交通安全水平、空域容量與運行率，它不需飛行員干預和地面詢問，自動周期性向所有用戶廣播監視數據，提供航空器的位置、高度、速度、方向和識別碼等信息，其監視數據依賴機載設備（如氣壓高度表）、導航信息來源于全球導航衛星系統GNSS等。目前，ADS-B技術逐漸成熟，ADS-B系統已經成為世界各國新空中交通管理系統的重要組成部分。
美國、歐洲等發達國家不僅把ADS-B作為下一代空管的核心技術，而且還在積極探索開發ADS-B的其他擴展應用，包括利用低軌衛星星座構建ADS-B網絡，實現對航空平臺的全球無縫監視。其中：美國聯邦航空管理局（FAA）“新一代航空運輸系統”（NGATS）計劃中提出新一代空中交通系統NextGen計劃，旨在基于星基的ADS-B技術實現全球航空器實時追蹤；歐洲“單一天空計劃”提出在監視方面，ADS-B為飛機全球追蹤提供技術手段，確保2025年實現全歐洲范圍內一體化、無縫式空中交通管理系統，促進歐洲范圍內的空中活動安全有序，并最大限度地提高歐洲空域容量和空管效率。目前較為成熟的有“銥星二代”系統和“全球星二代”系統。
國內民航監視體系發展現狀
ACARS 中國民航約有97%的運輸飛機已經安裝了ACARS系統，因此，現階段使用ACARS位置報告對國際航班及運行于偏遠地區的航班實施例行航空器追蹤監控的硬件條件已初步具備。
民航局于2016年6月組織開展了航空器全球追蹤監控區域演示驗證，國航、東航、南航、海航等4家航空公司在13個典型運行區域的42條航線、89個航段參與演示驗證。數據統計與分析結果顯示，國際運行中實施基于ACARS的4D/15追蹤可有效覆蓋海洋、極地等運行區域，總體4D/15追蹤符合率超過93%，30分鐘內能夠自行恢復的4D/15追蹤符合率超過98%。
可見，航空公司建立基于ACARS等現有技術的正常航班全球追蹤監控能力。同時，民航局下發了《航空承運人航空器追蹤監控實施指南》咨詢通告，實現中國民航各航空公司在中國九大飛行情報區外運行的航班滿足4D/15追蹤要求，并完成相關補充運行合格審定工作。
二次雷達 二次雷達能夠獲得飛機的代碼、距離、方位、高度等信息，是我國目前主要的空管監視數據源。據了解，目前國內民航空管系統共有13套移動二次雷達設備、100多套二次雷達設備。其中，國內絕大部分機場采用單脈沖二次雷達，只有北京首都機場安裝有2部、上海虹橋機場裝有1部帶有S模式的法國THALES公司生產的二次雷達。目前，我國民航進入了一個大規模的雷達更新換代的基礎建設階段，S模式雷達正在逐步取代目前的常規二次雷達，成為主要的二次雷達采購類型。
ADS-B 中國民用航空局于2017年12月26日下發明傳電報《關于ADS-B機載設備加改裝相關工作要求的通知》（局發明電[2017]3685號），為大型飛機公共運輸合格證持有人如何加改裝ADS-B機載設備提出了明確的要求。通知要求，在2022年12月31日前，安裝滿足RTCA DO-260B標準并經相關適航批準的S模式應答機；安裝具備SA AWARE功能，或安裝通過星基增強系統增強GNSS信號并經過相關適航批準的衛星定位信號或接收設備。
中國國際貨運航空公司于2019年2月1日至2月17日完成了首架波音757飛機滿足DO-260B標準的ADS-B Out系統改裝工作。預計未來幾年，國內將陸續迎來ADS-B改裝的高潮，各航空公司和國內民航維修企業應提前謀劃，積極應對。
我國民航領域對航空器追蹤監視的訴求是全球覆蓋、自主可控。目前，中國民航約有97%運輸飛機已安裝了ACARS系統，該系統在地面網絡覆蓋區域使用地面基站，在地面網絡盲區使用衛星通信，是當前追蹤監控的主要手段，但由ARINC（ACARS系統國際運營商）運營，無法自主可控，需繳納大額服務費用。而部署于機場的二次雷達、部署于航路的ADS-B地面臺站均存在覆蓋盲區，無法解決全球覆蓋問題。
基于北斗的民航追蹤監視體系發展
民航局在發布的《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》和《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》中明確指出，利用國家自主可控天基信息資源，推動以“北斗”為代表的國產裝備在民航的應用，積極推進自主知識產權技術和標準在國際上的應用于引領，推動北斗技術在民航領域的應用，填補民航追蹤監視應用上自助可控技術的空白。
北斗衛星導航系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供定位、導航、授時和短報文服務的國家重要空間基礎設施。北斗的定位以及獨有的短報文功能，為民航航空器追蹤監視提供了技術支撐，能夠滿足民航追蹤監視體系的要求。
基礎設施建設 2018年12月27日，北斗系統服務范圍由區域擴展為全球，北斗系統正式邁入全球時代。2020年6月23日，我國成功發射北斗三號最后一顆全球組網衛星，至此北斗三號全球衛星導航系統星座部署比原計劃提前半年全面完成建設。北斗的定位、全球和區域短報文功能，能夠滿足全球覆蓋內的航空器追蹤監視要求，也是當前作為可行的自主追蹤監視手段。只要能夠在適航認證等方面取得突破，就可以完全替代GPS，解決當前民航自主可控發展關鍵問題，為民航提供優質的定位數據服務。
政策環境 2014年3月，馬航MH370失聯在全球引發了極大震動，國際民航組織（ICAO）各成員國及全球業界正系統推進航空器追蹤監控工作。習總書記做出重要批示，要求加強航空安全保障體系、航空安全監控能力、技術裝備支撐能力和應急反應處置能力建設。
2017年7月，民航局在發布的《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》中明確指出，2025年底建成基于自主知識產權的航空器全球追蹤系統，并形成相關標準。
2019年12月，民航局在發布的《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》中明確指出，推動以“北斗”為代表的國產裝備在民航的應用，積極推進自主知識產權技術和標準在國際上的應用與引領。
適航標準 民航作為一個高度全球化的行業，所運行的相關技術與行業標準均與國外同步，因此，北斗導航系統要進入民航領域，首先要完成國際標準化，即把北斗的信號機制和相應的設備終端寫入到國際民航組織（ICAO）行業標準中。概括地說，國際標準化是推進北斗在民用航空和運輸航空應用的基礎和前提，北斗在民航應用的最終目標是國際標準化。
2011—2018年，我國先后參加16次ICAO導航系統專家組會議，在ICAO的統一框架下不斷推進北斗SARPs的更新。2019年8月，民航局航空器試航審定司發布《僅用作航空器追蹤的北斗衛星導航系統（BDS）機載設備》技術標準，用于推進北斗在民用航空器追蹤監視的應用。同時，隨著北斗三號面向全球提供服務，2019年12月，據中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其介紹，北斗國際標準正快速推進，北斗全球信號技術指標基本完成驗證，計劃明年進入國際民航組織標準。
飛機加改裝 2019年3月，由中國國際航空公司、民航大學聯合承擔的民航局“民用航空器北斗追蹤監視項目”正式實施，整體目標為2019年完成2架飛機加改裝，2020年完成18架飛機加改裝，2023年實現全部機隊共約3000架飛機加改裝。該示范項目的立項，標志著民用航空器北斗追蹤監視項目進入正式實施階段。
2014年3月，馬航MH370失聯在全球引發極大震動，國際民航組織（ICAO）各成員國及全球業界正系統推進航空器追蹤監控工作。習總書記提出了重要批示，要求加強航空安全保障體系、航空安全監控能力、技術裝備支撐能力和應急反應處置能力監視。監視技術是現代民航運行及空中交通管理的重要技術基礎。
中國民航局于2016年底啟動中國民航航空器全球追蹤監控體系建設工作，旨在全面提升我國在民用航空器的全球追蹤監控能力，加強我國航空安全保障體系建設，并提出了“先通用后運輸，先監視后導航”的“北斗”應用實施策略。目前，將北斗作為我國民用航空的主用導航系統，可使我國民航擺脫對國外GNSS星座的依賴，在保障飛行安全和提高運行效率方面發揮重要作用。此外，民用航空是最高端用戶，推進北斗在民航追蹤監視領域應用，是服務國家戰略與國家安全大局的重要需要，是推進國家空管體制改革大局的需要，是進一步提升民航安全水平的需要，也是提升中國民航國際競爭力與話語權的需要。
監視是飛機安全飛行和空中交通管理的基礎。獨立監視手段主要有一次監視雷達（PSR）、A/C/S模式二次雷達（SSR）及自動相關監視等。自動相關監視依靠航空器自主定位和報告實現，該監視手段主要有約定式自動相關監視（ADS-C）和廣播式自動相關監視（ADS-B），其中ADS-B技術在民航得到廣泛應用。而在國內，由于北斗短報文系統的優勢，在民航系統中越來越得到重視，是在基于星基的ADS-B技術成熟之前的一種重要手段。
國外民航監視體系發展現狀
飛機通信尋址與報告系統（ACARS） ACARS系統由美國ARINC公司在20世紀70年代開發，并于1978年正式投入使用，使空地之間的通信由單純的語音通信擴展為現階段的語音和數字電報（ACARS報文）兩種方式，實現了空地通信系統的重大變革，得到國際民航界的普遍認同。系統高達99.999%的有效性和方便的空地數據傳輸方式，是民航最值得信賴、最為可靠的空地通信系統。但傳輸延時、信道競爭和速度較低等問題也隨著民航業務量的迅速膨脹成為制約ACARS空地數據鏈高速發展的技術瓶頸。
二次雷達 20世紀70年代初，計算機技術和雷達結合實現了航管雷達的全自動化。航管二次雷達是指提供地面對空中交通監視和管制用的二次雷達系統。地面上設置掃描詢問雷達，飛機上裝有雷達應答機，兩者在L頻率上呼應工作。地面雷達將收到飛機發來的應答信號經處理后，能在平面位置顯示器上顯示目標光點，位置對應于飛機的方位和距離。這一系統在1957年被國際民航組織采納為標準的空中交通監視系統。這個系統極大改善了空中管制環境，提高了管制效率，可用于重大任務保障和應急保障等。
ADS-B ADS-B是國際民航組織確定的未來主要監視技術，是利用空地、空空數據通信完成交通監視和信息傳遞的一種航行新技術。該技術將衛星導航、通信技術、機載設備以及地面設備等先進技術相結合，為飛行提供了更加安全、高效的監視手段，擴大了監視覆蓋范圍，有效提高了空中交通安全水平、空域容量與運行率，它不需飛行員干預和地面詢問，自動周期性向所有用戶廣播監視數據，提供航空器的位置、高度、速度、方向和識別碼等信息，其監視數據依賴機載設備（如氣壓高度表）、導航信息來源于全球導航衛星系統GNSS等。目前，ADS-B技術逐漸成熟，ADS-B系統已經成為世界各國新空中交通管理系統的重要組成部分。
國內民航監視體系發展現狀
ACARS 中國民航約有97%的運輸飛機已經安裝了ACARS系統，因此，現階段使用ACARS位置報告對國際航班及運行于偏遠地區的航班實施例行航空器追蹤監控的硬件條件已初步具備。
民航局于2016年6月組織開展了航空器全球追蹤監控區域演示驗證，國航、東航、南航、海航等4家航空公司在13個典型運行區域的42條航線、89個航段參與演示驗證。數據統計與分析結果顯示，國際運行中實施基于ACARS的4D/15追蹤可有效覆蓋海洋、極地等運行區域，總體4D/15追蹤符合率超過93%，30分鐘內能夠自行恢復的4D/15追蹤符合率超過98%。
可見，航空公司建立基于ACARS等現有技術的正常航班全球追蹤監控能力。同時，民航局下發了《航空承運人航空器追蹤監控實施指南》咨詢通告，實現中國民航各航空公司在中國九大飛行情報區外運行的航班滿足4D/15追蹤要求，并完成相關補充運行合格審定工作。
二次雷達 二次雷達能夠獲得飛機的代碼、距離、方位、高度等信息，是我國目前主要的空管監視數據源。據了解，目前國內民航空管系統共有13套移動二次雷達設備、100多套二次雷達設備。其中，國內絕大部分機場采用單脈沖二次雷達，只有北京首都機場安裝有2部、上海虹橋機場裝有1部帶有S模式的法國THALES公司生產的二次雷達。目前，我國民航進入了一個大規模的雷達更新換代的基礎建設階段，S模式雷達正在逐步取代目前的常規二次雷達，成為主要的二次雷達采購類型。
ADS-B 中國民用航空局于2017年12月26日下發明傳電報《關于ADS-B機載設備加改裝相關工作要求的通知》（局發明電[2017]3685號），為大型飛機公共運輸合格證持有人如何加改裝ADS-B機載設備提出了明確的要求。通知要求，在2022年12月31日前，安裝滿足RTCA DO-260B標準并經相關適航批準的S模式應答機；安裝具備SA AWARE功能，或安裝通過星基增強系統增強GNSS信號并經過相關適航批準的衛星定位信號或接收設備。
中國國際貨運航空公司于2019年2月1日至2月17日完成了首架波音757飛機滿足DO-260B標準的ADS-B Out系統改裝工作。預計未來幾年，國內將陸續迎來ADS-B改裝的高潮，各航空公司和國內民航維修企業應提前謀劃，積極應對。
我國民航領域對航空器追蹤監視的訴求是全球覆蓋、自主可控。目前，中國民航約有97%運輸飛機已安裝了ACARS系統，該系統在地面網絡覆蓋區域使用地面基站，在地面網絡盲區使用衛星通信，是當前追蹤監控的主要手段，但由ARINC（ACARS系統國際運營商）運營，無法自主可控，需繳納大額服務費用。而部署于機場的二次雷達、部署于航路的ADS-B地面臺站均存在覆蓋盲區，無法解決全球覆蓋問題。
基于北斗的民航追蹤監視體系發展
民航局在發布的《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》和《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》中明確指出，利用國家自主可控天基信息資源，推動以“北斗”為代表的國產裝備在民航的應用，積極推進自主知識產權技術和標準在國際上的應用于引領，推動北斗技術在民航領域的應用，填補民航追蹤監視應用上自助可控技術的空白。
北斗衛星導航系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供定位、導航、授時和短報文服務的國家重要空間基礎設施。北斗的定位以及獨有的短報文功能，為民航航空器追蹤監視提供了技術支撐，能夠滿足民航追蹤監視體系的要求。
基礎設施建設 2018年12月27日，北斗系統服務范圍由區域擴展為全球，北斗系統正式邁入全球時代。2020年6月23日，我國成功發射北斗三號最后一顆全球組網衛星，至此北斗三號全球衛星導航系統星座部署比原計劃提前半年全面完成建設。北斗的定位、全球和區域短報文功能，能夠滿足全球覆蓋內的航空器追蹤監視要求，也是當前作為可行的自主追蹤監視手段。只要能夠在適航認證等方面取得突破，就可以完全替代GPS，解決當前民航自主可控發展關鍵問題，為民航提供優質的定位數據服務。
政策環境 2014年3月，馬航MH370失聯在全球引發了極大震動，國際民航組織（ICAO）各成員國及全球業界正系統推進航空器追蹤監控工作。習總書記做出重要批示，要求加強航空安全保障體系、航空安全監控能力、技術裝備支撐能力和應急反應處置能力建設。
2017年7月，民航局在發布的《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》中明確指出，2025年底建成基于自主知識產權的航空器全球追蹤系統，并形成相關標準。
2019年12月，民航局在發布的《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》中明確指出，推動以“北斗”為代表的國產裝備在民航的應用，積極推進自主知識產權技術和標準在國際上的應用與引領。
適航標準 民航作為一個高度全球化的行業，所運行的相關技術與行業標準均與國外同步，因此，北斗導航系統要進入民航領域，首先要完成國際標準化，即把北斗的信號機制和相應的設備終端寫入到國際民航組織（ICAO）行業標準中。概括地說，國際標準化是推進北斗在民用航空和運輸航空應用的基礎和前提，北斗在民航應用的最終目標是國際標準化。
2011—2018年，我國先后參加16次ICAO導航系統專家組會議，在ICAO的統一框架下不斷推進北斗SARPs的更新。2019年8月，民航局航空器試航審定司發布《僅用作航空器追蹤的北斗衛星導航系統（BDS）機載設備》技術標準，用于推進北斗在民用航空器追蹤監視的應用。同時，隨著北斗三號面向全球提供服務，2019年12月，據中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其介紹，北斗國際標準正快速推進，北斗全球信號技術指標基本完成驗證，計劃明年進入國際民航組織標準。
飛機加改裝 2019年3月，由中國國際航空公司、民航大學聯合承擔的民航局“民用航空器北斗追蹤監視項目”正式實施，整體目標為2019年完成2架飛機加改裝，2020年完成18架飛機加改裝，2023年實現全部機隊共約3000架飛機加改裝。該示范項目的立項，標志著民用航空器北斗追蹤監視項目進入正式實施階段。
