北斗RDSS通航监视服务性能测试研究

张兴俭，王振华，赵嶷飞，王 剑

（1.中国民航大学天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）

北斗RDSS通航监视服务性能测试研究

张兴俭1，王振华2，赵嶷飞1，王 剑1

（1.中国民航大学天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）

开展北斗RDSS通航运行监视服务性能测试是推动北斗通航服务应用的重要途径。运用当前北斗用户终端及地面指挥机系统，选取Y-12通航机型，开展了覆盖全国不同纬度、不同机载设备安装方法、包含各个飞行阶段的飞行监视测试，以北斗RDSS位置报告数据接收成功率为指标，分析了纬度、安装方案及飞行阶段对监视性能影响特征。结果显示，不同纬度区域特征下成功率未呈现显著差异，安装方案对成功率具有显著影响，当天线安装于飞机顶部时成功率最高，不同飞行阶段下成功率未出现明显差异。表明北斗RDSS在不同纬度区域以及不同飞行阶段下具有同等监视服务性能，而机载设备天线的安装位置与监视性能息息相关。并基于监视性能探讨了针对不同用户的北斗RDSS通航监视服务性能水平，说明了北斗系统用于通航运行监视的潜力。

北斗RDSS；通航监视；飞行测试；服务性能

通用航空的快速发展对低空空域监视能力和管理方式提出了新的要求，但中国缺乏配套服务设施[1]，尤其是通航运行监视难以保障，存在安全隐患。北斗RDSS特有的位置报告功能为解决该问题提供了良好条件。然而，北斗通航监视应用须经过严格的服务性能测试并制定相应规范才能推广，这也是推进北斗航空应用的必经之路。因此，有必要结合通航发展需求并利用其灵活性，开展北斗通航监视服务飞行测试，为其合理规范应用提供支撑。

近年来，一些学者也探讨了北斗通航应用的特征，重点说明了北斗在通航发展中的应用潜力，并对其应用优势与不足、应用紧迫性及前瞻性启发等进行了探讨，说明北斗通航应用是探索北斗民航应用的第一步[2-4]。也有研究者强调了推进北斗航空服务标准化建设的必要性，提出测试评估的建议[5-7]。这些研究为北斗通航应用测试及标准化的建立提供了参考。总体而言，中国北斗通航应用依然处于探索阶段，缺乏相应性能评估研究，更缺乏标准规范体系。

本次研究重点从通航应用需求角度出发，开展北斗RDSS监视服务性能评估探索。通过设计开展北斗机载设备搭载飞行测试，积累飞行测试数据，分析了区域、机载设备搭载方法、飞行阶段与监视性能的关系特征，探讨了北斗RDSS通航监视服务性能水平。本次探索性研究为持续开展更全面、深入的北斗航空应用服务测试提供了参考。

1 飞行测试方法

1.1 监视测试系统组成及设计

北斗RDSS属于北斗一代系统功能，利用双星定位原理定位并以短报文形式完成位置报告。北斗二代是新一代卫星定位导航系统，能够满足连续精密授时、实时定位等使用要求。目前，北斗RDSS主要用作通信手段，应用中多将北斗二代RNSS与其结合使用，前者实时定位，后者完成位置报告及短报文通信。因此，目前所说的北斗RDSS主要指北斗系统的位置报告和短报文通信功能。北斗RDSS作为通信手段，具有覆盖范围广、受地形影响小、成本低、系统构成简洁等优点[3]。

本次北斗RDSS通航运行监视性能测试所用系统组成如图1所示，部署系统主要包括北斗RDSS指挥机、监视数据收集及位置监视系统、搭载于通航飞机的北斗用户终端。三者组合使用，机载用户终端通过卫星进行精确定位并经由北斗RDSS完成位置报告，指挥机系统接收位置报告数据并存储于监视系统，监视系统融合位置坐标与地图系统实现动态监视。

1.2 北斗机载设备搭载方案设计

测试研究中，机载设备搭载设计主要考虑以下几方面。

1.2.1 机载设备

图1 飞行测试系统组成Fig.1 Flight test system

在北斗机载设备未取得适航许可情况下，设备搭载不可随意改动飞机系统结构，如机身改装、供电连接等。因此，选择独立电池供电方式的北斗用户机作为机载设备，所用设备电池充电后能够支持设备持续运行约12 h。所用北斗RDSS设备每间隔约30 s进行一次位置报告，此为目前典型民用频率。

1.2.2 搭载测试航空器

中国固定翼通航飞机占据主体，相对于旋翼机，固定翼飞机飞行速度快、距离远、范围广、飞行程序要求高，更具代表性。经过对通航公司运行及飞机改装资质情况调研，综合分析并对比机载设备搭载可行性，选定中国自主设计生产的固定翼飞机Y-12机型、共9架进行设备搭载及飞行测试。

1.2.3 安装方案设计

机载设备安装位置对于北斗服务性能至关重要，是北斗航空应用必须明确的内容之一，也是需探讨的重点之一。测试中结合飞机条件及可行性，考虑金属机身可能对信号造成的遮挡问题，设计3种装机方案，重点考虑北斗天线安装，位置分别为机舱内靠窗处、驾驶舱和机顶部。3种方案均未改动飞机现有结构。其中，安装于机舱是在目前条件下的典型应用方法，为减少北斗信号受机身遮挡影响，特将设备安装于靠窗处；放置于驾驶舱则是飞行员灵活性保管和使用设备的方法，将设备放置于前挡玻璃下以减少信号遮挡；将设备天线安装于机顶部，则是推广使用北斗系统设备的典型方法，测试中借用通航公司已有的经具有改装资质单位论证改造过的2架飞机，其机身顶部具有同等天线安装条件，安装中将北斗天线替换原有设备完成搭载。所有北斗设备安装完毕后，首先进行信号干扰测试，确保航电系统未受到北斗机载设备明显干扰；其次，进行北斗RDSS监视功能测试，确保可行性。

1.3 飞行区域设计

中国通航运行区域分布广，覆盖区域从中国南海到东北地区跨越较大纬度，而北斗RDSS通信卫星位于赤道上方的地球同步轨道，且由于电离层与纬度相关，卫星通信受电离层影响，所以通信性能可能与纬度相关。鉴于此，为测试说明北斗RDSS通航监视服务的纬度区域性特征，本研究设计高、低纬度两类飞行测试区域。高纬度飞行地区包括大连、呼和浩特、青岛等附近区域，低纬度地区主要包括三亚、湛江、汕头等附近区域。

1.4 飞行测试及数据采集

根据以上飞行测试因素设计，将北斗机载设备搭载于9架Y-12飞机上，开展了北斗RDSS通航监视性能飞行测试，为保证飞行测试的代表性，所有飞行测试均在实际通航作业中进行，飞行任务包括海监、巡视、勘探等内容，且尽量保证了各种安装位置和纬度组合情形下的飞行时间。

数据采集的过程涵盖了通航飞行程序的不同阶段，每次数据采集从飞行员进入驾驶舱准备起飞时开始到落地后驾驶员下机前，覆盖了地面滑行、起飞、巡航作业、降落等阶段。经过约3个月的时间，跟随实际通航作业过程共采集到飞行起降26架次、131飞行小时的有效位置监视数据，包括了高、低两种纬度和3种天线安装位置各种组合的测试，具体为：低纬度时机舱位置21 h，驾驶舱位置23 h，机顶部位置21 h；高纬度时机舱位置24 h，驾驶舱位置22 h，机顶部位置20 h。

2 北斗RDSS通航监视服务测试数据分析

2.1 数据分析内容及方法

通航运行监视即在完成目标定位的前提下实现位置报告与成功接收，目前定位技术已较为成熟，监视的核心即运用北斗RDSS进行位置报告，地面指挥机接收数据。评估北斗RDSS监视服务性能，即主要测试其是否按照设计完成数据接收。研究中直接选用地面接收到位置报告数据的成功率作为评价指标，定义成功率为地面监视平台实际接收到的数据包数量与按照设定应该接收到的数据包数量之比，该成功率能够直观反映北斗RDSS系统实现的监视服务水平。

分析中以成功率为统计量，首先分析高、低纬度和不同机载设备安装方法对于成功率的影响特征，计算运行过程每小时成功率，运用方差分析方法研究纬度、安装方法两因素与成功率关系。其次，分析飞行程序不同阶段的成功率特征，这里的飞行阶段主要划分为滑行、起飞/降落、巡航作业3个阶段，由于滑行、起飞/降落过程时间较短，其评估主要采用描述性分析方法，计算每架次运行中各阶段的成功率指标，对比说明各阶段下的监视性能特征。

2.2 数据分析结果

2.2.1 纬度与安装位置对成功率影响特征

将飞行测试成功率按照纬度和安装位置两因素分为6组，运用方差分析方法分析两因素对成功率的影响特征。分析表明，纬度对成功率影响并不显著，因素分析结果为 F（1，125）=1.995，p=0.16；安装位置因素分析结果为 F（2，125）=339.87，p<0.001，表明安装位置对于成功率具有显著影响；此外，交互作用分析显示F=1.537，p=0.219，两因素无显著交互作用。

高、低两种纬度地区位置报告的成功率情况如图2所示，高纬度区域成功率均值为0.663，标准差为0.221，低纬度区域均值为0.752，标准差为0.237。可以发现，虽然低纬度地区呈现出稍高的成功率，但并不具有显著性差异，说明不同纬度下北斗RDSS通航监视服务性能具有一定稳定性，服务性能相当，在北斗RDSS服务于通航监视的应用中，可忽略高低纬度区域可能带来的影响。

图2 不同纬度区域成功率水平Fig.2 Success rate level in different latitude areas

图3和图4为不同安装位置方案下的成功率平均水平及数据分布特征，从分析结果可以发现，北斗RDSS通航监视服务性能与机载设备的安装位置息息相关。测试中天线安装于飞机顶部时性能最优，机舱时最差。显然，其主要原因是北斗RDSS信号受到屏蔽问题，位置为机顶时几乎不受任何屏蔽影响，而在机舱时，则受到较大遮挡影响，驾驶舱位置次之。说明机载设备天线的机载安装位置对北斗RDSS通航监视服务性能至关重要，是北斗RDSS通航应用中必须深入研究的一项内容。同时，北斗RDSS系统在天线安装于机顶时表现出的较高且稳定的监视成功率，表明了其本身具备较好的通航监视服务潜力。

2.2.2 飞行阶段对成功率影响

图3 不同安装方案成功率水平Fig.3 Success rate levels of different installation methods

图4 不同安装位置下成功率数据分布特征Fig.4 Success rate distribution of different installation methods

在不同飞行阶段，通航飞机运行的高度、速度具有一定的差异，分析不同阶段的位置报告成功率，有助于了解北斗RDSS通航监视服务在各阶段性能及其与速度、高度的关系特征。在飞行测试中，飞机巡航作业阶段的速度一般为220~270 km/h，高度一般介于1 000~3 000 m，速度与高度属于中国通航典型运行特征。由于天线安装位置对成功率指标的影响较大，所以区分该因素对滑行、起降、巡航作业等飞行阶段下成功率指标进行描述性分析。各条件下均值及标准差如表1所示，各阶段成功率特征如图5~图7所示。

表1 各飞行阶段下的成功率均值及标准差分布Tab.1 Distribution of success rates’average and standard deviation in each flight stage

图5 天线装于机舱内时各飞行阶段成功率均值Fig.5 Success rate average of each flight stage with antenna installed in cabin

图6 天线装于驾驶舱时各飞行阶段成功率均值Fig.6 Success rate average of each flight stage with antenna installed in cockpit

图7 天线装于机顶时各飞行阶段成功率均值Fig.7 Success rate average of each flight stage with antenna installed on top of plane

结果显示，总体来讲各飞行阶段下的成功率指标并未出现明显变化倾向，表明北斗RDSS通航监视服务性能与飞机运行的速度和高度并未有显著相关性，各飞行阶段服务水平相当。其中，当天线安装于机舱内和驾驶舱时，地面滑行阶段表现出稍高的成功率，这可能是由于在地面运行时北斗系统受到干扰程度较低所致，但同时滑行阶段较大的标准差也表明了数据分布的分散性。

2.3 北斗RDSS通航监视服务水平

从飞行测试研究结果可以发现：首先，北斗RDSS服务性能受区域纬度差异影响并不明显；其次，机载设备天线安装位置与服务性能显著相关，未来北斗RDSS的监视应用需将天线安装于飞机顶部，避免信号遮挡；另外，在通航飞行程序的不同阶段，北斗RDSS表现出了同等水平的性能。可以说，当天线安装于机顶部位时表现出的性能代表了北斗RDSS服务于通航监视的最高水平，此时监视成功率较高且稳定。然而，北斗RDSS存在位置报告频度低及通信容量有限的缺点[3]，本次测试所用系统频度约2次/min，这也成为阻碍其全面推广的重要因素之一，提高此性能也是适应未来发展应用需求的重点。

目前，中国通用航空低空空域运行监视能力不足，而通航公司、管制人员以及监管部门对通航运行中的监视均具有迫切需求，通航公司亟需基于监视的运行管理及安全监控；管制员需要基于实时监视的管制服务；监管部门则需要基于监视的安全监管、飞行区域监控及特情告警等。

以本次测试所用系统为例来探讨北斗RDSS通航监视服务水平，在此可将服务水平由不可用到完全可用划分为5个水平，定义5个服务能力等级分别为：1级为不可用、2级为勉强可用、3级为基本可用、4级为可用、5级为完全可用。则根据用户监视需求和北斗RDSS在最佳使用条件下的服务能力，分析探讨通航公司、管制员、监管部门三类用户的监视需求及北斗RDSS服务水平，如表2所示。

表2 北斗RDSS监视性能对各用户的服务水平探讨Tab.2 Discussion on service level of surveillance performance of Beidou RDSS for each user

2.4 展望

本次飞行测试依然处于初步探索研究阶段，全面推进北斗通航应用仍需开展更多工作。在未来面向北斗RDSS通航监视服务的研究中，一方面将继续开展北斗通航服务飞行测试，积累更多测试数据，从各个角度完善北斗服务性能测试评估，确定北斗通航服务的能力及适用性，并明确应用方法策略，提出应用规范建议；另一方面将推进北斗通航服务机载设备研制标准及其适航性标准研究，明确机载设备性能要求、搭载位置及方法，逐步完善北斗通航服务的各项应用方法和规范。

3 结语

本次研究针对北斗RDSS系统应用于通航监视的性能测试评估需求，运用现有北斗用户终端及北斗RDSS指挥机系统，设计开展了北斗通航监视服务飞行试验，选取监视数据包接收成功率为指标，分析了纬度、机载设备安装方案、飞行阶段等几种因素下的北斗RDSS通航监视服务性能特征。分析结果表明：①不同纬度区域下成功率无显著差异，即在不同纬度区域北斗RDSS通航监视服务性能相当；②不同机载设备安装方案对成功率具有显著的影响，当天线安装于机舱内时性能最差，安装于机顶处时具有最好性能；③不同飞行阶段下成功率水平相当，说明服务性能受飞行速度、高度影响不明显。并以此次所用北斗RDSS系统为例，探讨说明了其在通航运行中对不同用户的服务水平。本次研究结果为北斗通航监视应用推广提供支持，为北斗航空应用测试研究提供参考。

[1] 康 永,周建民.通用航空发展现状、趋势和对策分析[J].现代导航,2012(5)：360-367.

[2]张光明.通用航空北斗应用展望[C]//2013年中国通用航空发展论坛论文集,2013：158-163.

[3] 赵陆文,李广侠,戴卫恒,等.北斗RDSS应用于通航空管的机遇与挑战[J].全球定位系统,2015,40(2)：26-30.

[4] 王艳红,赵文智,杨 明.北斗卫星导航系统及其于民航导航的应用[J].计算机测量与控制,2014,22(2)：496-498.

[5]秦 智.北斗卫星导航系统民航应用标准国际化的机遇和挑战[J].中国航天,2011(6)：10-17.

[6]吕小平.北斗卫星导航系统的民航空管应用标准体系研究[J].卫星与网络,2014(1)：46-50.

[7]欧阳霆.北斗卫星导航系统的飞行校验方法[J].中国民航飞行学院学报,2013,24(4)：13-15.

（责任编辑：杨媛媛）

Study on service performance test of Beidou RDSS in general aviation surveillance

ZHANG Xingjian1,WANG Zhenhua2,ZHAO Yifei1,WANG Jian1
（1.Operation Programming&Safety Technology of Air Traffic Management Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China;2.State Key Lab of Satellite Navigation and Equipment Technology,Shijiazhuang 050081,China）

It is an important way for improving the application of Beidou system on general aviation to conduct service per

formance test of Beidou RDSS applied in running surveillance.Beidou user terminals and its command system are used and Y-12 general aviation plane is chosen to carry out the tests.The flight tests includes different latitudes,different installation methods of airborne equipment and different flight stages.The success rate of position report data receiving of Beidou RDSS is used as the index to analyze the effect characteristics of latitude,installation method and flight stage on the surveillance performance.Analyzing results show that there is no significant difference for success rate in different latitude areas.The installation method has significant effect on the success rate and when the antenna is installed on the top of the plane,the success rate reaches the highest.There is no obvious difference for success rate in each flight stage.It can be concluded that Beidou RDSS possesses equivalent surveillance service performance in different latitude areas and flight stages,but the performance is of high correlation with the installation place of antenna.Based on the performance,the service level of Beidou RDSS for each user is discussed to illustrate the potential of Beidou system applied in the surveillance of general aviation.

Beidou RDSS;general aviation surveillance;flight test;service performance

U8；V351.37

A

1674－5590（2017）03－0001－05

2016-10-31；

2017-01-05

国家重点研发计划项目（2016YFB0502405）；中央高校基本科研业务费专项（3122015B003）

张兴俭（1986—），男，河南开封人，助理研究员，博士，研究方向为空中交通管理.