基于北斗的通用航空位置服务系统研究与应用

孙元

摘要：随着低空建设的深入推进，通航飞行需求日趋旺盛，对低空空域管理和通航飞行服务也提出了更高的要求，通用航空产业发展和行业管理需要建立健全完善可靠的通航系统监管体系。本文研究了北斗技术和大数据技术在通用航空领域的应用，完成通用航空器运行过程中的信息采集、信息处理、信息传输和信息融合，确保通用航空器数据的安全性、即时性，并可在整个航空领域推广。建立通用航空领域的基于北斗的综合监管平台，对通用航空领域的北斗数据进行资源整合、统一管理，提高行业管理效能，满足通用航空产业发展的巨大需求。

关键词：通用航空；北斗；大数据；监管平台

一、现状分析

随着低空空域逐步全面开放，中国通用航空及相关产业进入迅速成长期。国家对低空开放出台了一系列政策文件，制订了“试点-推广-全面开放”的发展路线，“十二五”期间低空空域管理改革试点不断扩大，取得初步成果；2016年5月，国务院办公厅印发《关于促进通用航空业发展的指导意见》，对“十三五”期间通航的发展和低空空域管理提出了指导和要求。

随着北斗卫星导航系统的建设，北斗技术结合大数据处理技术在通用航空领域应用条件已经逐步成熟，在基于性能的导航领域、在通用航空的航空器监管要求方面，国内已经开始做预先研究，但在整个通用航空监管方面，如何整合现有的时空资源，形成统一的平台，还需要做深入的研究。

二、发展趋势

通用航空飞行保障设施不够先进和完善，不能对通航发展形成有效支撑，现有的空管手段难以对其实现跟踪监控，在我国许多地区，低空空域飞行监控不到的现象普遍存在，我国航路上实行的是雷达管制，而由于成本问题在低空实现雷达管控并不现实。

当前我国通航参与方各自管控一部分通航空管信息资源，已试点建设的低空监视通信系统和飞行服务站等保障系统之间、各参与方之间没有统一的信息规范和传输规范，无法实现信息资源的共享，因而不能进行有效的航空信息资源整合，没有有效的行业管理手段，协同效率低，很难为通航飞行器提供更方便、更快捷、更优质的服务。为弥补当前通航监视、通信、导航覆盖范围有限的不足，需要引入新技术体制进入通航空管信息保障体系。

三、研究方案

1. 系统架构

通过北斗+大数据处理，构建基于北斗时空服务、面向通用航空监管业务、具有海量數据处理能力的通用航空监管平台，为通用航空行业提供真实可信的新型监管服务。系统架构如下。

源数据层完成机载导航数据与空管数据的接入；信息整合层利用大数据技术及网络资源完成信息的处理和上传；业务支持层运用大数据技术各种通用航空业务的处理和信息分发，根据不同的业务要求为行业监管以及从业者提供服务；平台层则是整个通用航空监管平台的信息汇集和中心，控制和处理总体的信息平台。

2.技术路线

（一）北斗航空器终端

结合北斗终端技术与地空通信技术，研发北斗航空器终端，实现航空器飞行过程实时信息采集与传输；同时，根据机载载体的不同要求（如悬翼、固定翼、无人机等）定制不同的终端解决方案。

基于北斗的地空双向通信、基于兼容GPS/北斗双模定位ADS-B OUT的地空监视、基于ADS-B IN的空中交通态势感知与空中临近提醒。北斗可将航空器位置信息、识别信息通过北斗短报文发送到地面，实现地空监视，利用ADS-B OUT技术可以提供更高更新率的地空监视。

引入北斗作为ADS-B定位数据源，是提升地空监视安全性的必经途径；北斗短报文可以传输地面指令和机组下发消息，实现通航地空双向通信。ADS-B IN技术使航空器可以接收周围飞机的ADS-B信息并实现交通态势感知，可以实现适用于通用航空飞行特点的“类TCAS”功能，进一步提高通用航空飞行安全。

（二）监管平台

（1）软件层次结构

基于大数据平台服务，通用大数据监管平台将综合利用GIS，并参考主流空管自动化系统。GIS技术把地图的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作集成在一起，这种能力使GIS与普通地图相比，具有解释、预测、规划的能力，这对于空中交通管制，尤其是地理信息丰富的通航交通管制来说，有非常重大的意义。在空域分类管理、流量统计分析、航路管理等方面，GIS丰富的信息及方便的数据库相关操作将带来很大的好处，不但对通航有特殊意义，对于民航尤其是日益紧张的民航机场流量管理也会有很好的预研意义。

（2）平台软件框架

为保证系统的稳定性、可靠性，软件采用层次化、模块化的双套冗余设计。外部接口主要包括来自民航空管自动化的监视数据和飞行数据，来自通航自主监视传感器如ADS-B系统的监视数据，来自RDSS的上报信息数据，AWOS/QNH等必要的环境信息数据；全系统通过NTP时间同步，设有监控系统对硬件设备、软件进程、通信接口等运行状态等进行实时监控；双套冗余的服务器能够处理监视数据和飞行数据，并基于GIS服务信息进行告警、统计、分析计算，系统具有记录重演功能，能够方便地进行空情追溯管理。系统包括3种类型的终端：管制相关数据发送到管制显示终端；FPL的申请和审批通过web方式，按照既定的审批报备流程进行管理，发送至服务器，并可根据用户权限对服务器端的历史飞行数据进行查询；最后，还可以根据每个航空器的申请，推送与该航空器相关的飞行情报和导航信息。

四、技术创新

将北斗技术与大数据技术相结合，实现通用航空领域的以下技术创新：

1.基于北斗的通航监管平台

由于大量业务和监管信息的引入，需要分析航空器与空中交通态势的结合、自动分析和辅助决策，研究在复杂地理环境中的路由规划和智能引导算法。该平台结合监管与业务需求，既有指挥调度和决策能力，还能提供通用航空的综合服务。

2.机载导航终端可靠性设计

为保证机载终端的可靠性，需要综合考虑机载终端在载体内复杂的电磁环境、通信定位外界干扰等情况，在数据通信协议制定、低空通信的冗余性设计上保证，并在结构和工艺上确保可靠性。

五、意义和前景

通用航空作为民用航空的主要组成部分，对社会经济发展的贡献，不仅仅体现在通用航空的自身发展，而是通过通用航空发展，实现通用航空制业发展和航空设计研发发展，并由此带动通用航空上游产品和下游产品的整体发展。

本系统将推动北斗技术和大数据技术在通用航空领域的应用，完成通用航空器运行过程中的信息采集、信息处理、信息传输和信息融合，确保通用航空器数据的安全性、即时性，并可在整个航空领域推广。本系统的完成将为北斗产业链带来新的市场契机，北斗机载便携终端的推广将带动北斗芯片、模块、终端及应用平台的发展。同时，航空领域中北斗与云计算的结合将促进北斗在更加广泛的大数据领域推广应用。

通航行业监管与服务保实际上是一个系统化、规范化、协同化的過程，空管信息需要标准化和规范化，行业管理和业务应用需要协同化运作，因此通过对本项目的顺利执行，不但在通用航空领域的管制和服务发挥重要作用，对于进入军航管制业务，民航管制业务，通航公司业务（含航校），企业和公众业务，满足军航、民航、监管、通航运营、用户等单位和个人的不同业务需求，市场前景广阔。

参考文献：

[1]《北斗卫星导航系统交通运输行业应用专项规划（公开版）》（交规划发〔2017〕187号）.

[2]“北斗”卫星导航系统在低空空域监管系统中的应用[J]. 刘纪红，王倩倩，杨丽. 电讯技术. 2012（01）.

[3]基于北斗的通用航空指挥监控系统的应用研究[J]. 连林珍. 无线互联科技. 2017（07）.

[4]基于数据分析的中国通航发展情况研究[J]. 许冀威.中国民航飞行学院学报. 2017（05）.

[5]Clock-based RAIM method and its application in GPS receiver positioning[J]. 滕云龙，师奕兵. Journal of Central South University. 2012（06）.

[6]北斗卫星导航系统性能评估理论与试验验证[D]. 胡志刚.武汉大学 2013.

[7]卫星导航系统性能监测及评估方法研究[D]. 李作虎.解放军信息工程大学 2012.