仅用作航空器追踪的北斗机载设备适航要求分析

马赞，周中华，王鹏，胡剑波，柯炳清

1.中国民航大学 民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300 2.空军工程大学 装备管理与无人机工程学院，西安 710051 3.航天恒星科技有限公司，北京 832003

北斗卫星导航系统(简称北斗)作为中国自主研制的卫星导航系统，与美国GPS相比有着安全可靠的优势，并且具有独特的短报文通信功能，已广泛应用于中国船舶、汽车等领域。但是由于北斗与GPS在星座结构、信号体制以及功能实现等方面的不同，导致当前国际上的全球导航卫星系统(GNSS)相关适航标准不适用于北斗，急需开展研究，自主提出北斗机载设备适航要求，才能有效促进北斗在民用航空器中的应用。但是，目前针对北斗设备的研究主要集中在基于北斗的系统设计[1-2]、设备性能优化及误差改正[3-6]、北斗卫星服务性能测试分析[7-8]等方面，而对北斗适航要求及符合性方法的研究基本空白。

机载设备适航要求与机载设备所执行整机级功能及其危害性影响相关。结合北斗自身的功能特点，可将其在民用航空器中的应用划分为5个阶段：

1) 仅用作航空器追踪的初级应用阶段

将北斗设备固定于航空器中的某具体位置，通过北斗定位及短报文通信能力，仅为地面追踪提供辅助手段，不会向飞行员进行数据显示，从而影响飞行操纵和安全飞行；正常情况下，管制员也不能将北斗机载设备所产生的定位信息作为交通管制决策依据；并且为降低实施难度，可尽量减少北斗机载设备与其他机载设备的交联关系。根据SAE ARP4754A[9]，该功能的失效状态为无安全性影响类别，对应的研制保证等级至少为E级。

2) 航空器辅助监视应用阶段

将北斗通信单元固定安装在驾驶舱，与机载设备进行简单交联。通过短报文通信能力，实现空中与地面的双向信息交互。机载端具备输入输出能力，向地面播发航空器基本运行参数，并接收和显示来自地面的控制指令。该功能的失效状态为重大类别，对应的研制保证等级至少为C级。

3) 独立式辅助导航阶段

可尽量减少北斗机载设备与其他机载设备的交联关系，北斗设备采用接收机自主完好性监测技术保障导航数据的安全性和有效性。但是需要将北斗设备产生的导航数据在驾驶舱中向飞行员进行显示，从而影响飞行安全。该功能的失效状态为重大类别，对应的研制保证等级为至少为C级。

4) 集成式辅助导航阶段

进一步使北斗机载设备与飞行管理计算机等其他航电系统集成，与其他导航源数据融合，向飞行员和管制人员提供导航数据，完成辅助导航功能。该功能的失效状态为重大类别，对应的研制保证等级至少为C级。当然在北斗导航系统运行和机载设备研制技术成熟时，可逐步将北斗系统作为主导航源使用。

5) 主导航应用阶段

则结合相关配套设施的建立，形成北斗星基增强系统(SBAS)、陆基增强系统(GBAS)能力，提高北斗导航服务性能，在巡航、终端区及精密进近阶段作为主要系统进行使用。该功能的失效状态为危害性类别，对应的研制保证等级至少为B级。

其中，对于第1阶段的北斗机载设备可满足国际民航组织提出的全球航空器追踪的要求，并且有效改善国内通用航空器严重缺乏追踪手段的问题，此外也可收集大量北斗机载运行数据，为后续的进一步应用奠定基础。因此研究与制定仅用作航空器追踪的机载设备适航标准迫在眉睫。

本文针对该应用场景，分析相关的国内外标准内容的适用性，结合中国当前的工业水平，提出北斗机载设备的审定要求及审定要素。

1 北斗机载设备相关标准分析

仅用作航空器追踪的北斗机载设备接收并处理北斗卫星信号，确定飞机位置，实现定位功能。并可通过短报文通信功能将120汉字内信息向外点对点发送出去。

根据功能逻辑划分，北斗机载设备由无线电导航卫星服务(RNSS)定位单元、定位天线、无线电测定卫星服务(RDSS)通信单元及通信天线构成。当前可供北斗机载设备适航要求制定参考的国内外标准主要包括北斗系统的行业标准，以及美国联邦航空局(FAA)建立的GPS适航标准体系。

1) 北斗系统行业标准

BD420011[10]、BD420004[11]、BD420007[12]分别对北斗RNSS定位设备、RNSS定位天线和北斗RDSS单元提出标准要求。但是这些标准主要适用于船舶或地面北斗相关产品，而并非为民航机载产品制定，具体指标不适用于民用航空器运行环境和应用条件。

例如，对于RNSS定位设备，灵敏度的相关要求适用于低动态场景，而对于机载高速度环境则较难达到；动态特性测试时的环境参数设置也与机载动态环境不符。

对于RNSS天线，相关要求无法对机载设备的功能安全进行约束。对于RDSS单元，则包含RDSS定位等机载设备无需实现的功能要求，需要进行拆分。

2) GPS适航标准体系

FAA先后认可RTCA DO-228[13]、DO-301[14]作为机载GNSS无源天线和有源天线的适航标准。DO-210D[15]和DO-262C[16]等标准为机载卫星通信地球站提出适航要求，如铱星机载收发端、海事卫星机载收发端等。但是，北斗短报文通信与卫星通信相比，在载波形式、调制形式、波束形式、带宽和应用模式等方面存在较大的差异，如表1所示。其性能要求的基础存在固有差异，技术要求不适用于北斗卫星导航系统。

表1 DO-210适用产品与北斗RDSS的对比分析Table 1 Comparative analysis of DO-210 product and BDS RDSS

2 设备适航要求

2.1 适航要求制定策略

基于推动北斗在民用航空器中应用的紧迫性，在制定北斗适航标准时，需要考虑以下目标：

1) 保安全——确保设备执行飞机功能的完整性和准确性，且自身对飞行安全无危害性影响。

2) 快落地——结合中国工业方当前能力，适当制定标准，尽快实现北斗设备在民用航空器中应用。

3) 促发展——在当前工业水平基础上，标准制定应有一定的前瞻和引导性，促进行业向正确的方向快速发展。

为达到以上目标，在制定适航要求时，首先确定对于仅用作航空器追踪的北斗机载设备，在严格限制其功能应用的情况下，可以按照研制保证最低等级(即无安全性影响等级，E级)提出安全性要求。对于E级设备，无需根据DO-178C[17]或DO-254[18]进行机载软硬件的鉴定，但前提是基于该机载设备产生的航空器定位数据不应向机组显示，正常情况下，也不能作为空中管制人员实施空中管制的决策依据。

对于在《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》[19]中提出了自动遇险追踪(ADT)能力,从功能性能的角度，用作航空器跟踪的北斗机载设备可以完成该功能。但是从安全性的角度考虑，对于ADT功能，参考ALT，其失效状态类别应为轻微类，对应研制保证等级应为D级。因此按照DAL E级研制的北斗机载设备不应集成D级功能。即该北斗机载设备仅能周期性发送定位信息，而不能由异常事件触发。

在确定安全性类别基础上，结合国内外相关标准及中国目前已有产品的工业水平，共同形成了最低性能标准(MOPS)要求，制定策略如表2所示。

2.2 定位单元

为使BD420011标准适用于北斗机载设备，对其进行分析和修改，如表3所示，使其与CTSO相关要求及国际适航普遍认可的RTCA DO-160G环境鉴定试验要求及程序相一致。

表2 标准框架分析Table 2 Analysis on framework of standard

表3 BD420011标准主要修改说明Table 3 Major revision instruction to standard BD420011

其中对于灵敏度指标，由于BD420011是北斗行业通用标准，原标准中灵敏度主要适用于低动态场景。且机上电子设备众多，电磁环境复杂。根据DO-228，机载天线口面的干扰电平在工作频点1 MHz带宽内为-110 dBm，之后逐渐增加直至-89.5 dBm，由于其他机载设备的存在，在北斗机载设备的工作带内还存在脉冲干扰。同时，DO-160G[20]射频敏感性试验对机载设备的敏感度提出要求。因此，原标准灵敏度要求对机载设备存在适应性局限，如保持过高的灵敏度指标将同时使机载设备敏感度提高，而对机载设备整体的安全性产生不利影响。根据《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号 B1I(3.0 版)》[21]，卫星导航系统落地电平对灵敏度提出要求。

2.3 定位天线

目前FAA通过DO-228和DO-301只认可了GPS系统L1频点(1 575.42 MHz±10 MHz)在民用航空器中应用。对于北斗而言，也将首先推动民航单频应用。根据《北斗卫星导航系统公开服务性能规范(2.0版)》[22]，单频信号推荐使用B1I或B1C信号。考虑到北斗三代基本系统刚于2018年12月建成并提供全球服务，对其空间信号质量和服务性能指标的稳定性还有待监测。且根据B1C《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号 B1C(1.0 版)》[23]，B1C频点与L1频点相同，具有更大的相似性。综合考虑飞行安全及当前国内试点工程项目和社会各界的紧迫需求，目前首先认可北斗二代B1I信号，当北斗三代信号成熟稳定时，再对标准进行升级。而对于北斗B1I频点(1 561.098 MHz±2.046 MHz)与GPS L1，通过仿真分析可认为GPS标准中的相关要求同样适用于北斗B1I信号。图1 为单天线情况下GPS L1与BDS B1I增益对比分析。

但是考虑到对于用作航空器追踪的北斗机载设备通常会将定位天线和通信天线进行一体化设计，且为考虑天线安装对航空器空气动力学的影响需要天线尺寸尽量小，将由此带来一定的性能损失，图2与图3分别给出了多天线情况下GPS L1与BDS B1I增益对比分析，以及多天线情况短报文S频点接收与L频点发射增益仿真分析。

图1 单天线情况下GPS L1与BDS B1I增益仿真分析Fig.1 Gain simulation analysis of GPS L1 and BDS B1I receiving antennas in single antenna case

图2 多天线情况下GPS L1与BDS B1I增益仿真分析Fig.2 Gain simulation analysis of GPS L1 and BDS B1I receiving antennas in multiple antennas case

图3 多天线情况短报文S频点接收与L频点发射增益仿真分析Fig.3 Gain simulation analysis of short message S-frequency point receiving and L-frequency point transmitting gain in multiple antennas case

单天线仿真结果表明，BD B1I频点天线性能基本与DO-228要求一致；但与单天线仿真结果比对可知，在多天线下天线增益比单天线恶化约2 dB。且与GPS L1频点相比，短报文接收S频点的增益特性稍好1 dB左右。表4为天线一体化设计增益仿真分析。鉴于航空器追踪设备为E级设备，可以在DO-228指标基础上下降2 dB来支持一体化设计。

根据图4中定位频响特性仿真结果与DO-301的频响要求，北斗定位有源天线的频响指标可与DO-301保持一致。因此DO-301中对GPS L1有源天线的相关要求适用于北斗定位有源天线。

表4 天线一体化设计增益仿真分析Table 4 Simulation analysis of antenna integration design gain

2.4 通信单元

对于BD420007标准，为使其适用于仅用作航空器追踪的北斗机载设备，需进行如表5所示的更改，使其与CTSO相关要求及标准一致，与当前的工业水平一致，并且删除未使用的RDSS定位导航功能相关要求。

图4 RNSS定位频响特性Fig.4 RNSS positioning frequency response characteristics

表5 BD420007修改说明Table 5 Revision instructions to standard BD420007

2.5 通信天线

GPS L1与北斗短报文接收频带相差较大，频响特性也不尽相同。但通过仿真可知，两者增益相似，因此DO-228中的无源天线要求同样适用于短报文接收天线。

根据仿真结果与DO-301的频响要求，短报文有源接收天线的频响指标在DO-301基础上进行频点平移即可。如图5短报文有源接收天线频响特性所示。

图5 短报文有源接收天线频响特性Fig.5 Frequency response characteristics of active receiving antenna of short message

对于L频点发射天线部分，目前没有可直接进行参考的技术标准，可参考BD420007以及RTCA/DO-262标准中单载波天线单元性能指标形成。其中，由于机载环境的特殊性， 因此将“20°仰角极化增益不圆度” 修改为“10°仰角极化增益不圆度”。并结合当前航空工业水平，对各指标进行修改。

3 审定要素和评审要求

适航审定要素和评审要求如表6所示。

表6 适航审定要素和评审要求Table 6 Airworthiness certification elements and review requirements

4 应用实例总结

为验证指标的有效性和对中国航空工业的适用性，结合以上分析所形成的适航标准草案，试制北斗机载设备。现将对草案要求的符合性情况总结如下：

1) 依托目前中国工业当前水平，定位单元在定位信息，数据存储、精度、首次定位时间，重捕获时间、灵敏度、位置更新率、位置分辨力等方面的要求均可满足。

2) 定位天线采用有源天线方式，阻抗、天线单元的相对辐射场型与无源元件增益、极化与轴比、G/T比、总转换增益与增益压缩、输出负载稳定性、视轴相对增益频率响应和群时延等方面要求均可满足，而对于烧毁保护、脉冲功率饱和恢复时间，之前国内考虑的较少，但基于安全考虑这些要求必不可少，需进一步研究形成解决方案。

3) 通信单元接口要求、自检与初始化功能、状态检测功能、系统RDSS完好性信息接收与处理、接收灵敏度、接收通道、首次捕获时间、功放输出功率、发射信号载波相位调制偏差、发射信号频率准确度等要求均可符合，而带外辐射指标与安全性密切相关，需在后续试验、试飞等环节进行充分的符合性验证。

4) 通信天线采用有源天线方式，接收同定位天线；发射的频点、极化方式及法向轴比、电压驻波比、法向极化增益、功率放大器输出功率及增益、发射EIRP均符合要求，而10°仰角极化增益不圆度、10°仰角平均极化增益要求则将仰角20°加严至10°，对低仰角的增益进行约束。

5 结 论

本文在分析当前相关适航标准和工业标准基础上，分别针对仅用作航空器追踪的北斗机载设备中RNSS定位单元、RNSS定位天线、RDSS通信单元、RDSS通信天线的适航要求进行研究，结合当前对北斗民航应用的迫切需求，以及民机与北斗系统运行特性、适航安全性的一般要求、适用的工业标准、中国北斗设备工业水平，提出一套仅用作航空器追踪的北斗机载设备适航要求体系，并明确审定要素及评审要求，可以支持工业方对适航要求的理解和实施，促进北斗民航应用发展。当前标准中的部分数据指标尚未在民机运行环境和特性下，进行必要的装机和飞行测试。因此，后续需要对相关指标进行数据收集和跟踪，验证指标建立的合理性，完善标准要求。