北斗系统在民用航空的应用前景与实施策略

文|李欣

民航局空管局技术中心

2020年7月31日，北斗全球卫星导航系统建成并正式开通。至此，我国北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）历经20余年的攻关与建设，圆满实现“向中国提供服务、向亚太地区提供服务、向全球提供服务”的“三步走”战略规划，具备30颗卫星在轨的全球组网星座，具备面向全球的定位、导航与授时服务能力。

北斗全球系统的建成与开通，是北斗系统建设历程上最重要的里程碑，为北斗系统应用推广奠定了更加坚实的基础，使北斗系统应用推广工作跨入新阶段与新境界，要求各相关业界以全球系统的视角，来筹划和推进北斗系统的应用；而对于具有较强全球性、国际化特质的民用航空而言，这一任务无疑更加紧迫。

一、北斗系统民航应用的技术前景

在国际卫星导航系统体系中，北斗系统是一个发展迅猛的后来者。北斗系统的加入，使得全球卫星导航体系形成中国北斗、美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧盟Galileo四大系统并存的格局。对于这四大全球导航卫星系统而言，除去业界关注和熟悉的性能指标、组网星座、星历数据等技术特征之外，它们在建设、运行和应用方面也存在相当差异：GPS在技术、工程和应用等各方面最为成熟，无论在信号体制设计还是卫星寿命等方面，均较其他系统具有相对优势，而且在全球应用市场上占据主导地位；GLONASS是继GPS后第二个宣布提供全球服务的卫星导航系统，但由于受到俄罗斯经济状况的影响，曾一度处于难以为继的窘迫状态，近年来伴随着其现代化改造进程，实力正在逐步恢复，但由于俄罗斯自成一体的技术与应用体制，未被国际市场广泛接受；Galileo发星组网速度较慢，实际建设进度滞后于计划目标，但其发挥技术储备的优势 “先发制人”，率先在技术标准上立稳脚跟，而且基于欧美之间长期磨合而形成航空技术标准对等关系，有利于其在国际民航领域的应用和推广；北斗在卫星发射和系统建设方面速度较快，按计划完成了全球系统的建设并开通，但需要经历相当时间的磨合期，对其技术状态、运行状态和服务状态进行持续的调整完善，以达到稳定理想的状态，这将在一定程度上影响其在民航领域的应用推广进度。

虽然北斗全球系统尚处于磨合完善期，其实际服务性能也需要进行严格的验证评估和实践检验，但根据官方公布的服务性能指标和初步实测结果，对照国际民航组织（ICAO）的卫星导航性能指标要求，北斗系统具备满足民航应用需求的技术能力，具备在航空导航、航空监视和飞行校验等方面针对不同需求提供服务的应用前景。

1.航空导航：在一定的增强手段支持下，北斗系统可作为民航航路、终端区和进近着陆飞行的辅助、主用或唯一航空导航手段。对于航路导航，北斗系统的基本服务就能满足大洋航路、边远航路和本土航路的导航精度要求，使用机载增强（ABAS）可满足对导航的完好性要求，提高连续性和可用性，可作为主用导航手段使用；使用星基增强（SBAS）则可以满足精度、完好性、连续性和可用性要求，可作为唯一导航手段使用。对于终端区导航，在ABAS、SBAS和地基增强（GBAS）的增强下，北斗可作为终端区飞行的辅助、主用或唯一导航手段。对于进近和着陆引导，北斗和ABAS可以满足非精密的进近与着陆运行要求；北斗和SBAS可满足垂直引导进近（APV）运行要求；北斗和GBAS可满足最高等级（CAT III）精密进近和着陆运行要求。

2.航空监视：基于北斗基本及增强的定位信息，能够为运输航空和通用航空提供满足不同精度要求的监视数据源，包括各空中飞行阶段和机场地面滑行阶段。

3.飞行校验：在新机型与新机载设备的设计、定型和测试中，在空管通信导航监视设备和运行程序的飞行校验中，差分北斗可作为高精度的时间和空间基准，使飞行试验、数据处理和飞行测试更加便捷。

二、北斗系统民航应用的战略意义

在民航业界，关于北斗系统民航应用的战略意义是一个伴随着北斗系统建设而不断探讨、逐步达成共识的问题，北斗全球系统的建成开通，更凸显了这一问题的重要性。

2008年前后，在北斗区域系统开始建设不久、全球系统尚处于筹划设计之时，中国民航基于国际民航领域卫星导航应用发展趋势及其自身进行卫星导航应用研究与实践的经验与认识，就北斗系统民航应用的战略意义、主要工作方向等问题与北斗系统主管部门进行探讨交流，逐步达成共识，形成关于北斗系统民航应用工作的定位与目标，即：

为我国民用航空提供服务是北斗卫星导航系统重要的发展战略之一，北斗系统是中国民航未来主用导航系统的首选。鉴于北斗系统是我国自主掌控的卫星导航系统，将其作为中国民航的未来主用导航系统将消除使用国外卫星导航系统的安全风险和政策隐忧，同时也将提升中国民航在国际民航界的话语权与影响力，成为实现民航强国战略的基石之一；同时，北斗系统在民航领域的应用，也将提升北斗系统的服务能力等级和国际化水平，助力北斗系统服务全球的国际化战略目标的实现。

对于中国民航而言，首先，北斗系统民航应用为中国民航使用卫星导航技术提供了安全底线，从法理与逻辑上彻底解决了中国民航使用卫星导航技术的安全风险，为卫星导航成为中国民航的主用导航技术手段奠定基础；第二，北斗系统民航应用为中国民航使用卫星导航技术提供了上升阶梯，使中国民航可以全面深入地参与卫星导航系统的技术应用与改进，可以放心推进双频多星座导航技术的研究与应用；第三，北斗系统民航应用为中国民航使用卫星导航技术提供了产业基础，使中国民航与北斗系统服务、机载航电与地面设备提供者等产业界紧密结合，使中国民航能够依托产业界，推进北斗技术标准进入国际民航领域。

对于北斗系统而言，首先，北斗系统民航应用将以民航应用所需的严苛要求推动北斗系统服务性能的改进与提升，包括全球一致的完好性、连续性、可用性和精确性要求，不同飞行阶段、不同飞行环境对应多种性能指标要求；第二，北斗系统民航应用将以民航应用的国际平台推动北斗系统的国际化战略实施，表现在北斗系统已进入ICAO的全球卫星导航体系，进入技术标准体系是下一步必达目标，北斗系统在民航领域的广泛应用是北斗国际化能力的重要标志；第三，北斗系统民航应用将促进支持北斗系统的国产民用航电系统的研制、适航与应用，推动民机航电系统与北斗系统的融合发展。

由此，北斗系统民航应用工作成为一项体现国家意志与提升产业能力、具有战略意义的工作。

三、北斗系统民航应用的挑战与对策

北斗全球系统的建成与开通、北斗民航应用所具有的多方面重大意义，无疑为推进北斗民航应用提供了坚实技术基础和强大驱动力，增强了信心与决心。然而，也应清醒地看到，推进北斗系统民用领域应用，特别是国际民航应用，前景绝非一片坦途，而是充满挑战和潜在障碍。从系统应用的成熟程度、市场的认可和占有程度、提供服务的性能指标、配套衍生产品的丰富程度等方面，与GPS这样的成熟卫星导航系统存在着相当差距。同时，北斗系统的发展和应用，特别是在国际范围的发展与应用，必然会受到先行者在政策、技术、市场方面的竞争和挤压。事实上，在推进北斗系统民航应用和国际化过程中，中国民航业界已经切身感受到面临的障碍与挑战。

1.主要挑战

1）进入国际工业标准的挑战。虽然北斗系统已经纳入国际民航组织全球导航卫星（ICAO GNSS）体系框架，已完成相关公约和手册内容修改，并逐步开展技术规范的完善修订，但更关键和困难的问题是，如何纳入国际主流权威的航空工业技术标准（RTCA和EUROCAE）。客观地讲，进入ICAO GNSS体系框架只是一个基础门槛，而只有纳入RTCA和EUROCAE标准中，才标志着航空设备制造厂家接纳北斗系统，可以研制生产基于或兼容北斗服务信号的航空设备。鉴于RTCA和EUROCAE这两大工业标准化组织分别由欧美两大航空制造集团所主导控制，而我国目前在民用航空制造领域尚不具备足够国际影响力的情况，北斗系统进入这些标准体系的难度可想而知。这里有一个典型的案例可以印证：瑞典民航局曾在20世纪90年代研究提出一种新型的甚高频数据链通信技术，该技术被ICAO纳入其数据通信体系框架，形成技术标准并命名为“甚高频数据链模式4”（VDL M4）。然而该技术由于种种原因，未能得到以波音和空客为首的航空制造商的支持，未能进入到RTCA和EUROCAE的标准体系，最终没能在主流的航空业界获得应用。

2）进入国际民航用户市场的挑战。即使在北斗系统进入RTCA和EUROCAE的标准体系，国际主流航空设备厂商能够在制造基于北斗或兼容北斗的航空设备的基本前提下，在GPS系统占据主导地位、对应用市场全面覆盖的现状下，如何让北斗系统在安全方面的信心上、在技术方面的优势上和商业方面的利益上，具备足够的吸引力，能够让设备制造商、航空用户愿意使用北斗系统，将是一个非常缜密、系统的博弈过程，是另一方面的挑战。

3）多星座兼容互操作政策要求的挑战。国际民航组织为提高GNSS民航服务的安全性、可靠性和精确性等，大力提倡和推进不同星座系统之间的兼容互操作。北斗系统作为第四个纳入ICAO GNSS体系的后来者，ICAO多星座兼容互操作的政策要求，既为北斗系统推进其民航领域国际化应用提供了着力点，也要求北斗系统需要更加主动地研究提出与其他GNSS星座系统的兼容互操作技术方案并推进实施。

4）兼顾战略目标与短期效益的挑战。从国家与行业的长期战略利益来看，推进北斗系统民航应用的必要性、必然性和重要性毋庸置疑，然而从短期现实收益而言，航空用户使用北斗的内在需求、成本收益等存在需要克服的问题，面临着北斗民航应用的长期战略重要性与短期战术实效性的矛盾与平衡。

2.应对策略

充分做好基础性测试与验证工作，确认与展示北斗系统的功能与性能，树立技术与安全方面的信心与信任。“打铁尚需自身硬”，无论是进入航空工业标准还是赢得用户信任，北斗系统的性能指标、服务能力和运行状态是最基本的条件。在进入ICAO技术标准和主流航空工业标准，得到国际民航业界技术上认可的过程中，不仅要提供承诺性的技术指标和功能描述，还要提供大量的具有说服力的理论论证和实测数据资料。这需要国内管理方、使用方相互配合，开展实质性的测试并积累测试数据；同时，还要以开放的心态，欢迎鼓励国外研究机构和产业部门对北斗系统的服务信号开展测试评估，建立对北斗系统的信任与信心。

大力研究、推进和实现与其他卫星导航系统的兼容性和互操作性（主要是在民用航空领域），重点实现与GPS的兼容性和互操作性。一方面，作为一个目前尚未成熟、还在不断完善的后来者，在技术标准及其航电设备基本把持在欧美机构及厂商的情况下，面对已经占据主导地位的GPS等先行者，从具备良好的兼容性和互操作性入手，以合作者的面貌出现，使得北斗系统的加入不会对原有的技术体系、标准等造成冲击，且能够在功能上和性能上起到加强和完善的作用，是北斗系统真正融入现有民用航空GNSS格局的可行路径；另一方面，鉴于GPS得到最为广泛的应用和认可，将其作为兼容与互操作的对标对象，是最为现实有利的选择，能够为国内外的民用航空设备厂商和用户带来最大化的利益选择、最平滑的过渡、最可靠的信心建立渠道。

中国民航必须在北斗系统的应用上，率先做出尝试，特别是在北斗系统与其他系统的兼容应用上开展实质性的、具有规模的应用。目前，中国民航以其庞大的运行体量和优异的安全水平，具有较强业界影响力。中国民航率先开展此类应用，既是实施国家战略义不容辞的责任，也是最好的示范，以最直接有力的形式展示北斗民航应用的效果，树立用户信心。在应用形式上，还要充分考虑不同用户的立场与关切，如：对于中国用户，从GPS为主、北斗为辅逐步过渡到北斗为主、GPS为辅；对于国外用户，定位于GPS为主、北斗为辅或自由选择等。

四、北斗系统民航应用推进工作的指导原则与实施路线

在充分认识北斗系统民航应用的挑战阻碍、提出应对策略的前提下，针对推进北斗系统民航应用的实践工作，需要明确指导原则、确定实施路线。

1.指导原则

（1）瞄准总体目标，正视差距、分步实施

GNSS在民航应用已近30年，尚在标准、设备、运行等方面不断完善。考虑到国内现有技术与人才储备情况，特别是经验的相对匮乏带来的局限，必须在北斗民航应用的总体目标下，分步实施，根据工作进展适时完善总体路线、梳理关键任务与技术路线等。

（2）联合各方力量，统筹协调，共同推动

北斗国际民航标准化及应用示范涉及面广、专业性强、周期漫长，必须在中国民用航空局、中国卫星导航系统管理办公室等相关职能部门的指导下，广泛调动国内民航界、工业界、研究机构等的积极性，融合发展，形成合力，充分利用各部门的资源，共同推进。

（3）形成“标准、设备、验证”三个抓手

标准研究是基础，北斗民航标准对北斗民航设备和运行进行规范，以保障其可靠性和置信度，使航空运输系统的安全性目标得以实现。设备研制是核心，北斗民航设备包括机载和地面设备的试制是测试评估的基础和前提。验证评估是关键，需利用试制设备，开展地面跑车实验、通航飞行实验、民航典型航路/终端区/机场试运行实验，为标准拟制提供强有力的数据支撑。

（4）通航先行先试、建立民航标准试验田

与商业运输航空相比，通用航空具有飞行高度低、飞行器小、飞行速度慢的特点，对系统和设备的性能要求相对较低；具有自主可控的优势，可规避国际民航标准壁垒，在通航率先开展民航北斗应用相关技术的测试和验证，将其作为设备测试、验证评估、审核标准的平台和试验田，可为北斗民航国际标准化和应用示范提供有力的技术支撑和运行依据。

（5）自主创新与国际合作结合，加快进程

民航应用是全球性、开放性的，标准、设备、运行等也是全球统一的要求，因此在设备研制、运行实施和标准制定过程中，既要以自主创新、实现自主保障为核心，也必须广泛开展国际合作，借鉴国际先进经验，合理利用国际规则，通过充分参与国际竞争加强与国际接轨。

2.实施路线

2019年底，中国民用航空局发布了《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线》，明确了北斗系统民航应用的总体目标要求和阶段实施计划。

（1）总体目标要求

服务航空安全体系建设大局，建立以北斗系统定位信息为核心的航空器追踪、监视及导航能力；服务国家空管体制改革大局，增强低空空域监视服务能力，促进低空空域开放使用；服务民航国际竞争力提升大局，推进北斗系统国际民航标准化工作，提升我国在ICAO及相关产业领域的竞争力与话语权；服务北斗系统全球应用价值大局，通过民航应用实现全球应用价值，体现北斗全球服务能力。

遵循“从易到难，从便携到机载，从监视到导航，通用运输统筹推进”的原则路径，构建以北斗为核心的GNSS技术应用体系，推动以星基定位、导航与授时技术为核心的新一代空中航行系统。

（2）阶段实施计划

至2021年，基本实现北斗系统通用航空低空空域定位及监视应用，完成北斗系统运输航空器追踪监控及授时应用典型示范；至2025年，全面实现北斗系统通用航空定位、导航与监视应用，基本完成北斗星基增强系统运输航空定位导航应用，全面推动北斗系统运输航空导航及监视应用，实现大型无人机混合空域运行典型场景应用；至2035年，构建以北斗系统为核心的、与GPS等其他星座兼容互操作的双频多星座GNSS技术应用体系，逐步实现北斗系统民航行业应用“全覆盖、可替代”，为运输、通用航空及无人驾驶航空器飞行提供精确完好、安全可靠的导航服务，为空中交通提供全空域监视服务。

五、结束语

推进北斗民航应用是一项战略性、系统性、长期性的艰苦工作，本文基于对国际民航、中国民航在卫星导航技术应用工作的观察、体会与思考，基于北斗系统民航应用与国际标准化推进工作的问题与经历，结合《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线》及其相关研究工作内容，力图对北斗系统民航应用的技术前景、重大意义、挑战阻碍、应对策略和实施路线等方面进行较为系统的分析描述，以帮助业界对北斗系统民航应用工作建立全面系统的认识并达成共识。