波音机队ADS-B 和SBAS 改装方案工程管理策略研究

2022-08-27杨亮孙远飞成功李支罡中国国际航空股份有限公司机务工程部北京飞机维修工程有限公司

航空维修与工程 2022年7期

■ 杨亮孙远飞成功李支罡/ 中国国际航空股份有限公司机务工程部北京飞机维修工程有限公司

0 引言

《民用航空ADS-B实施规划》（2015年第一次修订）指出，广播式自动相关监视（ADS-B）是国际民航组织确定的未来主要监视技术。ADS-B 技术将卫星导航、通信技术、机载设备以及地面设备等先进技术相结合，提供了更加安全、高效的空中交通监视手段，能有效提高管制员和飞行员的运行态势感知能力，提升航空公司运行控制能力，扩大监视覆盖范围，提高空中交通安全水平、空域容量与运行效率。

1 中美民航规章要求

中国民航局明传电报[2017]3685 号对ADS-B 机载设备改装工作做出要求，具体为：2019 年7 月1 日前，安装满足DO-260 标准或后续版本并经相关适航批准的S 模式应答机，并安装具备SA ON 或SA AWARE 功能，或安装通过星基增强系统（SBAS）增强GNSS 信号并经相关适航批准的卫星定位信号接收设备；2022 年12 月31 日前，安装满足DO-260B 标准并经相关适航批准的S 模式应答机，并安装具备SA AWARE 功能，或安装通过SBAS 增强GNSS 信号并经相关适航批准的卫星定位信号接收设备。

美国联邦航空局FAA 91 部225 条和227 条针对ADS-B 软硬件，要求2020 年1 月1 日起在美国空域上飞行的飞机的S 模式应答机需满足DO-260B标准，并安装具备SA AWARE 功能或SBAS GNSS 信号的卫星定位信号接收机。FAA 要求，2020 年1 月1 日起，安装SA ON 功能的飞机必须执行放行前性能检查；2020 年1 月1 日至2024 年12 月31 日，安装SA AWARE 功能的飞机可以获得临时豁免放行前性能检查，申请豁免的截止日期为2018年8月1日；2025 年1 月1 日起，SA AWARE 飞机要执行放行前性能检查，安装SBAS的飞机可以永久性豁免放行前性能检查。另外，针对导航要求，应100%沿着计划轨迹工作正常，且GNSS 位置源NIC 完整性精度小于0.2NM 偏差，设备NAC 实际精度小于0.05NM 偏差。

2 ADS-B 系统

2.1 ADS-B 简介

广播式自动相关监视（ADS-B）是利用空地、空空数据通信完成交通监视和飞行信息传递的一种监视技术。监视数据可来自不同的机载数据源，如水平位置、气压高度、ATC 应答机控制面板等。机载ADS-B 应用功能可分为发送（OUT）和接收（IN）两类。

2.2 ADS-B 系统组成

ADS-B 系统由机载航空电子设备和地面基础设施组成（见图1）。

图1 ADS-B系统工作原理简图

1）机载设备，包括：ATC 应答机、TCAS 计算机、MMR 多模式接收机。

2）地面设施，包括：ADS-B 地面站、ADS-B 信息、ADS-B 数据应用系统。

2.3 ADS-B 工作原理

机载电子设备通常采用全球导航卫星系统（GNSS）确定航空器的位置，并将飞机的位置信息以及其他相关信息发送给地面站供ATC 使用，并发送给装有ADS-B 设备的飞机和其他航空服务提供商。机载ADS-B 通信设备广播式发出从机载信息处理单元收集到的导航信息，接收其他飞机和地面的广播信息后经过处理送给机舱综合信息显示器。机舱综合信息显示器收集其他飞机和地面的ADS-B 信息、机载雷达信息、导航信息后给飞行员提供飞机周围的态势信息和附加信息（如冲突告警信息、避碰策略、气象信息等）。

2.4 ADS-B 的优势

广播式自动相关监视（ADS-B）系统作为新型航空监视技术，可及时为飞行员及空管人员提供航空器的位置和其他环境信息，是保障飞行安全、提高运行效率的重要技术手段。与传统雷达监视技术相比，ADS-B 监视精度高，误差小，覆盖范围广，信息量大，数据更新快，建设及使用成本低；可使飞机与飞机之间保持能见，有效管控飞行运行风险；不仅能有效解决地形复杂、洋区及边远地区雷达无法覆盖的问题，还能进一步提高大型繁忙机场的运行效率，具有广泛的应用前景。

3 SBAS 系统

3.1 SBAS 简介

SBAS 即星基增强系统，该系统综合使用各种不同增强效果的导航增强技术，辅助配合GNSS 的使用，能进一步提升GNSS 的定位精度等导航性能，满足不同区域不同领域特殊的定位服务需求，最终实现增强卫星导航服务性能的目的。

3.2 SBAS 系统组成

星基增强系统由空间星座、地面控制站及运行维护站和用户（机载设备）组成。

1）空间星座，包括：地球静止轨道GNSS 卫星、GEO 卫星。

2）地面设施，包括：中央处理设施、差分校正和检测站、上行注入站。

3）机载设备，包括：MMR（具备更高精度导航定位性能的接收机）。

3.3 SBAS 系统的工作原理

如图2 所示，星座部分发送GNSS导航信息，这些信号被SBAS 地面差分站（位置已知）接收并解算，获得原始定位数据（伪距、卫星播发的相位等），送至中央处理设施（地面控制站），后者通过计算得到各卫星的定位修正信息，通过上行注入站发给GEO 卫星。用户（机载设备）同时接收GNSS 和GEO 信号，通过差分解算消除区域导航误差，获得更高精度的导航定位。

图2 SBAS系统工作原理简图

3.4 SBAS 的优势

SBAS 系统能为民用航空提供费用更低、可用性更高的导航功能。该系统通过减少通信和雷达导引，降低了空管人员的工作负担，并且能提供精密进场与着陆服务；通过减小飞行时间和距离，可以节省燃料，降低飞行阶段的运行成本。

4 ADS-B 改装分析

应答机与TCAS 计算机相互交联，配合使用以实现空中防撞功能。由于不同设备供应商的应答机与TCAS 计算机混装，如未来任一供应商的设备升级，将存在不兼容风险。另外，少量老旧构型的多模式接收机还涉及升级取证难题。

4.1 TCAS 计算机与ATC 应答机不兼容风险

依据《中国民用航空ADS-B 实施规划》及未来技术发展方向，2025 年底在部分区域实现ADS-B IN 初始运行。

基于国航波音737NG 机队现装机TCAS 计算机全部为H 公司设备，应答机选择后的兼容性存在以下几种可能：

1）选用H 公司的应答机不存在不兼容性问题。

2）选用T 公司的应答机

● 能与H 公司的TCAS 计算机兼容（无需更换新的设备）；

● 不能与H 公司的TCAS 计算机兼容（TCAS 计算机需更换为T 公司设备或应答机更换为H 公司设备）。

3）选用C 公司的应答机

● 能与H 公司的TCAS 计算机兼容（无需更换新的设备）；

● 不能与H 公司的TCAS 计算机兼容（TCAS 计算机需更换为C 公司设备或应答机更换为H 公司设备）。

4.2 不兼容风险分析

若进行应答机与TCAS 计算机混装，ADS-B 功能增加IN 应用的扩展后，以下几个方面需要引起航司关注。

1）设备供应商方面

若机载设备进行混装，设备供应商不能完全保证不出现不兼容问题。如果实际运营中出现不兼容，机载设备双方要考虑能否有效协调并切实有效解决兼容性问题。

2）飞机制造商（OEM）方面

ADS-B 改装方案由OEM 提供，在完成设备的装机取证之前，OEM 无法明确不兼容解决方案。同时，OEM 提供解决方案的时限、实际备件的数量均不可控。

3）ADS-B IN 要求

依据《中国民用航空ADS-B 实施规划》，2025 年底部分区域实现ADS-B IN 初始运行，从初始运行到强制运行之间有一个过渡期，无法预测能否在过渡期结束之前解决上述可能的不兼容问题。

4.3 现有MMR 构型差异

1）机队构型

国航波音737NG 机队存在两种MMR 构型（构型一：C 公司GLU-920型，件号822-1152-002；构型二：C 公司GLU-925 型，件号822-1821-001/-002）。

2）改装可行性

向OEM 要求提供改装方案，OEM反馈GLU-925 型MMR 已有首批用户完成改装并获得FAA 批准，而GLU-920型MMR 为老旧产品，全球无启动用户执行改装升级。

3）额外的改装费用

若将GLU-920 型MMR 升级（实现SA AWARE 功能）并继续保持装机完成改装取证，需要进行验证试飞，将涉及改装取证方案费用高（约150 万美元）并导致改装方案交付周期延长。

4）合适的可行方案

将现装机的GLU-920 型MMR 升级到GLU-925 型（具备SA AWARE 功能），既满足ADS-B 改装升级要求，也节省了取证验证、验证试飞费用。该方案只需购买构型差异性改装方案（约12万美元），但需航司自行解决GLU-925型MMR（已停产）装机备件问题。

5 SBAS 改装分析

按照FAA 91 部225 条和227 条要求，“2025 年1 月1 日后，运行美国的航空器需安装星基增强系统SBAS，否则需要使用SAPT 工具在飞行前进行RAIM 预测”。

5.1 RAIM 预测

1）RAIM 预测简介

RAIM 即接收机自主完整性监测，是利用GPS 卫星定位系统对预定飞行航路进行导航精度和导航完整性的GPS 服务可用性的预测。

2）RAIM 预测方法

方法一：运营人使用自己的飞行前可用性验证工具。该工具需要考虑预测时正在服务的GPS 卫星，可能还需考虑飞机GNSS 接收机、飞机设备集成或安装的独特性，工具性能方面需满足FAA标准要求。

方法二：运营人使用第三方软件界面，在不改变性能值的前提下，预测飞机预计的飞行航路和时间范围内的导航精度和导航完整性，需满足FAA 标准要求。

方法三：运营人使用服务可用性预测工具（SAPT）。这是FAA 提供的飞行前可用性预测工具。

3）RAIM 预测可行性评估

RAIM 预测由航司运行控制部门在飞机派遣前完成。经运行控制部门市场调研，这类预测工具在国内尚属空白，在预测工具的开发周期、工具的收费规则以及能否满足FAA 要求等方面皆存在不确定性。上文所述方法一和方法二均不可行，尝试方法三使用FAA 提供的SAPT 工具进行模拟测试，多次发现在北美航路中存在红色风险提示，若用于实际航班运营势必给公司飞行计划造成严重影响。

RAIM 预测是对航班运行未来72h内的航路预测，受时效性的限制，存在航班运行前因预测数据变化造成航班延误的风险。若飞北美的国际航班因RAIM 预测而频繁延误将导致服务品质降低。显然，RAIM 预测方案不适用于执行北美航班的航司，而通过飞机改装的方式实现SBAS 功能将永久豁免放行前性能检查。同时，SBAS 功能是SA AWARE 功能的升级，导航精度更准确，有利于确保飞行安全。

经综合评估，对航司执行北美航班的宽体机队进行改装升级SBAS 功能，放行前无需性能检查，从而规避了RAIM 预测不确定因素带来的潜在风险。

5.2 SBAS 改装与ADS-B 改装的关系

根据4.3 中第4 条所述，对于装有GLU-920 型MMR 的波音737NG 飞机，若保留现有装机MMR 执行ADS-B 改装，将涉及全球首次GLU-920 型MMR装机取证，取证费约150 万美元；若改用GLU-925 型MMR 进行ADS-B 改装，可以节省高昂的取证费和试飞验证涉及的相关费用。

基于国航波音777-300 机队现装有GLU-925 型MMR，为保证2025 年飞北美航班满足FAA 要求，对MMR 设备进行升级改装，使其具备星基定位的SBAS 导航能力，可以有效规避RAIM预测导致的航班延误风险。目前，具备SBAS 功能的设备有C 公司的GLU-2100 型MMR 和H 公司的IMMR。同时，SBAS 改装已获得波音公司装机批准。

由此，将波音777-300 机队替换下的GLU-925 型MMR 用于波音737NG机队的ADS-B 改装，兼顾了公司机队的整体改装需求，完成了机队导航性能的整体升级，同时，对拆下的机载设备的有效利用节约了改装成本。

6 改装方案

6.1 ADS-B 改装方案

1）改装方案选择

波音公司作为OEM 可为航司提供改装方案。该改装方案为航空公司的主动改装类，OEM 将收取方案费。通常OEM 提供改装方案有SFE 方式和BFE方式。SFE 方案中，OEM 提供全套服务，包括改装方案（SB）、器材包、设备；BFE 方案中，OEM 仅提供改装方案（SB）及器材包，设备由航空公司自行采购。

由于存在OEM 仅提供BFE 方案的情况，需要航空公司自行采购设备，为了节约采购成本，应对比SFE 方案与BFE 方案，选择最优方案。

2）设备选择

应答机设备应满足的技术要求有：满足RTCA DO-260B 标准并获得B737NG 装机批准文件；可靠性数据30000 飞行小时以上；5 年内提供免费升级和功能扩展，并提供免费备件支持；与现有相关机载设备的软/硬件兼容，如果后续TCAS 计算机软硬件升级导致与应答机不兼容，应提供合理的解决方案（如免费的设备升级）；索赔期限3年及以上。

多模式接收机MMR 设备应满足的要求有：设备进行升级，满足SA AWARE 功能，或安装通过SBAS 增强GNSS 信号并经相关适航批准的卫星定位信号接收设备。

3）改装实施

航司向飞机OEM 采购改装方案（SB），向符合条件的设备供应商采购应答机设备和升级MMR 设备。结合飞机定检停场，由维修单位或有合作关系的MRO 完成机上改装施工，并完成设备激活。