北斗在飞机精密进近与着陆阶段的应用研究

姜毓琦周小明

（1.中国商用飞机有限责任公司四川分公司，四川 成都610000；2.河海大学，江苏 南京 211100）

0 引言

自第一颗北斗卫星于2000年10月31日成功点火升空，到最后一颗北斗全球组网卫星于2020年6月30日发射成功，历经20年时间攻关，北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）已经实现了全球先进的卫星导航功能，开始服务并在各领域发挥着重要的作用。民用航空领域正在与北斗卫星导航系统加强应用结合，未来必将取代全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在商用飞机上的卫星导航核心地位。北斗卫星导航系统已进入全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的顶级行列。

任何新技术或新设备要应用在商用飞机的运行，必须通过严格的适航验证才能准入。其中卫星导航着陆系统在商用飞机的精密进近和着陆阶段起到至关重要作用，卫星导航未来也将是商用飞机在飞行中大部分阶段采用的导航方式。国内基于北斗卫星导航系统的商用飞机精密进近和着陆阶段的导航应用研究已开展多年。随着成熟的北斗卫星导航系统投入全球服务，我国自主的北斗卫星导航系统势必在商用飞机的航线运行中被广泛应用和发展。本文就北斗卫星导航着陆系统在商用飞机精密进近和着陆阶段的应用进行研究。

1 北斗卫星导航系统在商用飞机的应用路径

目前全球有四大卫星导航系统。我国的北斗卫星导航系统，2000年首次发射卫星，组网卫星55颗，2012年覆盖亚太地区开始投入使用，服务对象为军民两用；美国的全球定位系统（GPS），1979年首次发射卫星，组网卫星24颗，1994年投入使用，服务对象为军民两用；俄罗斯的格洛纳斯全球导航卫星系统（GLONASS），1982年首次发射卫星，组网卫星35颗，2009年投入使用，服务对象为军民两用；欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo），2005年首次发射卫星，组网卫星30颗，2008年投入使用，服务对象为民用。

其中，北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立建设运行的全球卫星导航系统，向全球用户提供全天时、高精度的定位、导航和短报文等服务，向军民领域开放使用。2018年年底，随着北斗卫星系统的北斗三号系统基本建成便开始提供高质量的全球导航定位服务。2020年，北斗最后一颗组网卫星发射成功后，标志着北斗卫星导航系统可以开展更全面、更稳定的用户服务，跻身世界顶尖卫星导航定位系统。

中国民航局于2019年正式发布《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》，提出要大力推进北斗卫星导航系统在商用飞机运营中应用，积极构建以北斗卫星导航系统为核心的卫星导航系统技术应用体系，推动以星基导航、定位、与授时技术为核心的新一代空中航行系统建设。这是北斗卫星导航系统在中国民航应用的首个系统性实施路径。明确要以“从易到难，从便携到机载，从监视到导航，通用运输统筹推进”为总体实施路径，分步实施中国民航北斗卫星导航系统应用。根据实施计划，中国民航北斗卫星导航系统应用实施分为近期（2019—2021年）、中期（2022—2025年）和远期（2026—2035年）三个阶段，每个阶段均提出了本阶段要完成的主要任务、实现本阶段目标需要具备的条件。

考虑到商用飞机运营中严格的安全要求，以及北斗卫星导航系统成熟的时间原因，目前北斗卫星导航系统未在商用飞机运营中广泛使用。随着北斗卫星导航与商用飞机结合应用研究的逐步深入，基于北斗卫星导航系统，商用飞机的运营即将实现航路中起飞、巡航、进近、着陆等各阶段的定位、导航与授时。民航局的路线图中指出：15～30年，将完成从陆基导航向星基导航转化，实现平稳过渡的关键时期。从陆基导航向星基导航转化是一项复杂的系统工程，推动北斗系统民航应用是其中最核心任务。北斗卫星导航系统的定位、短报文和授时功能已经应用于国内机场场面监视、通用航空的监视和定位等领域，也将为航空用户提供B1I、B1C和B2a信号，其中B1C和B2a信号与GPS和Galileo有关信号兼容。中国北斗星基增强系统正在建设中，于2017年被国际民航组织接纳为星基增强系统服务供应商，为基于北斗的卫星导航着陆系统投入商用飞机上使用奠定了基础。

2 卫星导航着陆系统概况

我国民用机场的飞机主要进近着陆方式仍然以仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）为主，但是ILS着陆方式的航线很单一，全部为一条下滑直线，而且飞机截取ILS的航向道和下滑道时离机场的距离有约束条件，这就导致飞机没有余度和其他更优的着陆航线规划。随着我国商用飞机的数量逐年增加，机场空域的压力日趋增大，为提高飞机进场的效率亟须一种新的精密进近和着陆导航方式。

利用卫星导航着陆系统（GNSS Landing System，GLS）引导飞机进近和着陆是提高机场进场效率的更优方法。GLS是基于地基增强系统（Ground-Based Augmentation System，GBAS）的着陆系统，其随着卫星导航技术的发展将得到进一步完善。由于GLS可以使用卫星导航，进近和着陆航线不再是单一的固定直线航线，不仅可以直线导航着陆，其他折线、曲线等方式的着陆航线都可以实现着陆。基于GLS的飞机进近着陆航线如图1所示。

图1 GLS进近着陆航线示意图

如图1所示，这极大增加进近和着陆航线规划的多样性，可以缩小着陆前飞机的间隔，极大提高跑道利用率。根据中国民航局规范和标准，飞机进近着陆阶段分三个等级（Category，CAT）：CAT I、CAT II和CAT III。CAT I运行条件：决断高不低于60 m（200英尺），能见度不小于800 m或跑道视程不小于550 m的精密进近着陆。CAT II运行条件：决断高低于60 m（200英尺）但不低于30 m（100英尺），跑道视程不小于350米的精密进近着陆。CAT III又包括：CAT IIIA、CAT IIIB与CAT IIIC，运行条件是决断高低于30 m（100英尺）或无决断高，跑道视程不小于200 m或小于200 m且大于50 m或无跑道视程限制的精密进近着陆。目前部分商用飞机，如空客A350，已具备基于ILS实现CAT III自动着陆的功能。基于GLS，目前美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）的局域增强系统在设计上可以达到CAT II/III类进近与着陆的要求，但还未普遍应用到商用飞机的航线运营。由于GLS的显著优点是能提供给飞机多种且平滑的着陆航线，而ILS只能引导飞机高于或低于预定的固定直线飞行。对于地面空中管制人员安排飞机进近着陆有更多选择方式，必然提高飞机进场的效率，间接减少航班延误的时间。因此，GLS今后必将逐步取代ILS成为民用机场主要进近着陆手段。

3 卫星导航着陆系统的基本组成及原理

对比仪表着陆系统的设备，卫星导航着陆系统组成精简，运行及维护成本均较低。每个机场只需配置一套地基增强系统，包括卫星基准接收机、数据处理系统和甚高频数据广播（VHF Data Broadcast，VDB），即可为多架飞机同时提供进近着陆导航服务，且对同时准备着陆的飞机之间不会产生干扰，可以缩小进近飞机的时空间隔，极大提高飞机进场的跑道利用率，从而提高机场运输量。除了直线进近着陆外，系统还可以采用曲线和角度等多种进近着陆方式，相对于ILS只能采取单一的直线进近方式，可以大幅提高终端空域飞行航线数量。

GLS由空间系统、地面系统与机载系统三个子系统组成。空间系统为全球卫星导航系统。地面系统包括卫星基准接收机、地面数据处理设备、甚高频发射器等。机载系统包括卫星天线、机载接收机、飞行管理系统等设备。GLS在精密进近着陆阶段导航的基本原理：地面系统通过与已知精确位置的地面基准接收机比较计算出卫星伪距差分修正值，同时完好性监测符合标准后，将差分修正量通过设备发送到机载接收机上。机载接收机实时计算伪距，机载再次进行完好性监测后，再将伪距采用地面的差分修正量校正，然后利用算法算出飞机修正后的实时位置。飞行管理系统和飞行指引系统根据修正后的位置，指引飞机按照预设的航线进近和着陆。

GLS系统的空间系统包括BDS、GPS、GLONASS、Galileo系统的星座。空间部分主要功能是不间断地向地面发射测距信号和导航电文。其基本原理如图2所示。

图2 GLS空间系统原理示意图

GLS系统的地面部分原理示意图如图3所示。其中卫星基准接收机接收卫星信号计算伪距，并采用载波相位平滑伪距差分算法计算出差分修正值。相关数据发给地面完好性监测设备进行可用性评估。数据符合要求后，同时将机场基站的数量和位置等信息合并，通过甚高频数据广播电台向空中发射，供飞机机载设备的接受和使用。

图3 GLS地面系统原理示意图

GLS系统的机载部分原理示意图如图4所示。飞机上的机载接收机接收全球卫星导航系统星座的测距信号和地面站发送的修正值等信息，通过机载完好性检测后，由飞行管理系统计算并提供预定进近着陆的指引信号。飞行员跟随飞行仪表的导航指引驾驶飞机精密进近和着陆。若飞机具备高性能的CAT类自动着陆功能，接通自动驾驶仪功能即可实现由计算机控制的自动进近和着陆。

图4 GLS机载系统原理示意图

GLS的三个子系统相互交联。地面子系统接收空间系统的数据生成伪距和修正信息。机载子系统接收空间子系统的卫星信息和地面子系统传播的数据，再生成修正后的导航数据来引导飞机。从而实现了全球卫星导航系统在飞机精密进近和着陆阶段的导航功能。

4 北斗在商用飞机精密进近和着陆的技术要求

BDS在轨卫星数量达到55颗，可向全球提供高质量的全天候、全天时的定位、导航与授时服务。基于BDS的GLS的空间系统要求能检测到可用卫星至少4颗。BDS完全能满足GLS空间系统的性能需求。

基于BDS的GLS地面技术为地基增强系统。以I类精密进近着陆场景分析。地面设备的位置数据使用WGS-84坐标系。设备应具备功能包括：提供本地伪距修正数据；提供GBAS基站数据；提供最后进近着陆航段数据；提供测距源可用性数据；提供测距源完好性监测。地面设备的连续性应不少于（1-8.0×10）/15 s。空间信号完好性风险应不大于2×10/进近。最后进近航段侧向告警限制不大于40M，垂直告警限制不大于10M。地面设备的水平精度应优于16M，垂直精度应优于4M。

GBAS的基准接收机具备功能包括：接收、跟踪和解码BDS卫星信号；可测量接收机到每颗可见BDS卫星的伪距观测值及多普勒观测值；能输出具有时间标记的卫星信息和状态数据。其基准接收天线、数据处理中心、完好性监测、VDB等子设备或系统按照现有技术均能满足要求。

基于BDS的GLS机载系统的电子飞行仪表显示系统、自动飞行控制系统、飞行管理系统等设备有最低性能要求。飞行管理系统按基于BDS的GLS通道号来区别和实施进近。自动飞行控制系统信息源需来自ILS、GLS等多进近/着陆飞行数据为指引，其软件管理功能需包括故障探测、自动进近/自动着陆可选用模式、飞行模式通告等。

卫星天线应满足RTCA DO—228及等效文件的相应要求；VDB接收机应满足RTCA DO—253C第2.2的相应要求；定位和导航子系统应满足RTCA DO—253C第2.3的相应要求。多功能控制显示组件需提供精密进近、着陆选择页面，以及测试和现状页面，有关GLS数据有新页面。飞行控制面板需有允许飞行员预位/接通GLS的按钮或开关。无线电调节组件需允许选择GLS进近。电子飞行仪表显示系统需向飞行员显示在GLS进近模式下的飞行指引信息。

在飞行实施阶段，飞行员需严格按照通过审定后的飞行程序执行飞行任务。GLS最终应用在商用飞机运行中，进近着陆程序必须完善。其程序可基于ILS准则，并与满足《航空电信》（国际民航组织修订 附件10）规定所要求的地面和机载设备性能及完整性。GLS程序范围包括最后进近着陆航段和复飞阶段。相比于ILS，GLS程序设计需完成最后进近航段数据块的设计编码。将北斗卫星导航系统应用到飞机的卫星导引着陆，需在GLS的空间子系统、地面子系统、机载子系统及飞行程序或手册等方面进行设计，并需按照相应的技术标准进行适航验证，并在航线试飞等方式逐步提高基于BDS的GLS应用能力。

5 结语

2015年，基于GPS的GLS地面设备已获得美国、德国等国家民航局的审定批准，具备Ⅰ类运行能力，GLSⅡ、Ⅲ运行正在发展和取证中。基于北斗卫星导航系统的GLS暂未实现精密进近与着陆的航线运行。中国民航局于2019年发布《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》中明确提出：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”。2016年6月28日，我国的国产商用飞机ARJ21—700机型完成首次航线运营，国产大飞机C919机型在2017年5月5日完成首飞后也即将投入到航线运营。随着基于北斗的卫星着陆系统技术的持续研究与验证，搭载北斗应用的国产商用飞机必然会成功航线运营。