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北斗卫星导航系统与民航应用

卫星导航我们的日常生活中早已被广泛使用。无论是我们熟悉的手机里各种地图APP的导航功能,还是我们不那么熟悉的电网、金融等领域的精准授时服务,背后都是卫星导航系统在发挥关键作用。在民航,卫星导航同样使用广泛,是至关重要的核心技术,飞机从起飞到降落的全过程都可能会用到卫星导航。

  GNSS(全球导航卫星系统)是民航PBN技术的主要导航设施,理论上它包括美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)、欧洲“伽利略”(GALILEO)和我国的“北斗”系统。但截止目前,美国的GPS是唯一一个在飞行所有阶段得到实际应用的GNSS,全球绝大多数民航飞机选择GPS作为机载卫星导航系统的主用导航源。

  2020年6月23日,随着第55颗北斗导航卫星发射成功,北斗卫星导航系统完成全部组网星座发射任务,正式建成,可以为全球用户提供卫星导航服务!随着时间的推移,美国GPS垄断民航GNSS的现状有望被改变。我们签派员作为航空公司的大脑,担负着航班运行指挥与决策的千钧重担,及时了解北斗卫星导航系统及其在民航中的应用,对我们今后的工作大有裨益。

  1.北斗卫星导航系统优势

  了解北斗卫星导航系统并知晓它的优势,可以从我们签派员日常工作说起。在某些航班签派放行过程中,会涉及到RAIM预测评估,当RAIM预测出现空洞超过5分钟,可能会影响到这些航班的签派放行决策。而所谓的RAIM预测,即特定时间特定区域几何构型合适的可见导航卫星数量,和导航卫星的星座密切相关。

  我国目前建成的北斗卫星导航系统北斗3号采用了3种轨道卫星组成的混合星座。截止2021年由30颗卫星组成。包括3颗地球静止轨道卫星(GEO卫星)、3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO卫星)和24颗中圆地球轨道卫星(MEO卫星)。如下图:

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  要知道美国的GPS、俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)、欧洲“伽利略”(GALILEO)的星座截止2021年都只有单一的中圆地球轨道卫星(MEO卫星),只有我们中国的北斗是3种轨道的混合星座!

  这样做优势很多,但和我们航空公司运控签派联系最紧密的优势在下面这张图:

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  世界大部分地区特别是亚太地区可见北斗卫星数量在14-16颗!这就是说假如以后我们的民航客机采用北斗导航,那理论上我们签派员放行前就不用去计较所谓的RAIM预测了,因为可见卫星数量足够,RAIM功能肯定没问题!

  北斗卫星导航系统的第二个优势同样可以从我们签派员的日常工作出发来看。大家在工作中放行国际航班有时可能会碰到所谓的LPV进近,英文全称是Localizer Performance with Vertical Guidance,即带垂直引导的航向信标性能,其实就是带广域增强系统WAAS的GPS进近,水平引导精度能够达到I类精密进近水平。

  要实现LPV进近的关键就是广域增强系统WAAS。我们的北斗建成之初就自带能够实现广域增强功能的星基增强系统SABS,主要通过3颗地球静止轨道卫星(GEO卫星)和混合星座实现。也就是说以后我们的飞机要通过北斗实现LPV进近会更加的方便,不需要再发射额外的卫星了。如果再通过建设兼容北斗的地基增强系统GBAS,II类和III类精密进近也是可以实现的。

  第三个优势就在于自主可控。美国GPS系统是由美国空军掌握的,在2000年取消了SA干扰以后才可以供民航使用,SA干扰可以极大降低GPS定位精度。既然能取消,也就是说如果需要,随时能恢复。事实上可能恢复都不需要,因为现在美国的技术可以直接关掉某个特定区域的GPS导航,这种情况在国际上已经出现过了。这无疑会对卫星导航依赖单一GPS导航的使用方带来不可接受的风险。所以卫星导航这种大国重器必须自主可控。我国目前的北斗卫星导航系统北斗3号所有元器件100%国产,包括卫星导航最最核心的氢原子和铷原子钟都是完全由我国科学家自主研发的,所以自主可控毫无疑问是我们北斗卫星导航系统的优势之一。

  北斗卫星导航系统当然还有很多其他优势,比如全球短报文通信,精密单点定位等等,由于与我们签派员工作联系没有上面3种优势紧密,就不再单独介绍。接下来我们来看看北斗卫星导航系统在民航中的应用计划。

  2.民航应用

  2019年,中国民航局发布了《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》。按照路线图的安排,北斗卫星导航系统的民航应用分为近期(2019-2021年)、中期(2022-2025年)和远期(2026-2035年)三个阶段,涉及到大量国际标准制定、法规体系建立、运行能力建设、机队加改装等工作,是一项庞大且复杂的系统性工程。我们签派员最关心的无疑是北斗卫星导航会怎样融入我们的日常工作呢?

  首先就是航空器追踪与监控。根据路线图规划,我们的飞机会逐步完成北斗终端设备的加改装,逐步实现基于北斗定位的追踪和监控。以后大家上班时监控屏幕上一架架飞机飞行轨迹的ADS-B位置信息可能就是来源于我们的北斗卫星哦,大家看到他们,想到浩瀚太空中一颗颗中国人自己制造的北斗卫星正精准定位我们的航班,会不会有一种亲切感?

  如果一切顺利的话,2025年起进入航空公司的新飞机的MMR(多模式接收机)会兼容北斗系统与北斗星基增强SABS系统,这是实现基于北斗导航精密进近的第一步。这里我们需要注意的是,应用北斗并不代表不使用GPS等其他卫星导航系统了。事实上北斗系统自建立之初就注重全球合作,北斗的B1C与B2a信号与美国的GPS L1C和L5、欧洲的Galileo E1和E5信号兼容,这就是说这3种导航信号我们2025年后的新飞机的MMR都是可以接收的。在我们飞机改变的同时,兼容北斗系统的双频多星座地基增强系统(DFMCGBAS)地面站也会在国内的机场开始建设,我们离使用北斗精密进近的目标愈来愈近。

  到2035年左右,我们所有的飞机均装备兼容北斗的机载多模式接收机MMR,具备北斗导航功能。实现以北斗为核心的多模GNSS作为PBN、ADS-B运行的主要导航源。并且通过北斗为主用或辅助导航源实现机场I类精密进近运行。到时我们签派放行的飞机就会有中国人自己制造的卫星导航系统定位指引,想想都是一件让人激动的事。

  北斗卫星导航还有很多值得一提的功能与优势,在民航中的应用也会逐渐加速,融入我们的工作,让我们一起期待中国的北斗照耀世界!

来源:民航资源网  作者:邓成竹

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