吕小平

中国民用航空局空中交通管理局，北京，100191

　　摘 要：为保证飞行安全，建立以北斗卫星导航系统为核心的航空导航基础设施是中国民航的必然选择。空管应用标准体系是北斗卫星导航系统的民航空管应用的基础。本文分析了国外卫星导航系统空管应用标准体系及其支撑条件，提出了适合我国特殊国情的北斗卫星导航系统的民航空管应用标准体系和监测体系，并给出了指导性的建设建议，为北斗卫星导航系统在我国民航空管的应用提供支撑。

　　关键词：北斗卫星导航系统，空中交通管理

　　1   概述

　　全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）在民用航空的应用可有效提高空中交通管理系统的效能，保障复杂条件下的飞行安全、提高运行效率。美欧等国将全球定位系统（Global Positioning System，GPS）应用于民航空管近20年，已取得巨大的效益。然而，由于主权和安全性等原因，我国民航难以选择GPS作为主用导航系统。

　　我国自主研制和建设的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS），简称北斗，将成为与GPS、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）和GALILEO并列的GNSS核心星座之一，是国际定位导航授时（Positioning, Navigation, and Timing，PNT）的核心基础设施之一。将北斗作为我国民航空管的主用导航系统可消除使用国外卫星导航系统的安全风险，使民航摆脱受制于人的窘境。同时，为我国民航空管提供服务也是北斗重要的发展战略之一。

　　为规范GPS在空管中的应用，保证运行安全，美欧等国建立了较为完善的GPS空管应用标准体系，包括国际标准、国家和地区标准以及行业标准，内容涵盖GPS系统、相关技术和设备、以及空管运行。我国的GPS空管应用标准基本上等同采用美欧标准，但尚未开展北斗空管应用标准的研究。

　　本文分析了国外卫星导航系统空管应用标准体系及其支撑条件，提出了适合我国特殊国情的北斗卫星导航系统的民航空管应用标准体系和监测体系，并给出了指导性的建设建议，为北斗卫星导航系统在我国民航空管的应用提供支撑。

　　2  GPS的民航空管应用标准

　　2.1   国外研究现状

　　欧美等世界航空强国在民用航空各个领域，尤其在民航法规建设方面，积累了大量成功的经验。研究其在GNSS民航空管领域的法律、法规、规定的历史发展和现有体系有益于我国基于北斗的民航空管应用标准体系的建设。

　　GPS的空管标准包括国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO)标准、国家/地区空中交通管理当局发布的标准和行业标准三大类。

　　1996年7月15日成立的美国关键基础设施保护委员会进行了一项长达15个月的关于国家基础设施脆弱性的广泛调查，发现其中脆弱性尤为凸现的是与国家空域性（National Airspace System，NAS）现代化相关的计划和到2010年使GPS成为美国的唯一无线电导航系统的计划。响应该委员会的建议，1998年5月2日白宫发布了63号总统令：“运输部应该通过与国防部协商，进行一项关于依赖于GPS的国家运输系统难关脆弱性的全面评估。该评估将包括发起一项关于基于GPS的系统的民用用户独立的、集成的评估，并基于这些评估给出关于NAS现代化的最终体系结构的基础决议。”[6]

　　同时期，FAA启动了从陆基系统向基于GPS的星基系统的过渡计划。然而单独GPS并不能满足所有航空定位的需求。为满足NAS的需求，FAA计划了两个GPS增强系统：广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）[11]和局域增强系统（Local Area Augmentation System，LAAS）[11] [12]。

　　由于没有可靠的卫星导航系统和增强系统支持，我国在GNSS民航空管应用关标准方面的研究一直处于跟踪状态。朱筱虹等通过对中美两国GPS标准体系结构分析，得出了GPS系统标准体系由通用基础标准、工程标准和应用标准组成[1]。中国航天标准化研究所的康登榜等人研究和解读了ICAO GNSS 标准建议措施（Standards and Recommended Practices，SARPs）的技术规范[2]，李晓等人对GNSS在国际民航组织中的标准化工作进行了总结[3]，龚佩佩等人概述了全球卫星导航系统性能标准及指标体系[4]。

　　在GPS空管应用方面，我国陆续颁布了一些民航空管应用相关的标准。截止目前，中国民航颁布的GPS民航空管应用标准18项，国标中的GPS民航空管应用标准26项，国军标中的GPS民航空管应用标准36项。同时，我国也建设了基于GPS系统的地基区域完好性监测系统（Ground-based Regional Integrity Monitoring System, GRIMS）[12]。

　　·ICAO标准和建议措施

　　定义了有关国际民航安全的基本应用规范，由所有缔约国统一实施，其形式包括标准和建议措施、航空导航服务程序、区域补充程序、和手册和指导材料。导航系统方面，ICAO在国际民航公约附件十卷一中定义了所有民航现在使用中的陆基和星基导航系统的基本规范。运行方式方面，ICAO在基于性能的导航手册（Doc 9613）中给出了使用区域导航（Area Navigation，RNAV）和所需导航性能（Required Navigation Performance，RNP）的关系，及选择某一个作为空域概念下所需导航性能的优势和弊端。

　　·国家/地区空中交通管理当局发布的标准

　　在ICAO标准基础上制定的本国家/地区的具体执行标准，如美国的联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）和欧盟的欧洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）等制定的标准。

　　·行业标准

　　包括航空无线电委员会（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）标准、欧洲民用航空设备（European Organization for Civil Aviation Equipment，EUROCAE）标准和航空无线电通信公司（Aeronautical Radio Incorporated，ARINC）标准。RTCA标准定义航空机载设备和运行系统的最低运行标准、最低性能标准和空间信号接口及相关标准。

　　由于GPS系统提供的高质量服务、易于使用性和低的用户花费，GPS的用户增长迅速。随着GPS应用的不断增长，人们逐渐认识到GPS系统也可能遭受的人为的、恶意的破坏。到二十世纪九十年代，美国民用交通体系正寻求通过GPS系统提高效率的可能性，其对GPS系统的依赖逐渐增长，导致在出现GPS服务中断时将产生极为严重的后果，并且当时民用应用还未做好关于减轻这种影响的设备和运行程序上的准备[5]。

　　1996年7月15日成立的美国关键基础设施保护委员会进行了一项长达15个月的关于国家基础设施脆弱性的广泛调查，发现其中脆弱性尤为凸现的是与国家空域性（National Airspace System，NAS）现代化相关的计划和到2010年使GPS成为美国的唯一无线电导航系统的计划。响应该委员会的建议，1998年5月2日白宫发布了63号总统令：“运输部应该通过与国防部协商，进行一项关于依赖于GPS的国家运输系统难关脆弱性的全面评估。该评估将包括发起一项关于基于GPS的系统的民用用户独立的、集成的评估，并基于这些评估给出关于NAS现代化的最终体系结构的基础决议。”[6]

　　同时期，FAA启动了从陆基系统向基于GPS的星基系统的过渡计划。然而单独GPS并不能满足所有航空定位的需求。为满足NAS的需求，FAA计划了两个GPS增强系统：广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）[11]和局域增强系统（Local Area Augmentation System，LAAS）[11] [12]。

　　2.2 国内研究现状

　　由于没有可靠的卫星导航系统和增强系统支持，我国在GNSS民航空管应用关标准方面的研究一直处于跟踪状态。朱筱虹等通过对中美两国GPS标准体系结构分析，得出了GPS系统标准体系由通用基础标准、工程标准和应用标准组成[1]。中国航天标准化研究所的康登榜等人研究和解读了ICAO GNSS 标准建议措施（Standards and Recommended Practices，SARPs）的技术规范[2]，李晓等人对GNSS在国际民航组织中的标准化工作进行了总结[3]，龚佩佩等人概述了全球卫星导航系统性能标准及指标体系[4]。

　　在GPS空管应用方面，我国陆续颁布了一些民航空管应用相关的标准。截止目前，中国民航颁布的GPS民航空管应用标准18项，国标中的GPS民航空管应用标准26项，国军标中的GPS民航空管应用标准36项。同时，我国也建设了基于GPS系统的地基区域完好性监测系统（Ground-based Regional Integrity Monitoring System, GRIMS）[12]。

　　针对北斗空管应用，中国民用航空局空中交通管理局的秦智分析了BDS民航应用标准国际化的机遇和挑战[13]。目前中国民航己经通过国际民航组织导航系统专家组（Navigation Systems Panel，NSP）以信息文件（IP）的形式进行了探索，并根据民航基于性能的导航（Performance Based Navigation，PBN）路线图的发布，提出了北斗应用标准化问题。在性能监测方面，目前尚无基于北斗的监测平台。

　　3 北斗民航空管应用标准体系

　　通过对ICAO GNSS SARPs技术规范，尤其是涉及GPS的SARPs技术规范，以及FAA、EASA、RTCA、EUROCAE和ARINC等发布的与GNSS民航应用相关的行业标准的研究和分析，结合北斗的特点，本文提出北斗的民航应用标准框架，如图1所示。

　　框架包括北斗系统标准、机载设备标准和民航行业标准。北斗系统标准主要包括北斗系统自身的工程标准、应用标准以及其他与系统运行相关的标准。机载设备标准主要包括北斗卫星导航机载接收机、北斗增强系统机载设备和北斗与其他系统组合机载设备的技术标准。为推动我国北斗的应用，必须制定相应机载设备国际标准（或国际民航界承认的标准）。民航行业标准主要包括空管标准、适航标准和飞行标准。

图1 北斗的民航应用标准建议框架

　　3.1 ICAO标准规范

　　在标准研究专项中将重点研究ICAO SARPs，其定义了有关国际民航在设备性能、运行服务等方面的最核心、最基本的标准和规范，由所有缔约国统一实施。

　　北斗的ICAO SARPs制定工作正在开展。2010年11月在NSP全体工作组会议中，北斗系统的描述文字写入了ICAO《GNSS手册》；2011年5月在NSP全体工作组会议上，北斗频率写入了GNSS频率图表中；2011年12月在NSP全体工作组会议上，中国专家向NSP提交工作文件WP20《为中国北斗卫星导航系统制定SARPs以支持其加入全球框架》，正式启动NSP层面北斗加入国际民航标准框架的工作[3]。

　　3.2 地面系统标准

　　地面系统标准是指针对为飞行和空管提供保障服务的地基增强系统（Ground Based Augmentation System，GBAS）地面监测系统、基于北斗的广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）等地面空管设施设备而制定的技术标准，包括设备的接口规范、性能指标、物理参数等。

　　3.3 运行标准

　　运行标准是指使用基于北斗系统的空管设施设备，开展空管服务和运行保障工作所需的技术指标和程序规范，主要包括PBN运行标准、ADS-B运行标准和4DT运行标准等。

　　4 北斗民航空管应用监测体系

　　为制定高质量的北斗民航空管应用标准，需建设北斗民航空管应用监测体系。以监测平台为基础，全天时全天候采集数据，并结合民航空管应用性能需求，分析讨论数据质量和特征，为标准质量提供参考和建议。

　　北斗民航空管应用监测体系由地面监测系统、飞行校验平台组成。

　　4.1 地面监测系统

　　北斗所提供的PNT服务的性能指标须符合民用航空在精度、完好性、连续性、可用性等方面的要求，是北斗系统应用于民航领域的前提。为保证这一点，参照国际民航领域针对GPS系统的做法，需要建立独立的性能监测和评估系统，对北斗系统进行全时段、全周期的监测，确认北斗系统的性能指标满足民航应用的要求；并在投入应用后进行持续的监测，对不能满足要求的情况进行告警。

　　对中国民航现有基于GPS系统的地基区域完好性监测系统（Ground-based Regional Integrity Monitoring System, GRIMS）进行升级，增加针对北斗的监测功能，使其可24小时连续运行，更加精确地监测北斗在中国大陆地区的性能。

　　4.2 飞行校验平台

　　搭建北斗民航空管应用的飞行校验平台，对北斗的空管应用性能进行全面、综合评估，以验证北斗在真实飞行环境下的准确性、可靠性和可用性。主要包括：

　　·导航信号质量评估：针对北斗系统的信息完备性，开展导航信号质量及电文性能评估；

　　·导航电磁环境评估：针对北斗系统的脆弱性，开展空中电磁环境适应性研究，结合地面监测平台开展导航性能评估分析；

　　·导航系统性能评估：针对航空导航运行性能开展空地协同评估。

　　5 建设步骤

　　根据北斗的民用航空应用实施工作计划，伴随着北斗卫星导区域系统和全球系统的建设和运行，北斗在民航应用标准研究工作将跨越“十二五”和“十三五”两个五年计划以上的时间，建议按照“两步走”的方式开展实施。

　　第一步（以“十二五”为主），建立ICAO标准规范。

　　对北斗（区域）的空间信号质量进行实际监测，评估基于北斗的导航性能，为北斗加入ICAO GNSS SARPs提供空管运行性能数据支撑。解读现有GNSS标准体系，建立北斗民航空管应用ICAO标准规范。

　　第二步（以“十三五”为主），建立地面系统标准和运行标准。

　　基于“十二五”期间对北斗卫星导航（区域）系统的测试评估结果，以北斗为导航数据源，结合通用航空需求，开展如GBAS和ADS-B等北斗应用的关键技术研究，为北斗的民航应用地面系统标准和运行标准制定提供支撑。

　　6 结论与展望

　　在分析国内外GNSS民航空管应用标准体系的基础上，提出了基于北斗的民航空管应用标准体系和监测体系内涵，并给出了指导性的建设建议。在未来的标准建设工作中，建议以数据监测结果为基础，以地面和空中测试结论为依据，提出符合系统实际、服务工程应用的标准。

　　·参考文献

　　[1] 朱筱虹，徐瑞，孙妍，许昭霞，曾欣。GPS标准现状及体系分析。无线电工程，2012年，第42卷第8期：28-31。

　　[2] 康登榜，周玉霞。ICAO GNSS SARPs技术规范解读，第三届中国卫星导航学术年会电子文集，2012年5月，中国，广州。

　　[3] 李晓。GNSS在国际民航组织中的标准化工作综述。航天标准化，2012年第4期：42-45。

　　[4] 龚佩佩，郑恒，杨卓鹏，王晋婧。全球卫星导航系统性能标准及指标体系概述，第三届中国卫星导航学术年会电子文集，2012年5月，中国，广州。

　　[5] The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory. GPS Risk Assessment Study Final Report. January 1999.

　　[6] John A. Volpe National Transportation Systems Center. Vulnerability Assessment of the Transportation Infrastructure Relying on the Global Positioning System Final Report. August 29, 2001.

　　[7] 陈金平. GPS完善性增强研究. 解放军信息工程大学，2001。

　　[8] 牛飞. GNSS完好性增强理论与方法研究. 解放军信息工程大学，2008。

　　[9] 杨文辉, 周保军. LAAS地面系统中多基准一致性检测算法的分析. 电子学报, 2006,(03)。

　　[10] 甘兴利. GPS局域增强系统的完善性监测技术研究. 哈尔滨工程大学, 2008。

　　[11] 邵佳妮，冯炜，李博。两种GNSS完好性监测系统的比较，地理空间信息，2010年，第8卷，第4期：77-83。

　　[12] 朱衍波，张晓林，薛瑞，张淼艳。民航GPS地基区域完好性监视系统设计与实现，北京航空航天大学学报，2006年7月，第32卷，第7期：797-801。

　　[13] 秦智。BDS民航应用标准国际化的机遇和挑战。中国航天，2011年第6期：10-15。