浅析北斗系统的发展及通航应用
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浅析北斗系统的发展及通航应用
中信海洋直升机股份有限公司  倪肖晨
我国的北斗系统已在交通运输、海洋渔业、气象测报、救灾减灾和国家安全等领域得到广泛应用，并将应用于航空领域。本文通过对北斗系统发展及特点的分析，探讨其在通航领域应用的可行性。
一、引言
2018年11月19日，我国成功发射了第42、43颗北斗导航卫星，也是北斗系统第18、19颗全球组网卫星，这标志着我国成功完成北斗三号基本系统星座部署，系统服务已从区域向全球拓展。北斗导航系统
与美国全球卫星定位系统、欧洲伽利略系统、俄罗斯格罗纳斯系统已被全球导航卫星系统委员会确定为四大全球导航卫星系统。目前关于北斗的文章很多，但鲜见有航空行业方面的应用。我从事通航行业多年，时刻关注着国家北斗系统的建设和航空应用发展，并收集大量资料编写了这篇关于北斗系统发展的文章并提出了其在通航应用的些许建议。
二、北斗系统的由来
说到北斗，必须先提GPS了。上世纪50年代，美国两位科学家研究发现相对运动引起的多普勒频移效应导致苏联卫星的频率出现了偏移。
随后设计了方案利用多部接收机、得到不同频差来推算出这个卫星的具体位置，实现了多普勒定位跟踪。这就是GPS系统的启动思路，美国选择实施的是中轨道星座的方案，充分利用地面物体和30颗轨道卫星间的多普勒频移来定位。目前，GPS系统分为军用和向全球开放免费的民用两种定位模式。
美国军方使用的军码与免费GPS的民码精度相差十倍。如果别国军方使用美国控制的免费民码GPS，万一与美国交仗，别国瞄准美国的导弹就尽在美国的掌控之中。所以别国的军方绝不能使用美国的GPS，必须要发展本国的定位导航系统。
中国早在上世纪八十年代就计划启动定位导航卫星方案，但因经济条件等种种原因搁置至1991年才启动，称为北斗一代。
三、北斗系统的发展及政府推广
北斗一代为双星定位，只有两颗星。为了实现中国全覆盖，两颗卫星为高轨道静止卫星，既能定位又能通信。静止高轨道是双星定位的必然选择，但它导致了地面被测物体与卫星的相对速度低、多普勒效应不明显、定位精度低的性能隐患。
为解决一代的定位缺陷，北斗二代、三代计划出炉了。北斗三代计划在2020年前发射35颗卫星，形成全球性的定位导航系统。其中包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星， 5颗多于GPS位于赤道上空的静止高轨道卫星是用于短信功能的，其余30颗都是中轨道的运动卫星与美国GPS相同，运动卫星在各自国家上空分布最密集，其目的首要是为本土提供服务。目前亚太地区上空北斗卫星密集，它比GPS更有优势。
中国政府近年来一直在推广北斗系统，已广泛应用于个人位置服务、气象应用、道路交通管理、海运和水运和应急救援等领域，并产生了明显的社会和经济效益。
四、北斗系统于通航飞机监视导航应用的探索
虽然中国民航也开始着手致力于北斗导航新技术在民航领域的研究、应用与推进工作，但当前北斗进入民航最大的瓶颈在于它的国际标准化，因为北斗系统的机载应用涉及适航取证问题，而北斗机载设
备的适航取证首先依赖于相关适航法规和标准的完善，是一个非常漫长的过程。这也是为什么北斗在很多领域可以很好应用，而在民航领域一直没有应用起来的主要原因。北斗系统民航应用的工业标准、适航标准、运行标准体系的建立和完善，以及国际民航组织的认可，是北斗系统在民航推广和普及的前提。由于通用航空飞行运行灵活，运行标准相对于运输航空的标准来说要低得多，可以试点在通航领域先开展北斗系统应用，搜集数据积累经验，进而推广至运输航空领域。所以我建议北斗系统在民航
推广应该分步走。
图1 典型的北斗系统工作原理图
（1）通用航空器上初始数据采集和验证工作阶段
在通用航空器上加装北斗系统对飞机飞行位置进行地面实时监视。需要说明的是，此时北斗系统不参
与航空器的导航功能，北斗机载设备与航空器的机载设备是不交联的。我们可在不改变原有机载导航设备的基础上，通过加装北斗设备利用其短信功能将飞行过程中实
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时定位的信息传送给监控指挥中心，实现航空器的实时监控。
典型的北斗系统工作原理如图1所示。
此典型的北斗系统是一个天地空三方结合的电子信息系统。通航飞行器安装北斗终端后将自动获得由北斗和GPS 双模定位信息，然后比较二者信息后取其较优的定位信息数据，通过自适应北斗卫星和GPRS 地面通信与北斗地面接收机/塔台其他地面数据链系统进行数据交换。地面监视服务组织通过监视管理平台在数据处理和数据中心的支持下完成地面的空域监视和控制指令/服务信息传递。
典型的北斗机载设备信息逻辑如图2所示。各主要模块功能：
卫星定位模块：接收北斗/GPS 卫星信号，并输出本设备所在时间、位置、速度、航向等信息；
卫星通信模块：将设备位置信息通过北斗卫星发送给指挥中心；GSM 通信模块： 将设备位置信息通过GPRS 发送给指挥中心；WIFI 通信模块（预留）：将设备发送和接收到的各种信息可通过WIFI 信号输出给用户手机APP 软件；
信息处理/控制单元：设置各模块的输出/输入信息，可设定设备工作状态；
FLSH 模块：写入或读出卫星定位模块输出信息、卫星通信模块发送信息；
it是什么行业
电源模块：提供各模块所需电源。
众所周知，通用航空的发展涉及到低空开放的问题。目前，低空开放的一大瓶颈就是难以对通用航空器实施有效监控。由于北斗系统具备短消息的功能，所以可以实现对飞机实时位置信息的监控，为我国低空开放提供一个技术支撑，确保低空开放后可以顺利地监控到飞机位置。
经过初始北斗监视系统的数据采集，我们就可以分析和评估北斗系统的关键性能指标，明确其与现阶段民航运行要求的差异性和符合性。也就是说北斗要替代GPS 或北斗与GPS 兼容运行那么首先要知道北斗系统的性能是否能满足于民航的各项运行要求。
（2）通用航空器上北斗导航功能应用阶段
在初始验证工作阶段取得大量验证数据的基础上，把北斗机载设备和航空器导航计算机等设备交联，实现北斗系统导航定位的
功能（可把GPS 作为备份导航源或开发兼容GPS 的北斗机载设备）。
qq微云登陆基于北斗的导航监视应用及运行验证完成后，确保了通用航空器使用北斗导航源的安全性和精确性。导航应用阶段需要设备商研发高性能机载北斗收发机和相关配套机载设备并通过局方适航审定。高性能机载北斗收发机要突破机载高动态、最优选星、接收机自主完好性监测（RAIM ）、短报文通信、双模一体化等关键技术，解决通用航空器精确导航和安全监视的问题。还需研制兼容北斗的多功能显示控制组件、导航数据库、飞行管理计算机、导航显示器、主飞行显示器等系列机载设备以实现基于北斗系统的飞行计划制定、机载性能监视与告警、近地警告和导航显示等功能。
如若机载设备通过了局方适航审定，则
旅行社管理
图2 典型的北斗机载设备信息逻辑图
词语大全四字词语北斗系统可以为通航飞行器的导航和监视提供一体化的解决方案。这时北斗的优势是GPS 无法比拟的，在导航性能上，北斗与GPS 系统相当，但在应用上，北斗技多一筹。
北斗导航功能的应用为下一步基于北斗的导航、通信和ADS-B 监视的数据准确性、可靠性以及技术方案的可行性提供了坚实的基础。
（3）通用航空器上基于北斗的ADS-B 技术的进一步应用我国通用航空发展即将步入快速增长期，加强低空空域的空中交通管理迫在眉睫。ADS-B 是一种基于卫星定位、能够完成空中交通监视和信息传递的监视新技术，能有效运用于低空空域管理。但目前ADS-B 系统的导航数据源过于依赖GPS ，存在极大的安全隐患。经过北斗导航功能在通用航空器上的应用，证明了北斗系统的安全性、稳定性和替代GPS 的可行性。
建议先开展基于北斗的导航、通信和广播式自动相关监视（ADS-B ）的通用航空试验验证工作。可在通用航空器安装北斗导航通信一体化终端和ADS-B 机载应答机，在地面布设北斗终端和ADS-B 地面站。通过飞行测试，确保北斗信号接收良好，定位准确，位置报告和短消息功能工作正常，整个飞行过程中信号连续无中断；ADS-B 机载应答机向地面站发送飞机的地址码、位置、高度、速度等飞行参数信息和监视数据连续无中断。
试飞后对全部数据进行了记录和回放，检查所有飞行数据良好且与实际飞行过程数据相吻合，从而初
步验证基于北斗的导航、通信和ADS-B 监视数据的精确性、连续性、完好性和通信的实时性、准确性，为运输航空未来使用北斗卫星导航系统提供实验数据和技术支持。
北斗系统要成为ADS-B 系统的信息源、与之相融合，也将体现在机载应答设备上，这需要局方支持并组织有资质生产商研发适航的北斗卫星导航机载设备、兼容北斗的ADS-B 设备和地面设备。
（4）全民航北斗系统应用的推广
北斗系统在通用航空的成功应用为下一步推进北斗在运输航空的应用奠定基础。
当前国内机场都在大力推进的、由我国自主研发的卫星精密导航技术（PBN ）航行技术是我国发展“新一代空中交通管理
（下转第127页）
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开关，能够自动开启清扫功能；能够自动开启热斑效应检测摄像头进行检测。图4为处于工作状态中的光伏组件智能运维机器人。
在佛山职业技术学院实训b楼顶搭载了一套单晶PERC高效太阳能组件实验平台及数据采集系统（图5）。我们选择了两块型号相同、批次相同的全新PERC组件的发电量进行比较了光伏组件利用智能运维机器人每日一次清扫跟不进行清扫两块组件发电量的区别。经过对两块PERC组件发电效率的分析，得出了光伏组件每日清扫一次可以有效提高组件发电效率、增加发电量。
图4 光伏组件智能运维机器人                  图5 数据采集系统
工作运行状态
当运维管理人员开启热斑检测任务时，Firefly-RK3399开发
板接受热斑检测任务，并驱动行走装置开始工作，同时打开FLIR
Lepton V1.3 Thermal Camera、RMONCAM G600 实景摄像头进行图
像采集，传输到机载Firefly-RK3399通过提取图像特征点，识别组
件是否存在热斑，当判断出组件存在热斑时，RMONCAM G600 实
景摄像头拍摄当前组件画面。随后Firefly-RK3399将热斑图像与实
景画面传输至区域后台管理中心。后台管理人员根据FLIR Lepton
V1.3 Thermal Camera采集的问题组件的红外热成像图像便中该组件
热斑程度来判断是否需要更换，并可以通过RMONCAM G600 实
景摄像头采集的实景画面来判断导致该问题组件产生热斑效应的原
因，以及观看问题组件边框上的编码来定位问题组件位置。图6为
本运维机器人热斑采集的画面。
图6 热斑采集的画面示例
4.结论
本文采用西门子S7-200 224XP PLC可编程控制器、Firefly-
RK3399开发板、步进电机、FLIR Lepton V1.3 Thermal Camera等模
块或电气控制系统搭建了一款具有自动清扫和自动热斑检测的光伏
电站运维机器人系统。通过户外运行及检测，运行效果显著，本产
迈克尔杰克逊 迈克尔乔丹品能够为智能化光伏电站运维提供帮助。
（上接第124页）
系统”的重要基石，这也与北斗系统的应用密切相关。PBN运行
的三个基础要求就是导航应用、导航规范和导航设施。PBN这项
技术结合了现代飞机机载设备的性能和优势，利用先进的北斗系
统导航技术，使飞机只要在导航信号覆盖范围内就可以沿任意路
径进行飞行，从而使得飞行航迹灵活和精确。一方面，北斗可以
为PBN提供包括航路、终端区、非精密进近和精密进近全部飞行
阶段的导航；北斗的短报文通信也可实现ADS-B和雷达覆盖盲
区的航空器监视和应急通信；同时，北斗还可以实现民航通信网
络、自动化系统、运控系统等的时间同步。另一方面，从国家安
全角度上讲，由于GPS卫星为美国军方控制，在特定情况下，可
能存在信号被关闭或被干扰等，定位精度有可能会受到影响。而
北斗系统是由我国自主控制的，信号的精度和稳定性都有保证。
说句题外话，如果北斗系统的应用普及到全民航，那么MH370失
联之类的事件就不会发生。
五、结束语
北斗卫星导航系统是我国自主开发的卫星导航系统。通过本
文的阐述，北斗系统在通用航空的应用是可行而且必要的，但过程
将十分漫长。在国家政策的支持下，应积极推进基于北斗系统的
ADS-B和机载航电新技术共同发展，推动中国通用航空事业的发
展，进而促进整个民用航空业的发展，最终使北斗卫星导航系统与
经典语段世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使全球用户都能享受到我
国北斗卫星发展的成果。
参考：王鲁杰.中国民航应优先发展ADS-B应用技术.中国民用
航空,2006,32(1):27-30；顾春平.空中交通管制监视新技术简介.现
代雷达,2010,32(9):1-5；李自俊.ADS-B技术在通用航空飞行中的
应用.国际航空杂志,2008,53(4):62-64；程擎.中国实施ADS-B监视
的地面站部署分析.电讯技术,2012,52(8):1227-1231；杨洪海，张光
明.“北斗”卫星导航系统在中国民航的应用探索.中国民航报,2008-
12-25(4)；《Environmental Conditions and Test Procedures for Air-
borne Equipment》—DO160；CCAR-29-R1运输类旋翼航空器适航
规定,2002.07.02。
作者简介：倪肖晨（1973—），男，浙江温州人，大学本科，现就
职于中信海洋直升机股份有限公司，主要研究方向：通航技术服务
维修工程管理、直升机先进电子系统改装和应用。

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