基于北斗的通用航空位置服務(wù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

孫元

摘要：隨著低空建設(shè)的深入推進(jìn)，通航飛行需求日趨旺盛，對低空空域管理和通航飛行服務(wù)也提出了更高的要求，通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和行業(yè)管理需要建立健全完善可靠的通航系統(tǒng)監(jiān)管體系。本文研究了北斗技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在通用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，完成通用航空器運(yùn)行過程中的信息采集、信息處理、信息傳輸和信息融合，確保通用航空器數(shù)據(jù)的安全性、即時性，并可在整個航空領(lǐng)域推廣。建立通用航空領(lǐng)域的基于北斗的綜合監(jiān)管平臺，對通用航空領(lǐng)域的北斗數(shù)據(jù)進(jìn)行資源整合、統(tǒng)一管理，提高行業(yè)管理效能，滿足通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大需求。

關(guān)鍵詞：通用航空；北斗；大數(shù)據(jù)；監(jiān)管平臺

一、現(xiàn)狀分析

隨著低空空域逐步全面開放，中國通用航空及相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入迅速成長期。國家對低空開放出臺了一系列政策文件，制訂了“試點(diǎn)-推廣-全面開放”的發(fā)展路線，“十二五”期間低空空域管理改革試點(diǎn)不斷擴(kuò)大，取得初步成果；2016年5月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，對“十三五”期間通航的發(fā)展和低空空域管理提出了指導(dǎo)和要求。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，北斗技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)處理技術(shù)在通用航空領(lǐng)域應(yīng)用條件已經(jīng)逐步成熟，在基于性能的導(dǎo)航領(lǐng)域、在通用航空的航空器監(jiān)管要求方面，國內(nèi)已經(jīng)開始做預(yù)先研究，但在整個通用航空監(jiān)管方面，如何整合現(xiàn)有的時空資源，形成統(tǒng)一的平臺，還需要做深入的研究。

二、發(fā)展趨勢

通用航空飛行保障設(shè)施不夠先進(jìn)和完善，不能對通航發(fā)展形成有效支撐，現(xiàn)有的空管手段難以對其實(shí)現(xiàn)跟蹤監(jiān)控，在我國許多地區(qū)，低空空域飛行監(jiān)控不到的現(xiàn)象普遍存在，我國航路上實(shí)行的是雷達(dá)管制，而由于成本問題在低空實(shí)現(xiàn)雷達(dá)管控并不現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)前我國通航參與方各自管控一部分通航空管信息資源，已試點(diǎn)建設(shè)的低空監(jiān)視通信系統(tǒng)和飛行服務(wù)站等保障系統(tǒng)之間、各參與方之間沒有統(tǒng)一的信息規(guī)范和傳輸規(guī)范，無法實(shí)現(xiàn)信息資源的共享，因而不能進(jìn)行有效的航空信息資源整合，沒有有效的行業(yè)管理手段，協(xié)同效率低，很難為通航飛行器提供更方便、更快捷、更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。為彌補(bǔ)當(dāng)前通航監(jiān)視、通信、導(dǎo)航覆蓋范圍有限的不足，需要引入新技術(shù)體制進(jìn)入通航空管信息保障體系。

三、研究方案

1. 系統(tǒng)架構(gòu)

通過北斗+大數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建基于北斗時空服務(wù)、面向通用航空監(jiān)管業(yè)務(wù)、具有海量數(shù)據(jù)處理能力的通用航空監(jiān)管平臺，為通用航空行業(yè)提供真實(shí)可信的新型監(jiān)管服務(wù)。系統(tǒng)架構(gòu)如下。

源數(shù)據(jù)層完成機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)與空管數(shù)據(jù)的接入；信息整合層利用大數(shù)據(jù)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)資源完成信息的處理和上傳；業(yè)務(wù)支持層運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)各種通用航空業(yè)務(wù)的處理和信息分發(fā)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)要求為行業(yè)監(jiān)管以及從業(yè)者提供服務(wù)；平臺層則是整個通用航空監(jiān)管平臺的信息匯集和中心，控制和處理總體的信息平臺。

2.技術(shù)路線

（一）北斗航空器終端

結(jié)合北斗終端技術(shù)與地空通信技術(shù)，研發(fā)北斗航空器終端，實(shí)現(xiàn)航空器飛行過程實(shí)時信息采集與傳輸；同時，根據(jù)機(jī)載載體的不同要求（如懸翼、固定翼、無人機(jī)等）定制不同的終端解決方案。

基于北斗的地空雙向通信、基于兼容GPS/北斗雙模定位ADS-B OUT的地空監(jiān)視、基于ADS-B IN的空中交通態(tài)勢感知與空中臨近提醒。北斗可將航空器位置信息、識別信息通過北斗短報文發(fā)送到地面，實(shí)現(xiàn)地空監(jiān)視，利用ADS-B OUT技術(shù)可以提供更高更新率的地空監(jiān)視。

引入北斗作為ADS-B定位數(shù)據(jù)源，是提升地空監(jiān)視安全性的必經(jīng)途徑；北斗短報文可以傳輸?shù)孛嬷噶詈蜋C(jī)組下發(fā)消息，實(shí)現(xiàn)通航地空雙向通信。ADS-B IN技術(shù)使航空器可以接收周圍飛機(jī)的ADS-B信息并實(shí)現(xiàn)交通態(tài)勢感知，可以實(shí)現(xiàn)適用于通用航空飛行特點(diǎn)的“類TCAS”功能，進(jìn)一步提高通用航空飛行安全。

（二）監(jiān)管平臺

（1）軟件層次結(jié)構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)平臺服務(wù)，通用大數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺將綜合利用GIS，并參考主流空管自動化系統(tǒng)。GIS技術(shù)把地圖的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作集成在一起，這種能力使GIS與普通地圖相比，具有解釋、預(yù)測、規(guī)劃的能力，這對于空中交通管制，尤其是地理信息豐富的通航交通管制來說，有非常重大的意義。在空域分類管理、流量統(tǒng)計分析、航路管理等方面，GIS豐富的信息及方便的數(shù)據(jù)庫相關(guān)操作將帶來很大的好處，不但對通航有特殊意義，對于民航尤其是日益緊張的民航機(jī)場流量管理也會有很好的預(yù)研意義。

（2）平臺軟件框架

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，軟件采用層次化、模塊化的雙套冗余設(shè)計。外部接口主要包括來自民航空管自動化的監(jiān)視數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)，來自通航自主監(jiān)視傳感器如ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)，來自RDSS的上報信息數(shù)據(jù)，AWOS/QNH等必要的環(huán)境信息數(shù)據(jù)；全系統(tǒng)通過NTP時間同步，設(shè)有監(jiān)控系統(tǒng)對硬件設(shè)備、軟件進(jìn)程、通信接口等運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控；雙套冗余的服務(wù)器能夠處理監(jiān)視數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)，并基于GIS服務(wù)信息進(jìn)行告警、統(tǒng)計、分析計算，系統(tǒng)具有記錄重演功能，能夠方便地進(jìn)行空情追溯管理。系統(tǒng)包括3種類型的終端：管制相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到管制顯示終端；FPL的申請和審批通過web方式，按照既定的審批報備流程進(jìn)行管理，發(fā)送至服務(wù)器，并可根據(jù)用戶權(quán)限對服務(wù)器端的歷史飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；最后，還可以根據(jù)每個航空器的申請，推送與該航空器相關(guān)的飛行情報和導(dǎo)航信息。

四、技術(shù)創(chuàng)新

將北斗技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通用航空領(lǐng)域的以下技術(shù)創(chuàng)新：

1.基于北斗的通航監(jiān)管平臺

由于大量業(yè)務(wù)和監(jiān)管信息的引入，需要分析航空器與空中交通態(tài)勢的結(jié)合、自動分析和輔助決策，研究在復(fù)雜地理環(huán)境中的路由規(guī)劃和智能引導(dǎo)算法。該平臺結(jié)合監(jiān)管與業(yè)務(wù)需求，既有指揮調(diào)度和決策能力，還能提供通用航空的綜合服務(wù)。

2.機(jī)載導(dǎo)航終端可靠性設(shè)計

為保證機(jī)載終端的可靠性，需要綜合考慮機(jī)載終端在載體內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境、通信定位外界干擾等情況，在數(shù)據(jù)通信協(xié)議制定、低空通信的冗余性設(shè)計上保證，并在結(jié)構(gòu)和工藝上確保可靠性。

五、意義和前景

通用航空作為民用航空的主要組成部分，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)，不僅僅體現(xiàn)在通用航空的自身發(fā)展，而是通過通用航空發(fā)展，實(shí)現(xiàn)通用航空制業(yè)發(fā)展和航空設(shè)計研發(fā)發(fā)展，并由此帶動通用航空上游產(chǎn)品和下游產(chǎn)品的整體發(fā)展。

本系統(tǒng)將推動北斗技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在通用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，完成通用航空器運(yùn)行過程中的信息采集、信息處理、信息傳輸和信息融合，確保通用航空器數(shù)據(jù)的安全性、即時性，并可在整個航空領(lǐng)域推廣。本系統(tǒng)的完成將為北斗產(chǎn)業(yè)鏈帶來新的市場契機(jī)，北斗機(jī)載便攜終端的推廣將帶動北斗芯片、模塊、終端及應(yīng)用平臺的發(fā)展。同時，航空領(lǐng)域中北斗與云計算的結(jié)合將促進(jìn)北斗在更加廣泛的大數(shù)據(jù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

通航行業(yè)監(jiān)管與服務(wù)保實(shí)際上是一個系統(tǒng)化、規(guī)范化、協(xié)同化的過程，空管信息需要標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，行業(yè)管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用需要協(xié)同化運(yùn)作，因此通過對本項(xiàng)目的順利執(zhí)行，不但在通用航空領(lǐng)域的管制和服務(wù)發(fā)揮重要作用，對于進(jìn)入軍航管制業(yè)務(wù)，民航管制業(yè)務(wù)，通航公司業(yè)務(wù)（含航校），企業(yè)和公眾業(yè)務(wù)，滿足軍航、民航、監(jiān)管、通航運(yùn)營、用戶等單位和個人的不同業(yè)務(wù)需求，市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)交通運(yùn)輸行業(yè)應(yīng)用專項(xiàng)規(guī)劃（公開版）》（交規(guī)劃發(fā)〔2017〕187號）.

[2]“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在低空空域監(jiān)管系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 劉紀(jì)紅，王倩倩，楊麗. 電訊技術(shù). 2012（01）.

[3]基于北斗的通用航空指揮監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 連林珍. 無線互聯(lián)科技. 2017（07）.

[4]基于數(shù)據(jù)分析的中國通航發(fā)展情況研究[J]. 許冀威.中國民航飛行學(xué)院學(xué)報. 2017（05）.

[5]Clock-based RAIM method and its application in GPS receiver positioning[J]. 滕云龍，師奕兵. Journal of Central South University. 2012（06）.

[6]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能評估理論與試驗(yàn)驗(yàn)證[D]. 胡志剛.武漢大學(xué) 2013.

[7]衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能監(jiān)測及評估方法研究[D]. 李作虎.解放軍信息工程大學(xué) 2012.