衛(wèi)星通信導(dǎo)航監(jiān)視技術(shù)及其民航應(yīng)用

文｜韓萍 盧曉光 劉海濤 陳萬(wàn)通 李冬霞

中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院

一、前言

21 世紀(jì)以來(lái)，航天科技高速發(fā)展，商業(yè)星座大規(guī)模建設(shè)驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量快速增長(zhǎng)，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展邁入快車道，服務(wù)領(lǐng)域從國(guó)防跨越到其他各行各業(yè)。目前，衛(wèi)星通信導(dǎo)航監(jiān)視等技術(shù)已在民航運(yùn)輸中發(fā)揮了重要作用，成為了現(xiàn)有陸基空管系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，有效提升了航空安全水平、活動(dòng)范圍和運(yùn)行效率。

通信、導(dǎo)航和監(jiān)視等設(shè)施是空管系統(tǒng)的重要組成部分，為飛行員、管制員、簽派員等提供空中導(dǎo)航（Air Navigation）服務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行狀態(tài)，確?！敖械玫?、看得見(jiàn)、避得開”。傳統(tǒng)的通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)部署在地面，受地形遮擋以及不適合部署地面站等因素限制，覆蓋范圍有限，并依此形成固定的航路航線。航班只能沿航路航線運(yùn)行，在限定區(qū)域運(yùn)行，否則無(wú)法確保航空安全。

衛(wèi)星是航天應(yīng)用的主要載體，按照用途可以分為通信、導(dǎo)航、遙感、科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)四類。相對(duì)陸基平臺(tái)，衛(wèi)星平臺(tái)離地面高，視野開闊，覆蓋范圍廣。銥星、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）等已經(jīng)通過(guò)國(guó)際民航組織（ICAO）的認(rèn)可，為航班提供通信導(dǎo)航服務(wù)。極軌星座銥星二代搭載通信和監(jiān)視載荷，可覆蓋全球任何區(qū)域，提供通信和監(jiān)視服務(wù)。中國(guó)自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠覆蓋全球，提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。但是，由于民航對(duì)航空安全極高的要求，以及衛(wèi)星本身存在的一些脆弱性問(wèn)題，衛(wèi)星通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)僅僅是陸基系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展及其在民航的運(yùn)行時(shí)間積累，其本身存在的問(wèn)題將會(huì)逐步解決，衛(wèi)星通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)必將是未來(lái)空管系統(tǒng)的主要組成部分。ICAO 制定了全球空中航行計(jì)劃（GANP），發(fā)布并持續(xù)更新航空系統(tǒng)組塊升級(jí)計(jì)劃（ASBU）[1]，規(guī)劃了衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、星基監(jiān)視等技術(shù)的路線圖，在2025—2030 年取得廣泛應(yīng)用[1]。2019 年中國(guó)民用航空局發(fā)布《中國(guó)民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖》[2]指出：“實(shí)現(xiàn)以北斗為核心的多模GNSS 作為PBN、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS-B 運(yùn)行的主要導(dǎo)航源，推動(dòng)兼容北斗的地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS 在運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)部署，提升機(jī)場(chǎng)精密進(jìn)近效率及低能見(jiàn)度運(yùn)行保障能力”。

衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用必將是民航空管系統(tǒng)的未來(lái)趨勢(shì)，全面推進(jìn)衛(wèi)星的大規(guī)模部署和在民航的應(yīng)用勢(shì)在必行。下面分別從衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、星基監(jiān)視等方面進(jìn)行剖析，總結(jié)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望，為行業(yè)發(fā)展建言獻(xiàn)策。

二、衛(wèi)星通信技術(shù)及其民航應(yīng)用

航空通信是航空部門之間利用電信設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系，以傳遞空中交通管制指令、飛行動(dòng)態(tài)和航空運(yùn)輸業(yè)務(wù)信息等的飛行保障業(yè)務(wù)，可分為航空固定通信和航空移動(dòng)通信。其中，航空移動(dòng)通信包括甚高頻、高頻和衛(wèi)星通信，為空地之間的通信鏈路[3]。衛(wèi)星通信與甚高頻和高頻通信相比，具有覆蓋范圍廣、可靠性高、通信質(zhì)量好等多方面的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)民航空地通信的重要技術(shù)手段。

1. 衛(wèi)星通信技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信是地球上（包括地面和低層大氣中）的無(wú)線電終端間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信，可承載話音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)和范圍大，只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩點(diǎn)之間都可進(jìn)行通信。

衛(wèi)星通信按照終端可分為固定衛(wèi)星通信和移動(dòng)衛(wèi)星通信，按照運(yùn)行軌道可分為靜止地球軌道GEO和中低軌MEO、LEO，按照工作的頻段主要有C、L、Ku、Ka 頻段等，按照帶寬可分為窄帶和寬帶。下面主要結(jié)合航空衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)簡(jiǎn)要概括幾個(gè)常見(jiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

銥星（Iridum）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，使用L 頻段，2001 年開始服務(wù)，2019 年完成銥星二代星座部署。銥星由66 個(gè)低軌道衛(wèi)星組成星座，可覆蓋包括極地的全球區(qū)域，采用星間鏈路。目前可提供352kbit/s 的Iridium Certus 350 服務(wù)、702kbit/s Iridium Certus 700服務(wù)等，可用于民航地空話音和數(shù)據(jù)雙向通信。

海事（Inmarsat）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，使用C 頻段（語(yǔ)音）、L 頻段（數(shù)據(jù)）、Ka 頻段（寬帶數(shù)據(jù)），1990 年開始提供航空通信服務(wù)，2020 年完成海事五代部署。海事衛(wèi)星由位于GEO 的三個(gè)衛(wèi)星組成，可覆蓋全球南、北緯78°之間的區(qū)域。目前可提供10.5kbit/s Classic Aero 業(yè)務(wù)、432kbit/s的SwiftBroadBand（SBB）和上行150Mbit/s、下行5Mbit/s Global Xpress 服務(wù)，可用于民航地空話音和數(shù)據(jù)雙向通信、寬帶上網(wǎng)等。

民航C 頻段衛(wèi)星通信網(wǎng)，1995 年開始建設(shè)，使用鑫諾1 號(hào)通信衛(wèi)星，采用甚小口徑終端VSAT，主要包括電話地球站TES 和個(gè)人地球站PES 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前，C 波段衛(wèi)星通信網(wǎng)地球站161 座，帶寬共36MHz，覆蓋全國(guó)所有民航機(jī)場(chǎng)和部分導(dǎo)航臺(tái)，主要承擔(dān)管制移交電話、幀中繼、自動(dòng)轉(zhuǎn)報(bào)、雷達(dá)信息聯(lián)網(wǎng)等地面航空電信業(yè)務(wù)。

Ku 頻段衛(wèi)星通信網(wǎng)，2005 年開始建設(shè)，使用亞洲4 號(hào)衛(wèi)星，采用VSAT Plus II 系統(tǒng)，與C 頻段衛(wèi)星網(wǎng)互補(bǔ)。目前，Ku 頻段衛(wèi)星通信網(wǎng)地球站220座，主要承擔(dān)話音通信、雷達(dá)信息引接、甚高頻遙控等地面航空電信業(yè)務(wù)。

近年來(lái)，隨著寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的商業(yè)化運(yùn)行，用于后艙的空中互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)逐漸發(fā)展起來(lái)[4]。這些衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作在Ku、Ka 頻段，帶寬大，主要有：美國(guó)Viasat、加拿大Telesat、英國(guó)海事Inmarsat 五代、法國(guó)Eutelsat、中國(guó)中星16 號(hào)。

作為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，部分學(xué)者還提出了綜合化空地衛(wèi)星6G 網(wǎng)絡(luò)ISTN 概念[5-7]，由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、機(jī)載網(wǎng)絡(luò)（飛機(jī)、無(wú)人機(jī)UAV 和高空平臺(tái)HAPS）和地面網(wǎng)絡(luò)組成，以提供更可靠、更高速、成本更低的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

此外，中國(guó)建設(shè)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）具備短報(bào)文RDSS 雙向通信、搜救功能，是世界上唯一實(shí)現(xiàn)了通導(dǎo)遙一體化的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[8]。北斗三號(hào)的單次短報(bào)文最大長(zhǎng)度為14000比特（1000個(gè)漢字），可覆蓋除極地外的全球區(qū)域[9]。北斗三號(hào)系統(tǒng)的6 顆MEO 衛(wèi)星上，還裝有搜救載荷，可以與其他全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)一起，為全球用戶提供搜救服務(wù)。

2. 衛(wèi)星通信民航應(yīng)用

衛(wèi)星通信在航空通信應(yīng)用中主要?jiǎng)澐譃轳{駛艙（前艙）和客艙（后艙）。前艙通信需要高度完整性和快速響應(yīng)的安全和正常通信。后艙通信是為航空承運(yùn)人的通信服務(wù)，以及航空旅客公眾通信服務(wù)。

為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋地區(qū)及低密度空域空地通信設(shè)施匱乏的問(wèn)題，20 世紀(jì)60 年代起，民用航空界開始探索衛(wèi)星通信技術(shù)在民航的應(yīng)用。1988 年，ICAO 成立了航空移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)專家組，編制衛(wèi)星通信在航空領(lǐng)域應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和建議措施。2005 年，ICAO對(duì)國(guó)際民航公約附件十進(jìn)行修訂，引入了衛(wèi)星航空移動(dòng)（航路）業(yè)務(wù)的一般標(biāo)準(zhǔn)和建議措施。2010 年，ICAO 發(fā)布了衛(wèi)星移動(dòng)（航路）業(yè)務(wù)手冊(cè)[10]，明確了海事衛(wèi)星和銥星用于空中交通管制通信。

現(xiàn)階段，民航空地衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)主要依 賴Inmarsat 和Iridum 系 統(tǒng)， 其 中 海 事 衛(wèi) 星SwiftBroadband（SBB）網(wǎng)絡(luò)在民用航空領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。如圖1 所示，為SBB 網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字空中交通管制中的應(yīng)用示意圖。SBB 在民用航空典型應(yīng)用包括：前艙通信服務(wù)，包括話音通信、飛機(jī)通信與尋址系統(tǒng)（ACARS）空地雙向報(bào)文傳輸；電子飛行包；后艙通信服務(wù)，旅客因特網(wǎng)訪問(wèn)，包括Email、網(wǎng)頁(yè)瀏覽和娛樂(lè)等；航空器位置跟蹤。

圖1 SBB 在民航通信中的應(yīng)用

目前，全球共有70 多家航空公司提供了機(jī)載網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，全球民航客機(jī)機(jī)上聯(lián)網(wǎng)比例達(dá)40%，北美地區(qū)83%的飛機(jī)已實(shí)現(xiàn)機(jī)上聯(lián)網(wǎng)，其他地區(qū)機(jī)上聯(lián)網(wǎng)比例也超過(guò)28%。中國(guó)民航客機(jī)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)接入業(yè)務(wù)起步較晚，目前尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。2013 年7 月，國(guó)內(nèi)航司借助海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)接入。2014 年7 月，中國(guó)電信首次提供了基于Ku 頻段衛(wèi)星的航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。2020年7 月，基于我國(guó)首顆Ka 高通量衛(wèi)星中星16 號(hào)的第一架高速衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)飛機(jī)成功首飛。2022 年，民航局發(fā)布《關(guān)于開展前后艙系統(tǒng)應(yīng)用（國(guó)產(chǎn)航行新技術(shù)）試點(diǎn)的通知》，計(jì)劃于2023 年12 月底，完成20 架飛機(jī)的改裝運(yùn)行，場(chǎng)景包括ACARS 數(shù)據(jù)多鏈路下傳、快速存取記錄器（QAR）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳、4 分鐘語(yǔ)音通信等。

三、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)及其民航應(yīng)用

導(dǎo)航系統(tǒng)為飛機(jī)提供當(dāng)前位置信息，指引飛機(jī)從起飛地按照航路到達(dá)目的地，目前可為飛機(jī)提供導(dǎo)航的設(shè)備分為陸基和星基導(dǎo)航系統(tǒng)[11]。其中陸基系統(tǒng)依賴于地面設(shè)備，主要包括多普勒全向信標(biāo)、測(cè)距機(jī)、儀表著陸系統(tǒng)等，飛機(jī)需按照地面導(dǎo)航設(shè)備組成的航路飛行，活動(dòng)區(qū)域大大受限。

1. 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航、定位和授時(shí)的技術(shù)，其所依賴的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種星基無(wú)線電導(dǎo)航定位和時(shí)間傳遞系統(tǒng)，由多個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星、地面站和衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備組成。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)不依賴于地面設(shè)施，覆蓋范圍廣，精度高。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）分為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和各種衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)三大類，其中衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)又可分為星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）和地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）兩類。SBAS 和GBAS 作為獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，可以支持其覆蓋范圍內(nèi)的進(jìn)近、著陸、離場(chǎng)和地面滑行的所有階段，滿足民用航空的安全和可用性要求。GBAS是當(dāng)前在精密進(jìn)近的主要研究方向之一，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司研制了基于美國(guó)GPS 的GBAS 系統(tǒng)樣機(jī)，并于2014 年在天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)安裝[12]。

2018 年，中國(guó)自主研發(fā)建設(shè)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗三號(hào)開始向全球提供服務(wù)[13]，其中星基增強(qiáng)BDSBAS 和星基精密單點(diǎn)定位B2b-PPP 服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)米級(jí)、分米級(jí)和厘米級(jí)精度的定位，甚至通過(guò)地基差分定位獲得毫米級(jí)精度的定位。2020年11 月，ICAO 導(dǎo)航系統(tǒng)專家組第六次全體會(huì)議上，北斗三號(hào)系統(tǒng)189 項(xiàng)性能指標(biāo)技術(shù)驗(yàn)證全部通過(guò)，為全球民航提供服務(wù)的能力得到國(guó)際認(rèn)可。

當(dāng)前，世界其他國(guó)家也正著手開展新一代系統(tǒng)建設(shè)。美國(guó)2023 年計(jì)劃發(fā)射NTS-3 衛(wèi)星，開展導(dǎo)航新技術(shù)的在軌試驗(yàn)；俄羅斯計(jì)劃2030 年建成以GLONASS-KM 為主體的衛(wèi)星星座；歐盟計(jì)劃2025—2035 年完成第2 代Galileo 系統(tǒng)部署；中國(guó)也正在積極論證下一代北斗系統(tǒng)，計(jì)劃2035 年前構(gòu)建以北斗系統(tǒng)為核心、全面融合低軌衛(wèi)星增強(qiáng)與地基無(wú)線電，實(shí)現(xiàn)更加泛在、更具彈性、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)PNT 體系。

2. 衛(wèi)星導(dǎo)航民航應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民航存在廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，可覆蓋全部飛行階段，包括導(dǎo)航、監(jiān)視、授時(shí)、應(yīng)急救援和飛行校驗(yàn)。

為了實(shí)現(xiàn)前言所述空管系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展規(guī)劃，ICAO 和中國(guó)民航局近年來(lái)積極推進(jìn)以所需導(dǎo)航性能RNP 為主的基于性能的導(dǎo)航PBN，以增強(qiáng)未來(lái)空管基于航跡TBO/4DT 的運(yùn)行與管理能力。RNP 技術(shù)是利用飛機(jī)自身搭載的導(dǎo)航設(shè)備和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程進(jìn)行合理的引導(dǎo)，使飛機(jī)在飛行過(guò)程中可以按照既定飛行路線精準(zhǔn)飛行。RNP 規(guī)定了各航路或空域內(nèi)航空器必須具備的導(dǎo)航精度，以匹配相應(yīng)空域能力，使空域得到有效利用。RNP 的應(yīng)用擺脫了對(duì)地基導(dǎo)航設(shè)施的依賴。

PBN 的內(nèi)涵是指在相應(yīng)的導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施條件下，航空器在指定的空域內(nèi)或者沿航路、儀表飛行程序飛行時(shí)，對(duì)系統(tǒng)完好性、連續(xù)性、精度和可用性以及功能等方面提出的要求。PBN 的引入體現(xiàn)了航行方式從基于傳感器導(dǎo)航到基于性能導(dǎo)航的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前民用飛機(jī)實(shí)施RNP 運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是最重要的導(dǎo)航傳感器，ICAO 對(duì)各空域階段的精度、完好性、連續(xù)性及可用性給出了實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

表1 民用航空對(duì)GNSS 的導(dǎo)航性能要求

衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GLS）是一種基于GBAS 導(dǎo)航性能增強(qiáng)的衛(wèi)星著陸系統(tǒng)，包括實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)近和著陸的GBAS 系統(tǒng)，以及與之相關(guān)的航空器功能[14]，已被國(guó)際民航組織、美國(guó)聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局作為未來(lái)精密進(jìn)近和著陸導(dǎo)航的主要發(fā)展方向。PBN 技術(shù)可實(shí)施儀表離場(chǎng)、進(jìn)場(chǎng)、類精密進(jìn)近APV，但無(wú)法實(shí)施精密進(jìn)近。使用GLS 技術(shù)后，可進(jìn)一步彌補(bǔ)PBN 在精密進(jìn)近及低能見(jiàn)度運(yùn)行方面的不足，具有廣闊的應(yīng)用前景。

盡管GNSS導(dǎo)航精度可以通過(guò)增強(qiáng)系統(tǒng)（ABAS、SBAS、GBAS）和差分系統(tǒng)進(jìn)一步提高到接近技術(shù)極限的程度，但GNSS 的一些不足使很多用戶對(duì)GNSS 所提供服務(wù)的信任程度大大降低，GNSS 完好性問(wèn)題關(guān)系著萬(wàn)千旅客的生命安全。因此，GNSS完好性一直是民航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)和學(xué)者關(guān)注并致力于GNSS 完好性研究，圖2示意的是GNSS 完好性增強(qiáng)體系。當(dāng)前GNSS 民航應(yīng)用的主要任務(wù)是，在GNSS 自身能力不足夠的應(yīng)用場(chǎng)景下尋求多源組合導(dǎo)航處理，著眼于GNSS 服務(wù)性能的全面提升，徹底解決完好性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)GNSS 作為主用導(dǎo)航的角色嬗變。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航完好性增強(qiáng)體系

四、星基監(jiān)視技術(shù)及其民航應(yīng)用

監(jiān)視為空管運(yùn)行單位及其他相關(guān)單位和部門提供目標(biāo)（包括空中航空器及機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面目標(biāo)）的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息[15]。目前應(yīng)用于空中交通管理的監(jiān)視技術(shù)主要有一次監(jiān)視雷達(dá)（PSR）、場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)（SMR）、二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）、自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS）、多點(diǎn)定位（MLAT）等。這些技術(shù)依賴于地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，覆蓋范圍受限，尤其是在低空、洋區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)等無(wú)法有效提供服務(wù)。

1. 衛(wèi)星監(jiān)視技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

與PSR、SSR 不同，自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS 是飛機(jī)將自身的位置等信息通過(guò)通信手段發(fā)送給用戶，其中使用最廣泛的是廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）。ADS-B 是航空器、機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)車輛和其他物體通過(guò)數(shù)據(jù)鏈以廣播模式自動(dòng)發(fā)出或者接收諸如標(biāo)識(shí)、位置和其他應(yīng)用數(shù)據(jù)的一種監(jiān)視技術(shù)。目前美國(guó)、歐洲、澳大利亞、中國(guó)等已經(jīng)開始了ADS-B 的全面實(shí)施。目前的PSR、SSR、ADS-B 等監(jiān)視設(shè)備部署在地面，據(jù)估計(jì)覆蓋的范圍不到地球面積的10%[16]。

星基ADS-B（Spaced-ADS-B，Satellite ADS-B）是將ADS-B 接收機(jī)作為衛(wèi)星載荷，以衛(wèi)星星座方式實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)ADS-B 信號(hào)全球覆蓋接收的技術(shù)方案，如圖3 所示。星基ADS-B 技術(shù)理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球上100%區(qū)域的監(jiān)視覆蓋。

圖3 星基ADS-B 概念示意圖

2014 年11 月，ICAO 得到多方建議，在低軌衛(wèi)星上安裝ADS-B 接收機(jī)，通過(guò)覆蓋全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將航班4D 位置信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面追蹤系統(tǒng)，并提議ITU 和ICAO 在1090MHz 頻段為星基ADS-B 系統(tǒng)新增衛(wèi)星航空移動(dòng)（航路）業(yè)務(wù)頻率劃分。2015 年，ITU WRC-15 決定以衛(wèi)星航空移動(dòng)（航路）業(yè)務(wù)進(jìn)行頻率劃分，將1087.7—1092.3MHz 用于衛(wèi)星空間電臺(tái)接收從航空器發(fā)射機(jī)發(fā)出的ADS-B信號(hào)。

2011 年以來(lái)，歐洲、美國(guó)、亞洲等均開展了對(duì)星基ADS-B 技術(shù)研究和試驗(yàn)工作。較為成熟的有基于“銥星二代”Aireon 和“全球星二代”ALAS。其中，Aireon 是世界上唯一投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的星基ADS-B[17]。2019 年3 月，Aireon 星 基ADS-B 系 統(tǒng)完成部署。據(jù)其網(wǎng)站公布，目前已經(jīng)與非洲航空安全局、Eurocontrol、美國(guó)聯(lián)邦航空局、愛(ài)爾蘭空管、冰島空管、挪威航空管理局、加拿大空管、印度機(jī)場(chǎng)管理局、巴布亞新幾內(nèi)亞、阿塞拜疆、波音、睿思譽(yù)Cirium 等簽署了合作協(xié)議，提供空管監(jiān)視、航空器位置追蹤、測(cè)試評(píng)估驗(yàn)證等數(shù)據(jù)服務(wù)。

國(guó)內(nèi)星基ADS-B 的研究和試驗(yàn)工作一直在持續(xù)開展，2015 年至今國(guó)內(nèi)相繼發(fā)射了8 顆星基ADS-B 試驗(yàn)衛(wèi)星。其中，國(guó)防科技大學(xué)首先在天拓三號(hào)和天拓五號(hào)上搭載ADS-B 接收機(jī)進(jìn)行在軌測(cè)試；軍事科學(xué)院軍科1 號(hào)低軌衛(wèi)星，搭載ADS-B接收機(jī)開展搜索救援應(yīng)用試驗(yàn)；上?？萍即髮W(xué)STU-2 ADS-B 立方星，進(jìn)行星間和星地?cái)?shù)據(jù)處理技術(shù)測(cè)試；北京和德宇航有限公司“天行者衛(wèi)星”開展ADS-B 數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)；北京航空航天大學(xué)空事衛(wèi)星一號(hào)，搭載相控陣天線體制的ADS-B 接收機(jī)，開展高靈敏度、數(shù)字多波束合成等技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證?；诒倍稲DSS 的航空器追蹤系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 基于北斗RDSS 的航空器追蹤系統(tǒng)

除ICAO 定義的應(yīng)用于空中交通管理的監(jiān)視技術(shù)外，近年來(lái)還涌現(xiàn)了其他一些監(jiān)視技術(shù)，包括衛(wèi)星定位+北斗短報(bào)文（GNSS+RDSS）、衛(wèi)星定位+移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（GNSS+4G/5G）和遙控?zé)o人駕駛航空器通信鏈路位置信息自動(dòng)廣播監(jiān)視。中國(guó)民航于2018 年開始，在國(guó)際航空公司的20 架飛機(jī)上加改裝了基于RDSS 的全球航班追蹤系統(tǒng)，地面數(shù)據(jù)中心部署在中國(guó)民航大學(xué)，給國(guó)航和民航局運(yùn)行監(jiān)控中心提供數(shù)據(jù)服務(wù)[18]。

2. 星基監(jiān)視民航應(yīng)用

以投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的Aireon 星基ADS-B 系統(tǒng)為例，可提供服務(wù)包括[17]：Global ATS Surveillance，提供全球空中交通監(jiān)視服務(wù)；Aireon STREAM，提供高保真度空中交通服務(wù)監(jiān)視數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)；Aireon INSIGHTS，提供關(guān)于航班運(yùn)行事件與航班告警的數(shù)據(jù)流服務(wù)；Aireon FLOW，面向空中航行服務(wù)提供商ANSP 提供的數(shù)據(jù)服務(wù)；GLOBAL BEACON，是Aireon 與FlightAware 共同提供的為航空運(yùn)營(yíng)人監(jiān)控其飛機(jī)飛行狀態(tài)的完整解決方案；Aireon ALERT，是航空業(yè)界第一個(gè)也是唯一一個(gè)免費(fèi)的航空器全球緊急定位服務(wù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

商業(yè)航空航天技術(shù)的蓬勃發(fā)展將帶動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)在各行各業(yè)的深入應(yīng)用，但衛(wèi)星技術(shù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾。民航高安全、高可靠應(yīng)用性能要求亦是對(duì)衛(wèi)星技術(shù)民航應(yīng)用走向成熟的關(guān)鍵難題，需要衛(wèi)星和民航產(chǎn)業(yè)鏈上的各方攜手，共同突破，加快民航數(shù)字化建設(shè)。

衛(wèi)星通信方面，目前的衛(wèi)星通信帶寬有限，離空地信息“高速路”的目標(biāo)仍然較遠(yuǎn)；數(shù)據(jù)安全是另外需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，需開展持續(xù)的研究、技術(shù)驗(yàn)證和制定相關(guān)的管理機(jī)制，確保數(shù)據(jù)安全，防范相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)；衛(wèi)星通信頻率的問(wèn)題，Ka/Ku 頻率不是民航專用頻率，需在驗(yàn)證時(shí)重點(diǎn)關(guān)注和解決信息的連續(xù)傳輸和整體完好性問(wèn)題。

衛(wèi)星導(dǎo)航方面，目前民用飛機(jī)搭載衛(wèi)星接收機(jī)主要以GPS 單星座為主。單星座導(dǎo)航系統(tǒng)有可能因?yàn)楣收蠁?wèn)題或者人為限制精度而無(wú)法提供滿足需求的位置服務(wù)，同時(shí)由于星座構(gòu)造及配套地基增強(qiáng)系統(tǒng)布局問(wèn)題，衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)在不同空域存在相應(yīng)限制。多星座導(dǎo)航系統(tǒng)可大大降低星座層面的故障概率，并通過(guò)改善星座構(gòu)型和增加觀測(cè)冗余度提高定位精度。另外，出于國(guó)家主權(quán)和國(guó)家安全考慮，中國(guó)民航不能完全依靠廣泛應(yīng)用的GPS 或其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，而必須是以BDS 為基礎(chǔ)、兼容GPS 等其他GNSS 的綜合性系統(tǒng)。

星基監(jiān)視方面，對(duì)其性能的驗(yàn)證以及相關(guān)運(yùn)行保障機(jī)制遠(yuǎn)未成熟，未來(lái)還需要民航各利益方協(xié)作推動(dòng)。對(duì)于基于北斗RDSS 的監(jiān)視技術(shù)，目前已經(jīng)在中國(guó)通航飛機(jī)和商業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)上取得應(yīng)用，是自主可控的監(jiān)視技術(shù)手段。但是，技術(shù)的成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈等各方面還未完全達(dá)到商業(yè)運(yùn)營(yíng)的階段。