獨立式北斗機載導(dǎo)航天線適航要求及關(guān)鍵指標(biāo)分析

摘 "要： 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用已進(jìn)入“機載導(dǎo)航應(yīng)用”階段，與“僅用作定位追蹤”階段相比，此階段對機載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的要求更為嚴(yán)格。然而，在獨立式北斗機載導(dǎo)航天線方面，目前國內(nèi)僅有“僅用作定位追蹤”的標(biāo)準(zhǔn)（CTSO?2C604a）可供參考，無法滿足“機載導(dǎo)航應(yīng)用”階段對天線的適航要求，同時由于目前應(yīng)用廣泛的GPS信號與北斗信號體制不同，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也無法完全符合獨立式北斗機載導(dǎo)航天線要求。為此，文中針對機載導(dǎo)航天線的技術(shù)特點，對當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了綜合分析，并考慮了適用性、安全性、當(dāng)前緊迫需求以及未來發(fā)展方向，研究了獨立式北斗機載導(dǎo)航天線的關(guān)鍵指標(biāo)，并提出了相應(yīng)的修訂方案。通過研究建立了一套機載導(dǎo)航天線的指標(biāo)要求和標(biāo)準(zhǔn)體系，旨在為獨立式北斗機載導(dǎo)航天線設(shè)計提供必要的工業(yè)支持。

關(guān)鍵詞： 獨立式導(dǎo)航； 機載導(dǎo)航天線； 北斗導(dǎo)航； 天線增益； B1C信號； [GT]值

中圖分類號： TN967?34 " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）15?0019?07

Airworthiness requirements and key indicator analysis of independent

BeiDou airborne navigation antenna

DUAN Zhaobin1， 2， ZHOU Hang3， YANG Lelin4， MA Zhenyang1， 2

（1. Key Lab of Civil Aircraft Airworthiness Technology， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China;

2. Institute of Technology and Innovation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China;

3. College of Safety Science and Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China;

4. CETC Avionics Company Limited， Chengdu 610096， China）

Abstract： The application of BeiDou satellite navigation system in civil aviation has entered the stage of ″airborne navigation application″， which imposes stricter requirements on the airborne satellite navigation system in comparison with the stage of ″positioning and tracking only″. However， in the field of independent BeiDou airborne navigation antennas， there is only the standard CTSO?2C604a available for reference currently， and it is designed for ″positioning and tracking only″ and fails to meet the airworthiness requirements for the stage of ″airborne navigation application″. Additionally， due to the different signal systems between the widely used GPS and BeiDou， the existing related standards fail to fully comply with the requirements for BeiDou airborne navigation antennas. To address this issue， this paper focuses on the technical characteristics of airborne navigation antennas. A comprehensive analysis of current domestic and international standards is conducted， considering factors such as applicability， safety， urgent needs and directions of the future development. The key indicators for independent BeiDou airborne navigation antennas are investigated and corresponding revision schemes are proposed. On the basis of the research， a set of performance requirements and standard systems for airborne navigation antennas are established， which aims to provide necessary industrial support for the design of independent BeiDou airborne navigation antennas.

Keywords： independent navigation; airborne navigation antenna; BeiDou navigation; antenna gain; B1C signal; [GT] value

0 "引 "言

2023年3月24日，中國民航局正式頒布了《獨立式北斗機載導(dǎo)航有源雙頻天線（B1C和B2a頻段）》（CTSO?2C608）等4份標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System， BDS）的民航應(yīng)用正式進(jìn)入了“機載導(dǎo)航應(yīng)用”階段[1?4]。在2022年3月頒布的《僅用作航空器追蹤的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）機載設(shè)備》（CTSO?2C604a）基礎(chǔ)上，國內(nèi)已有多家供應(yīng)商取得了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項目批準(zhǔn)書，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民航應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗，為北斗的“機載導(dǎo)航應(yīng)用”奠定了基礎(chǔ)[5?6]。同時，在2023年11月，北斗B1C和B2a頻段已正式寫入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)和建議措施（ICAO Standards and Recommended Practices， SARPs），有效推動了北斗系統(tǒng)的全球化戰(zhàn)略，提高了我國在國際民航領(lǐng)域中的影響力和話語權(quán)[7]。

在“機載導(dǎo)航應(yīng)用”階段，對北斗機載導(dǎo)航系統(tǒng)天線的要求比“僅用作定位追蹤”更高，然而目前在獨立式北斗機載導(dǎo)航天線方面，國外標(biāo)準(zhǔn)不能完全符合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號特征[8]，而國內(nèi)僅有CTSO?2C604a可以參考，不能滿足民航飛機各類運行場景下的安全需求[8?9]。針對以上問題，本文通過對北斗機載導(dǎo)航天線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分析，研究獨立式北斗機載導(dǎo)航天線的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。通過分析和計算解決天線標(biāo)準(zhǔn)體系和適航符合性方法，為形成更加完善的北斗機載設(shè)備和天線標(biāo)準(zhǔn)體系奠定基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民航應(yīng)用。

獨立式北斗機載導(dǎo)航天線是在依據(jù)CCAR?23、CCAR?25、CCAR?27、CCAR?29和CCAR?31審定的航空器上用于接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號，并為航空器運行的航路階段使用的獨立式北斗機載導(dǎo)航設(shè)備提供信號的天線。參考全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）天線，根據(jù)接收信號頻率的不同，分為單頻和雙頻天線；根據(jù)天線的設(shè)計形式分為無源天線和有源天線。與“僅用作定位追蹤”需求不同，獨立式北斗機載導(dǎo)航天線所接收到的導(dǎo)航信息經(jīng)由設(shè)備解算后，會在駕駛艙中向飛行員進(jìn)行顯示，從而影響飛行安全，對天線性能指標(biāo)的約束更為詳細(xì)和嚴(yán)格。具體表現(xiàn)在動態(tài)導(dǎo)航信號接收能力、高精度運行場景、抗干擾能力、面向未來的雙頻多星座（Dual?frequency Multi?constellation， DFMC）運行場景等方面。

本文針對“獨立式北斗機載導(dǎo)航”應(yīng)用場景，通過分析和驗證獨立式北斗機載導(dǎo)航天線的指標(biāo)約束，結(jié)合當(dāng)下的迫切需求，在梳理和分析國內(nèi)外機載衛(wèi)星導(dǎo)航天線關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上[10?17]，充分考慮BDS系統(tǒng)與GPS等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號體制的差異，結(jié)合安全和運行場景需求以及未來機載導(dǎo)航天線的發(fā)展和應(yīng)用需求，提出了獨立式北斗機載導(dǎo)航天線標(biāo)準(zhǔn)體系，可以支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的機載應(yīng)用，為航空運行安全和效率做出貢獻(xiàn)。

1 "獨立式北斗機載衛(wèi)星導(dǎo)航天線標(biāo)準(zhǔn)制定方案

針對北斗機載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的使用需求，為獨立式北斗機載衛(wèi)星導(dǎo)航天線制定以下三個標(biāo)準(zhǔn)。

1） CTSO?2C606：無源單頻天線標(biāo)準(zhǔn)。主要參考RTCA（Radio Technical Commission for Aeronautics，航空無線電技術(shù)委員會）DO?228標(biāo)準(zhǔn)[18]。無源單頻天線應(yīng)滿足DO?228《機載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）天線最低性能標(biāo)準(zhǔn)》及DO?228 Change1第2章要求（不包含2.2.2、2.3和2.4.2.3）以及CTSO?2C606附錄[2]中的修改。

2） CTSO?2C607：有源單頻天線標(biāo)準(zhǔn)。主要參考RTCA/DO?301標(biāo)準(zhǔn)[19]。有源單頻天線應(yīng)滿足DO?301《機載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）L1頻段有源天線最低性能標(biāo)準(zhǔn)》第2章中要求（不包含2.3節(jié)）以及CTSO?2C607附錄[3]中的修改。

3） CTSO?2C608：有源雙頻天線標(biāo)準(zhǔn)。主要參考RTCA/DO?373標(biāo)準(zhǔn)[20]。有源雙頻天線應(yīng)滿足DO?373《機載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）L1/E1和L5/E5頻段有源天線最低性能標(biāo)準(zhǔn)》第2章中要求以及CTSO?2C608附錄[4]中的修改。

目前，F(xiàn)AA（Federal Aviation Administration，美國聯(lián)邦航空管理局）已基于DO?228和DO?301分別發(fā)布了TSO?C190和TSO?C144a，相關(guān)產(chǎn)品已實現(xiàn)裝機，DO?373雖未發(fā)布TSO文件，但I(xiàn)CAO附件10雙頻天線部分主要參考了DO?373標(biāo)準(zhǔn)。這充分說明了RTCA系列標(biāo)準(zhǔn)的有效性，可以為北斗民航標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

2 "關(guān)鍵指標(biāo)分析與計算

2.1 "天線增益

在機載導(dǎo)航應(yīng)用場景中，主要考慮到天線增益應(yīng)與RTCA系列標(biāo)準(zhǔn)和ICAO SARPS保持一致，對此項指標(biāo)沒有進(jìn)行修改，主要原因如下。

1） 天線5°仰角的鏈路預(yù)算

天線5°仰角的增益是在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，對該指標(biāo)的詳細(xì)討論需要開展鏈路預(yù)算。根據(jù)文獻(xiàn)[21?22]，B1C落地信號最小功率為-159 dBW（-129 dBm），源自中軌道（Middle Earth Orbit， MEO）衛(wèi)星，以及-161 dBW（-131 dBm），源自傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit， IGSO）衛(wèi)星[23]，由于IGSO衛(wèi)星數(shù)量少，且僅覆蓋中國部分區(qū)域，而北斗全球信號的覆蓋僅需MEO衛(wèi)星就可完成，因此在考慮全球定位的場景下只討論MEO全球覆蓋的情況。

天線5°仰角的增益要求為-5.5 dBic，其他損耗按1.5 dB計算，則到達(dá)接收機的信號功率為：

-129-5.5-1.5=-136 dBm，這也是對捕獲靈敏度的最低要求。目前市場在售北斗定位芯片的捕獲靈敏度功率都小于-139 dBm，跟蹤靈敏度功率都小于-141 dBm，因此這個指標(biāo)也是合理的，并且可以為其他不可預(yù)見的損耗提供至少3 dB的余量。

2） 天線低工作仰角要求分析

當(dāng)航空器發(fā)生姿態(tài)變化時，與導(dǎo)航衛(wèi)星的相對角度會變小，因此在導(dǎo)航應(yīng)用場景下，需要對低工作仰角（0°～5°）時的天線最小增益加以限制。但是由于低仰角衛(wèi)星信號容易引入誤差，在使用其偽距信息時必須結(jié)合其他信息綜合考慮。

首先，低仰角衛(wèi)星的偽距信號對定位結(jié)果有一定貢獻(xiàn)。根據(jù)AC20?138a，GPS設(shè)備可以使用5°仰角以下的衛(wèi)星進(jìn)行距離計算和誤差預(yù)測，但需要先對誤差模型進(jìn)行驗證[24?25]。可見，低仰角衛(wèi)星的偽距信號也包含了定位信息，完全舍棄對于導(dǎo)航應(yīng)用場景是不利的，取而代之的是采用調(diào)整權(quán)重的方法減少低仰角衛(wèi)星信號對測距結(jié)果的貢獻(xiàn)，同時對低仰角衛(wèi)星偽距的精度進(jìn)行持續(xù)估計，根據(jù)估計結(jié)果決定是否采納。

其次，由于容易引入地面干擾和多徑效應(yīng)帶來的誤差，低仰角衛(wèi)星的偽距信號的使用要非常謹(jǐn)慎。在標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[22]中，僅對仰角大于5°的地面接收功率電平進(jìn)行了規(guī)定，未明確保證5°仰角以下的功率電平。同時在AC20?138a中也要求在精密進(jìn)近場景和垂直引導(dǎo)進(jìn)近場景下，不能使用5°仰角以下的衛(wèi)星信號作為位置計算的輸入。

3） 指標(biāo)對比

為了進(jìn)一步驗證天線增益指標(biāo)的可行性，對典型的微帶貼片天線進(jìn)行了仿真，在B1C頻點的仿真結(jié)果如圖1所示。在仰角為0°時，增益可以達(dá)到0.37 dBic；在仰角為90°時，增益可以達(dá)到3.38 dBic。對照表1中的天線增益指標(biāo)要求，可見采用微帶貼片天線能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

在不同的天線標(biāo)準(zhǔn)中，對天線增益的約束方式不同，如表1所示。其中，DO?228以無源輻射單元的絕對增益約束天線指標(biāo)，DO?301和DO?373是以無源輻射單元絕對增益和有源天線的相對場型兩個指標(biāo)共同進(jìn)行約束。而ICAO SARPS[7]的指標(biāo)約束更為簡潔，直接以天線的絕對增益對天線指標(biāo)進(jìn)行約束。DO?301的要求和ICAO SARPS中的單頻天線增益最小值要求有一致性：5°仰角增益最小值都是-5.5 dBic，其他仰角與5°仰角增益最小值之差相同。同時，DO?301的要求實際上要比ICAO SARPS更高，DO?301給出了5°仰角的絕對增益和各個仰角的相對場型，并且還給出了各個仰角相對場型范圍，對指標(biāo)的約束更嚴(yán)謹(jǐn)。與之類似，DO?373的要求和ICAO SARPS中的雙頻天線增益最小值也有一致性，同時DO?373標(biāo)準(zhǔn)也比ICAO SARPS更高。

綜上所述，在導(dǎo)航型天線的標(biāo)準(zhǔn)中，將天線增益指標(biāo)與DO?301和ICAO SARPS保持一致，主要是為了保證天線能夠為接收機提供更充足的衛(wèi)星信號，但在衛(wèi)星信號的使用上，接收機仍然要根據(jù)使用需求進(jìn)行綜合考慮。

2.2 "B1C帶寬

在現(xiàn)行的機載GPS標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于信號的帶寬分為工作帶寬和測試帶寬。天線的駐波比及阻抗、法向群延時、極化和軸比等與工作帶寬相關(guān)，[GT]（Gain to Noise Temperature，增益與噪聲溫度之比）值、法向總增益、有源電路增益、3 dB頻率點等與測試帶寬相關(guān)。

為借鑒GPS現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)成果，在經(jīng)過分析、比較和論證后，在獨立式北斗導(dǎo)航天線標(biāo)準(zhǔn)中B1C頻點的工作帶寬設(shè)定為20.46 MHz，測試帶寬設(shè)定為15 MHz。

2.2.1 "帶寬指標(biāo)參考

導(dǎo)航信號帶寬有多重含義，在不同標(biāo)準(zhǔn)的具體值往往有一定差異，在RTCA標(biāo)準(zhǔn)中，會對接口控制文件（Interface Control Document， ICD）和ICAO標(biāo)準(zhǔn)中的帶寬進(jìn)行修改，如表2所示。

2.2.2 "工作帶寬的設(shè)定依據(jù)

首先，20.46 MHz的工作帶寬已包含B1C的兩個BOC（Binary Offset Carrier，二進(jìn)制偏移載波）信號。圖2為Galileo E1信號與B1C信號的歸一化功率譜密度圖，可以看出E1信號與B1C信號具有完全相同的功率譜。

由于B1C和E1信號采用BOC（1，1）+BOC（6，1）的調(diào)制方式，根據(jù)BOC調(diào)制頻譜特性，可計算出其主信號帶寬為2×（6.138+1.023）=14.322 MHz，帶寬大于該值，即可確保接收到完整的B1C和E1信號。同時，在DO?373中，E1信號工作帶寬設(shè)定為20.46 MHz。由于B1C與E1是兼容互操作信號，因此B1C信號的工作帶寬可以設(shè)定為20.46 MHz。

其次，為避免接收機被干擾，帶寬指標(biāo)不宜設(shè)置過大。根據(jù)國際電信同盟的頻率規(guī)劃，在B1C頻點臨近的1 610.6～1 660.5 MHz頻段是用于地空衛(wèi)星通信頻段，目前在該頻段已經(jīng)存在大量如北斗區(qū)域/全球短報文、銥星通信和海事通信等業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)的地面終端發(fā)射功率可達(dá)17 dBW，在臨近發(fā)射頻點附近其不可避免地會產(chǎn)生雜散干擾，對以B1C、E1和L1頻點作為定位頻點的定位業(yè)務(wù)產(chǎn)生了較大干擾威脅。在文獻(xiàn)[6，26]中，明確了L1和E1接收機的抗干擾性能，B1C天線應(yīng)與機載L1和E1頻點天線相似或具有更嚴(yán)格的頻率響應(yīng)特性。

綜上，根據(jù)L1和E1設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中針對帶寬的設(shè)定值來看，設(shè)備帶寬可根據(jù)應(yīng)用重新定義，無須與ICD或ICAO文件完全保持一致，同時根據(jù)L1、E1和B1C的頻譜特性、電磁環(huán)境和抗干擾特性，B1C天線的工作帶寬可以設(shè)定為20.46 MHz，與E1和L1信號保持一致。

2.2.3 "測試帶寬的設(shè)定依據(jù)

首先，15 MHz接收帶寬的相對功率損失和均方根（Root Mean Square， RMS）帶寬[27]變化很小。相比32 MHz接收帶寬，15 MHz的接收帶寬的功率損失指標(biāo)僅降低0.1 dB，RMS帶寬指標(biāo)僅降低0.5 MHz，如圖3、圖4所示。

其次，從調(diào)制技術(shù)的角度看，15 MHz接收帶寬對測距精度的影響很小。GPS L5采用了TMBOC（Time?Multiplexed BOC，時分復(fù)用BOC）調(diào)制方式，B1C信號采用了QMBOC（Quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier，二進(jìn)制偏移載波）調(diào)制方式，這兩種調(diào)制的跟蹤精度完全相同，當(dāng)接收帶寬大于12 MHz時，在匹配接收條件下，TMBOC以及QMBOC均具有最佳的跟蹤精度。文獻(xiàn)[27]對TMBOC的測距精度進(jìn)行了分析，得出14 MHz接收帶寬下，對測距精度的影響約為0.22 m，24 MHz接收帶寬下，對測距精度的影響約為0.2 m。由于TMBOC調(diào)制方式與B1C的QMBOC調(diào)制跟蹤精度相同，因此QMBOC調(diào)制方式的測距精度也為以上數(shù)值，這也說明15 MHz接收帶寬對測距精度幾乎沒有影響。

最后，根據(jù)ICAO SARPS，采用非精密進(jìn)近時定位精度要求為220 m，參考DO?316標(biāo)準(zhǔn)中機載GPS設(shè)備的定位精度要求為32 m。因此采用15 MHz的接收帶寬對B1C接收機的測距精度影響約為0.2 m，遠(yuǎn)低于設(shè)備的定位精度要求和運行定位精度要求。即使采用32.768 MHz接收帶寬，測距精度也僅僅是按厘米級增加，不會產(chǎn)生數(shù)量級的變化。

2.2.4 "小 "結(jié)

根據(jù)L1和E1設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中針對帶寬的設(shè)定值來看，設(shè)備帶寬可根據(jù)應(yīng)用重新定義，無須與ICD或ICAO文件保持完全一致，同時根據(jù)L1、E1和B1C的頻譜特性、電磁環(huán)境和抗干擾特性，以及接收信號功率損失和測距誤差的影響看，B1C天線的工作帶寬設(shè)定為20.46 MHz，測試帶寬設(shè)定為15 MHz，一方面可以充分利用L1設(shè)備的運營經(jīng)驗減少論證，另一方面可以統(tǒng)一天線的技術(shù)特性，便于接收機同時處理多種導(dǎo)航信號。

2.3 "群延時與視線角

在對獨立式北斗導(dǎo)航天線的應(yīng)用場景和機載GPS天線的指標(biāo)進(jìn)行研究后，建議在獨立式北斗機載導(dǎo)航天線標(biāo)準(zhǔn)中保留群延時與頻率的要求，刪除群延時與視線角要求，同時在標(biāo)準(zhǔn)中限制運行場景，要求只能用于航路階段的航空器運行。群延時指標(biāo)包括兩部分：一部分是群延時與頻率指標(biāo)，這部分要求在北斗標(biāo)準(zhǔn)中不進(jìn)行修改，不再討論；另一部分是群延時與視線角指標(biāo)，主要針對該項指標(biāo)進(jìn)行討論。

2.3.1 "指標(biāo)來源

群延時與視線角指標(biāo)在DO?301標(biāo)準(zhǔn)的第2.2.11.2章節(jié)Group Delay Versus Aspect Angle中首次被引入，并在DO?373標(biāo)準(zhǔn)中第2.2.11.2章節(jié)Differential Group Delay versus Angle （DGA）對該指標(biāo)進(jìn)行了修訂。

根據(jù)天線差分群延時與視線角指標(biāo)的定義，DO?301中的差分群延時取值范圍是2.5～0.65 ns，DO?373中該指標(biāo)為1.5～0.65 ns。

2.3.2 "指標(biāo)影響

從群延時與視線角指標(biāo)的定義可以看出，該指標(biāo)測試的是天線對不同方向來波信號的延時，這一延時導(dǎo)致偽距測量結(jié)果增大，DO?301和DO?373中群延時與視線角指標(biāo)對偽距測量誤差的影響如圖5所示，群延時波動對偽距測量誤差的影響最大不超過0.75 m。

2.3.3 "刪除群延時與視線角指標(biāo)的依據(jù)

首先，該指標(biāo)不適用于航路應(yīng)用場景。根據(jù)文獻(xiàn)[25]，群延時與視線角指標(biāo)是為精密進(jìn)近應(yīng)用場景而制定，并且該指標(biāo)并非是根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場景要求而設(shè)計的指標(biāo)，而是根據(jù)DO?228天線測試數(shù)據(jù)總結(jié)后提出的要求。獨立式北斗導(dǎo)航天線不應(yīng)用于精密進(jìn)近場景，其對定位精度的要求低，因此可不對該項指標(biāo)進(jìn)行測試。

其次，刪除該指標(biāo)不會對機載導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。按照北斗適航標(biāo)準(zhǔn)制定規(guī)劃，標(biāo)準(zhǔn)適用于獨立式機載導(dǎo)航應(yīng)用階段，僅適用于航路應(yīng)用場景。自1992年發(fā)布第一份機載GPS設(shè)備技術(shù)規(guī)范TSO?C129《機載GPS輔助導(dǎo)航設(shè)備》（引用DO?208）中并未對GPS天線作明確的指標(biāo)要求，更未對GPS天線的群延時與視線角指標(biāo)進(jìn)行要求。在1998年發(fā)布的TSO?C144《機載GPS天線》技術(shù)規(guī)范（引用DO?228）中亦未對群延時與視線角指標(biāo)進(jìn)行要求，即使在2007年發(fā)布TSO?C190《有源機載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）天線》技術(shù)規(guī)范后（引用DO?301），亦并未禁止使用TSO?C144天線和TSO?C129設(shè)備，截至目前，這類設(shè)備并未出現(xiàn)因未測試該指標(biāo)而導(dǎo)致定位精度不足從而影響飛行安全的案例，因此刪除該指標(biāo)不會對機載導(dǎo)航應(yīng)用造成負(fù)面影響。

由于天線群延時波動與接收信號相位相關(guān)，在保證天線增益的情況下，群延時波動值變化不會太大。因此，即使刪除群延時與視線角指標(biāo)，由于標(biāo)準(zhǔn)已對相對增益有要求，群延時與視線角指標(biāo)不會發(fā)生太大的惡化。

再次，刪除該指標(biāo)不影響標(biāo)準(zhǔn)的前瞻性。按照北斗適航標(biāo)準(zhǔn)制定規(guī)劃，本階段和下一階段都為機載導(dǎo)航應(yīng)用，因此標(biāo)準(zhǔn)所涉及的天線同樣適用于下一階段的機載導(dǎo)航應(yīng)用。同時，在GPS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系中，還有被行業(yè)廣泛認(rèn)可的ARINC?743標(biāo)準(zhǔn)[28]。該標(biāo)準(zhǔn)是對RTCA標(biāo)準(zhǔn)的有效補充，規(guī)定了GPS天線的外形和安裝尺寸以確保不同廠商和標(biāo)準(zhǔn)的機載GPS天線可以相互替換。獨立式北斗導(dǎo)航天線作為北斗機載應(yīng)用過渡階段的設(shè)備，也應(yīng)參照ARINC?743標(biāo)準(zhǔn)，在未來主導(dǎo)航應(yīng)用時，該設(shè)備可被原位替換，不會導(dǎo)致額外的安裝空間需求，因此標(biāo)準(zhǔn)所涉及的天線適用于未來的導(dǎo)航應(yīng)用。

最后，刪除該指標(biāo)可降低研制和測試代價，加速北斗的機載應(yīng)用。群延時與視線角指標(biāo)是依據(jù)天線在實驗室的測試數(shù)據(jù)經(jīng)總結(jié)后提出的，測量方法是通過對總傳輸相位的測量間接求解出群延時指標(biāo)。由于采用了間接方法進(jìn)行測量，測試數(shù)據(jù)很容易發(fā)生偏離，導(dǎo)致測試成本高，甚至難以測試[29]。

綜上，天線的群延時與視線角指標(biāo)于2007年在DO?301中因精密進(jìn)近應(yīng)用而引入，主要會對天線的偽距測量精度有一定影響，但是通過機載GPS設(shè)備的運行經(jīng)驗看，刪除該指標(biāo)并不影響本階段的應(yīng)用。

2.4 "B1C頻點[GT]值

在獨立式北斗機載導(dǎo)航天線的標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，依據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點和機載導(dǎo)航應(yīng)用場景的要求，保留了[GT]值指標(biāo)。

導(dǎo)航接收機解算出定位數(shù)據(jù)依賴于對測距碼的準(zhǔn)確同步和對導(dǎo)航電文正確解調(diào)，在新一代導(dǎo)航信號中，引入了導(dǎo)頻信道和數(shù)據(jù)信道，測距碼的同步問題有了很大的改善，能否有效地從數(shù)據(jù)信道中解調(diào)出導(dǎo)航電文便成為了定位的主要問題。導(dǎo)航電文是否能成功地被解調(diào)與導(dǎo)航信號的信噪比、信道編碼增益及與此相關(guān)的誤碼率有關(guān)，而天線的G/T值直接影響數(shù)據(jù)信道的誤碼率，從而影響導(dǎo)航電文的有效接收。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[22]，B1C信號由承載導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)信道和承載測距碼的導(dǎo)頻信道組成，數(shù)據(jù)信道功率占比為[14]，如表3所示，即數(shù)據(jù)信道功率比B1C信號總功率低6 dB，導(dǎo)頻信道功率比B1C信號總功率低1.8 dB。同時，B1C的MEO衛(wèi)星落地最小功率為-129 dBm，因此數(shù)據(jù)信道落地最小功率為-135 dBm，導(dǎo)頻信道功率為-130.8 dBm，數(shù)據(jù)信道功率比導(dǎo)頻信道功率低4.2 dB。

導(dǎo)航電文編碼后被調(diào)制到B1C的數(shù)據(jù)通道上，符號速率為100 SPS（Symbols Per Second，每秒符號數(shù)），后又通過BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進(jìn)制相移鍵控）擴頻到1.023 MHz碼率，最終被調(diào)制到B1C載波上。

在接收端，接收機經(jīng)過解擴和糾錯后提取出導(dǎo)航電文，因此導(dǎo)航電文被解析的信噪比為：

[SNR=SN=CK×B×L×GaT×Gp×Gd=13 dB]

式中：SNR是信噪比；[S]是信號功率；[N]是等效到天線振子輸出端口處的天線和接收機前端的噪聲功率；[C]是信號功率，單位為dBm；[Ga]是天線5°仰角的無源振子增益，單位為dB，[Ga T]值在DO?301中為-32.6 dB/K；[Gp]是擴頻增益，取-20 dB；[Gd]是編碼增益，按4 dB計算；[K]是玻爾茲曼系數(shù)；[T]是等效到天線振子輸出端口處天線和接收機前端的等效噪聲溫度；[B]是擴頻帶寬，取1.023 MHz；[L]是其他損耗，按2 dB計。

根據(jù)北斗ICD要求，在10-5的誤碼率時，BPSK解調(diào)門限是9.5 dB。而由信噪比的計算公式可知，在10-5的誤碼率時接收機的解調(diào)余量為13-9.5=3.5 dB，即導(dǎo)航電文的接收解調(diào)門限仍然有3.5 dB余量。因此獨立式北斗機載導(dǎo)航天線的[GT]值可設(shè)定為-32.6 dB/K。

3 "結(jié) "論

本文基于當(dāng)前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的RTCA系列標(biāo)準(zhǔn)，通過分析機載導(dǎo)航型天線的技術(shù)指標(biāo)，解讀指標(biāo)的來源和依據(jù)，從運行場景和運行安全的角度出發(fā)，對北斗機載導(dǎo)航天線的技術(shù)要求進(jìn)行了全面論證。綜合考慮國內(nèi)北斗應(yīng)用的迫切需求與北斗系統(tǒng)國際化的進(jìn)程，提出獨立式北斗機載導(dǎo)航天線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成CTSO?2C606北斗機載導(dǎo)航無源單頻天線（B1C頻段）、CTSO?2C607北斗機載導(dǎo)航有源單頻天線（B1C頻段）、CTSO?2C608北斗機載導(dǎo)航有源雙頻天線（B1C和B2a頻段）3份技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并對標(biāo)準(zhǔn)中的修訂條款和原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析和驗證。

通過以上研究，明確適航審定要素，提升國內(nèi)對于機載衛(wèi)星導(dǎo)航天線標(biāo)準(zhǔn)的理解，為相關(guān)單位開展天線研發(fā)提供了研制方向和適航取證指導(dǎo)。后續(xù)將進(jìn)一步探索北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民航應(yīng)用需求，在北斗民航應(yīng)用向著集成化和雙頻多星座方向發(fā)展的背景下，不斷推動北斗機載導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和相關(guān)研制工作，完善機載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系，助力北斗國際化發(fā)展戰(zhàn)略。

注：本文通訊作者為馬振洋。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國民用航空局.獨立式北斗機載導(dǎo)航設(shè)備：CTSO?2C609[S].北京：中國民用航空局，2023.

[2] 中國民用航空局.獨立式北斗機載導(dǎo)航無源單頻天線（B1C頻段）：CTSO?2C606[S].北京：中國民用航空局，2023.

[3] 中國民用航空局.僅用作獨立式輔助導(dǎo)航的機載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）有源單頻天線（B1C頻段）：CTSO?2C607[S].北京：中國民用航空局，2023.

[4] 中國民用航空局.獨立式北斗機載導(dǎo)航有源雙頻天線（B1C和B2a頻段）：CTSO?2C608[S].北京：中國民用航空局，2023.

[5] 中國民用航空局.僅用作航空器追蹤的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）機載設(shè)備：CTSO?2C604a[S].北京：中國民用航空局，2022.

[6] ICAO. International standards and recommended practices— Aeronautical telecommunications： Annex 10 （Volume I） [EB/OL]. [2014?10?17]. http：//www.doc88.com/p?3877938999629.html.

[7] 中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司.航空承運人航空器追蹤監(jiān)控實施指南：AC?121?FS?2016?127[S].北京：中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司，2016.

[8] 中國民用航空局.中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實施路線圖[EB/OL].[2017?07?10].https：//www.ccaonline.cn/wp?content/uploads/2018/01/e7d60c48af4872c3e744.pdf.

[9] 張大龍，余剛，李致遠(yuǎn)，等.考慮桿臂誤差的組合導(dǎo)航分離協(xié)方差交叉算法[J].鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2022，43（3）：8?14.

[10] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報告（4.0版）[EB/OL].[2019?12?05].http：//www.beidou.gov.cn/yw/xwzx/201912/W020191227723202425641.pdf.

[11] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）導(dǎo)航型天線性能要求及測試方法：BD420004—2015[S].北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2015.

[12] RTCA. Environmental conditions and test procedures for airborne equipment： RTCA DO?160G [S]. Washington D.C.： Radio Technical Commission for Aeronautics， 2010.

[13] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）定位設(shè)備通用規(guī)范：BD420011—2015[S].北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2015.

[14] 中國民用航空局.無源機載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）天線：CTSO?C144a[S].北京：中國民用航空局，2012.

[15] 中國民用航空局.有源機載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）天線：CTSO?C190[S].北京：中國民用航空局，2019.

[16] FAA. Active airborne global navigation satellite system （GNSS） antenna： TSO?C190 [S]. Washington D.C.： Federal Aviation Administration， 2007.

[17] FAA. Airborne global positioning system antenna： CTSO?C144a [S]. Washington D.C.： Federal Aviation Administration， 2007.

[18] RTCA. Minimum operational performance standards for global navigation satellite systems （GNSS） airborne antenna equipment： RTCA DO?228 [S]. Washington D.C.： Radio Technical Commission for Aeronautics， 1995.

[19] RTCA. Minimum operational performance standards for global navigation satellite systems （GNSS） airborne active antenna equipment for the L1 frequency band： RTCA DO?301 [S]. Washington D.C.： Radio Technical Commission for Aeronautics， 2006.

[20] RTCA. MOPS for GNSS airborne active antenna equipment for the L1E1 and L5E5a frequency bands： RTCA DO?373 [S]. Washington D.C.： Radio Technical Commission for Aeronautics， 2018.

[21] 陳宜穩(wěn)，王峻，陳玲玲，等.LEO衛(wèi)星接收天線對北斗三號MEO覆蓋性分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（3）：105?108.

[22] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件_公開服務(wù)信號B1C（1.0版）：BDS?SIS?ICD?B1C?1.0[S].北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2017.

[23] 陳忠貴，武向軍.北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2020，52（6）：835?845.

[24] FAA. Airworthiness approval of positioning and navigation systems： AC 20?138a [S]. Washington D.C.： Federal Aviation Administration， 2014.

[25] VAN DIERENDONCK A J， ERLANDSON R J. RTCA airborne GPS antenna testing and analysis for a new antenna Minimum Operational Performance Standards （MOPS） [C]// Proceedings of the 2007 National Technical Meeting of the Institute of Navigation. [S.l.： s.n.]， 2007： 692?701.

[26] 蔡文炳，陳美杉，張銀輝，等.一種北斗三號短報文終端的快速捕獲算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（7）：10?13.

[27] 姚錚，劉琳琳，張曉明，等.面向多接收模式的GNSS互操作信號調(diào)制[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2012，37（5）：621?625.

[28] ARINC. GNSS sensors： ARINC743 [S]. Annapolis： Aeronautical Radio Incorporated， 2001.

[29] WANNINGER L， SUMAYA H， BEER S. Group delay variations of GPS transmitting and receiving antennas [J]. Journal of geodesy， 2017， 91（9）： 1099?1116.

作者簡介：段照斌（1989—），男，河南人，博士在讀，副教授，研究方向為飛機電磁兼容。

周 "行（1997—），男，河南人，碩士在讀，研究方向為電磁兼容。

楊樂林（1982—），男，四川人，碩士，工程師，研究方向為航空電子設(shè)備設(shè)計。

馬振洋（1985—），男，山東人，博士，副教授，研究方向為電磁兼容。