双王一炸

文/张展   2018-07-10 23:09:35

2017年10月15日,人民日报发表了一篇名为《中国的两个“王”凑成了一个“炸”!—— 一手好牌的感觉真好》的文章,这里面提到的两个“王”,一个是我国自主设计并制造的支线客机——ARJ21-700,另一个是指我国自主研发的“北斗”卫星导航系统。10月10日至10月14日,在山东东营机场,由中国商飞公司北京民用飞机技术研究中心牵头,中国商飞公司民用飞机试飞中心、上海飞机设计研究院、上海飞机制造有限公司等参加,由相关高校、研究所和制造商共同参研的“北斗”导航系统在ARJ21飞机的测试试飞项目圆满成功,这次不寻常的飞行试验,将我国两个事关国计民生的重大专项紧密结合在一起,正式拉开了国产卫星导航系统在国产民用客机应用的序幕。

这次试飞的重大意义在于,首次实现了天、空、地三个层面的4个“国产化”的结合:太空中有我们的国产“北斗”卫星导航系统,空中的国产民用大飞机内搭载着国产机载导航接收机,地面应用的是国产的卫星导航地基增强系统。正因为以上技术都掌握在自己手上,这为后续“北斗”卫星导航系统的国际民航标准化、应用推广、测试认证获取大量的原始实验数据。我们先来看看这4个“国产”。

众所周知,现代民航飞机的运行,少不了卫星导航,目前在世界范围内广泛使用的导航服务是美国的GPS(全球导航系统),这个从上世纪90年代开始使用的卫星导航系统实现了导航卫星网络的全球覆盖。随着卫星导航系统的发展,配合其他增强手段,目前民航卫星导航精度最高可达到分米级,基本满足民航对导航系统精度的要求。

为关键时刻不受制于人,在全世界已经存在美国的GPS,欧洲的“伽利略”以及俄罗斯的“格洛纳斯”导航系统后,中国的“北斗”卫星导航系统作为后起之秀,目前已经完成了对亚太地区的覆盖,正在向着全球覆盖的目标稳步推进。“北斗”系统可以为用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务,是国家重要空间基础设施。随着“北斗”系统建设和服务能力的发展,相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域。

但是,虽然“北斗”应用广泛,但卫星导航系统在民航领域中的应用这颗“皇冠上的明珠”,却暂时没有“北斗”导航的身影,民航卫星导航市场一直被美国的GPS牢牢把握。这一方面是因为“北斗”导航系统起步较晚,目前还没有形成全球服务的能力,而民航却是一个全球化的服务行业;另一方面因为国际民航组织的大部分席位也由国外企业和公司占据,且世界上大多数民用飞机都由欧美公司生产,在中国土生土长的“北斗”导航系统要进入国际民航舞台壁垒太多。

现在情况有了转机,因为我们有了自己制造的民航飞机——ARJ21。

关于ARJ21,自然无需多言,继2017年7月9日取得中国民航局生产许可证后,ARJ21已经获得433架订单,3架交付客户,2架正式投入航线运营,目前载客数已超过2万人次。相比于刚刚首飞,有着漫长取证之路要走的C919来说,无论从飞机稳定性还是安全性上考虑,ARJ21飞机都是一个非常理想的飞行平台。本次试飞采用的是ARJ21的103驾机,相比老大哥101、102驾机,和已经交付的105、106、107驾机,这架飞机针对航电通信导航系统进行过专门改装,非常适合进行“北斗”导航测试试验试飞。

“北斗”卫星导航系统在103驾机上的试飞,是“北斗”第一次实现了在民用航空领域的测试应用,同时也是国产民机第一次使用国产导航系统,对两个重大专项的融合发展具有里程碑意义。

然而,“北斗”是工具,飞机是载具,真正使用导航工具的是导航信号接收机。本次试飞搭载的是一台机载多模式导航接收机,它由中国商飞与国内高校以及设备制造厂参考国际民航机载导航设备标准联合开发研制,可接收GPS、“北斗”、“格洛纳斯”和“伽利略”四大卫星导航系统信号,支持传统的VOR(甚高频全向信标)和ILS(仪表着陆系统)盲降,同时加入了对民航地基增强信号的支持,以及“北斗”短报文收发的功能,功能上比目前波音、空客民机以及ARJ21和C919上装备的导航接收机更加先进,符合国际民航对未来导航系统多频多星座多导航源的要求。

值得一提的是,“北斗”短报文是“北斗”卫星导航系统区别与其他导航系统的一个特色功能,其创新融合了导航与通信能力,能够提供位置报告和短报文通信服务。目前,民航中的监视一般通过雷达以及地-空/空-空数据链实现,即飞机将自身位置等信息发送给地面管理部门或周边其他飞机,覆盖范围受雷达覆盖和地面站位置等因素限制。在MH370事件后,独立自主的民航飞机监视能力得到广泛的关注,而“北斗”短报文的位置报告功能则可以全面了解空域内所有飞机的运行态势,尤其能够有效解决没有雷达和地面站覆盖区域的民航飞行监视问题。“北斗”短报文通信服务还可用于民航运行管理部门与飞行员、机载设备之间的通信,通过卫星链路远程向飞行员和机载设备传达指令,从全局上控制空中交通流量。通信、导航和监视是新一代空管体系的三大支柱,而我国国产“北斗”卫星导航系统将通信和导航融为一体,为民航运行的监视和管理提供了极为有效的手段,能够进一步提高空中交通运行效率。但是,也正因为“北斗”短报文是完全不同于其他导航系统的原生功能,因此是否能安全可靠地应用在民航领域,是否能被国际民航组织接受,还需要大量的实验验证和数据积累。

场面滑行,主要包括直线滑行和S形滑行。直线滑行,指飞机沿跑道中心线进行往返滑行;S形滑行,指飞机沿跑道中心线进行S形滑行。试验过程中,记录“北斗”导航设备输出的定位数据和引导数据、以及相关的导航基准数据。主要目的是进行数据链路检查、信号覆盖和偏置数据检查。场面滑行的“北斗”导航定位轨迹如图。

大圆飞行,主要包括高度为10 000英尺(约3 000米)和5 000英尺(约1 500米)的大圆飞行。大圆飞行用来验证地基增强信号的有效覆盖范围。大圆飞行的“北斗”导航定位轨迹如图。

弧度飞行,主要包括以跑道为中心线、跑道起点为圆心进行圆弧飞行,主要目的是验证进近区域内地基增强空间信号覆盖情况,查看是否存在干扰信号。弧度飞行的“北斗”导航定位轨迹如图。

恒定高度飞行,主要包括以高度2 000英尺(约610米)、3 000英尺(约914米)和4 000英尺(约1 219米)的通场飞行,主要目的是验证跑道上方区域内地基增强空间信号覆盖情况。恒定高度飞行的“北斗”导航定位轨迹如图。

“北斗”短报文指挥中心还有一个系统不容忽视——地基增强系统。我们平常说的导航指的是卫星发出的基本导航信号,“北斗”在亚太地区的定位精度大概在10米左右,而民航飞机在进近过程中需要更高精度才能安全降落,因此这里就需要通过一些外部手段对机场区域的卫星导航性能进行增强,提升导航定位精度,同时在卫星导航系统出现故障时及时向飞行员告警。本次试验所测试的GLS(卫星导航着陆系统),就是上述卫星导航增强手段中的一种。

GLS系统通过地面子系统和机载子系统相互配合,实现对卫星导航性能的增强和对飞机进近着陆的引导。一方面,GLS地面站通过对“北斗”等卫星导航信号的观测,判断导航卫星是否健康,同时向机载系统发送定位误差校正等增强信息;另一方面,机载子系统利用接收到的增强信息对卫星导航的测量结果进行校正,最终获得自身的精确位置,同时判定当前卫星导航系统是否处于正常工作状态。和传统用于精密进近的仪表着陆系统相比,GLS系统一套地面设备就能够覆盖整个机场区域,不需要针对每一条跑道建设引导基站。GLS系统可以优化进近航迹的设计,避开障碍物、噪音敏感区和飞行密集空域,并提高低能见度下的机场运行能力。从飞行员的角度来说,GLS系统的显示操作与仪表着陆系统类似,也减少了更换系统后额外的培训成本。

目前,美国、德国、西班牙、瑞士、澳大利亚和巴西等国家都已经有GLS系统在进行测试或运行,但均为GPS单导航系统运行。而本次试验的地面站及机载系统均为国产自主研制,同时支持GPS/“北斗”双信号增强,开创了民航应用双导航系统增强的先例,在国际上属领先地位。

综上所述,这四大国产系统共同组成了本次试验的环境,其中核心技术和关键数据完全掌握在国人自己的手上。从产业角度上而言,“北斗”导航系统可以带动导航、通信、卫星、无线电等多个领域,而民用飞机制造所涉及的产业链更加庞大,包括材料、机械加工、电子电气、动力、控制、测试等,作为工业制造的皇冠,与“北斗”导航系统的结合必将带来巨大的辐射影响力。

上面介绍了此次试验的系统组成,试验本身则是为了验证机载“北斗”导航接收机的导航精度性能(含地基增强性能),验证“北斗”短报文的功能。

其中机载“北斗”导航接收机的GLS地基增强性能试验,参考中国民航发布的咨询通告以及美国联邦航空管理局相关文件要求进行,本次的GLS定位精度应满足精密进近Cat I类的要求,也就是水平精度16米,垂直精度4~6米。

试验中,我们选取的试飞科目包括场面滑行、大圆飞行、弧度飞行、恒定高度飞行等。每次试飞科目的过程中,我们都会记录GPS、“北斗”以及导航基准的数据,以便飞行结束后进行分析计算,得出本次飞行的精度结果,整个飞行试验结束后,我们还将对所有数据进行处理,得出统计结果,并与国际民航要求进行比对。

此次试验中,“北斗”短报文的功能试验,通过统计机载“北斗”导航接收机实时向地面指挥中心发送短报文的通信成功率完成,同时,地面指挥中心的监控屏幕上可以实时显示飞机的位置及航迹信息,实现自主监视功能。整个验证过程中,位置报告功能正常,监视功能正常。

机载“北斗”导航接收机搭载飞行试验,是“北斗上民机”迈出的第一步,主要目标在于“北斗”导航在国产飞机上应用的数据采集和分析,为之后“北斗”与民机航电设备的交联集成,“北斗”机载设备的进一步国际标准化研发,在C919及后续机型上进行机载设备国产化替代积累前期经验。目前数据还在处理中,不过初步分析表明,“北斗”信号在民航飞机中接收稳定,功能正常,单点定位精度与GPS相当,地基增强对精度有明显改善,定位精度指标满足国际民航相关标准的要求,可以通过“北斗”信号为民航飞机提供进近引导。“北斗”短报文功能工作正常,在地面指挥中心可以看到短报文实时的位置报告,可作为民航飞机的一种独立自主的监视手段。

在后面的工作中,为了让国产的“北斗”机载导航设备真正在民航客机的运行中使用,不仅还有大量的工作需要完成,也有诸多困难需要面对。在这些工作与困难中,排在第一的是,“北斗”导航相关国际民航标准的建立尚未完成,“北斗”导航只有进入国际民航组织标准,才可以在全球国际航线上推广使用,真正成为民机上的全球卫星导航系统,这个目标还需要许多试验数据进行支持;其次是“北斗”导航适航设备的研制和生产,需要提升国内外导航机载设备供应商对“北斗”导航系统的关注度和信心,共同推动“北斗”导航机载设备在民航领域的普及;第三是“北斗”机载导航系统的航电系统交联试飞,通过试飞获得最贴近实际应用且最为全面的测试,为“北斗”导航国际民航标准的制订和相关设备的生产提供数据和技术支撑;最后是“北斗”机载导航设备的航电系统集成,目前,这套设备还只是在后舱的设备平台上进行独立测试,尚未与整体航电集成,成为驾驶舱里的一个基本功能,未来将“北斗”导航机载设备集成到整体航电系统后,才算真正实现“北斗上民机”。商飞北研中心团队在山东东营机场合影,身后两架是ARJ21的103、104架原型机,现用于各种优化试飞任务。

经过改装的103架机客舱内,安装多电子实验设备平台。图中电脑屏幕左侧显示的是飞机姿态,右侧是以谷歌地球卫星照片为背景的山东东营区域地图。目前,基础条件基本形成,这是开展“北斗”导航国产民机应用的最好时机。中国商飞ARJ21型客机已经获得TC、PC证并交付运营,C919型客机完成首飞,宽体飞机已经立项,国产大飞机平台日趋成熟,国产机载设备产业链日趋完善。同时,“北斗”导航系统已实现区域覆盖,正在向实现全球覆盖的目标稳步推进,在国家政策的支持下,在国家部委的指导下,在各合作伙伴的通力协作下,将国家战略层面两个重大专项有机结合,加速实现“北斗上民机”。

中国商飞公司将在统筹干线飞机和支线飞机发展的进程中,肩负和实现“北斗上民机”的使命目标,持续跟踪“北斗”卫星导航系统的发展,通过大量预先研究工作,积极利用自身优势推进“北斗”试飞项目研究和应用,加快我国“北斗”卫星导航系统在民航运输领域的应用,促进我国由民航大国向民航强国的跨越式发展。

责任编辑:陈肖

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