通信世界网消息（CWW）航空的持续发展需要越来越大的空域容量，因而凸显了最优利用可用空域的迫切性。为了更灵活地利用空域，实时获取飞机的状态信息非常必要，这势必对飞机的通信和导航提出更高的要求。早在20世纪90年代，飞机运营商就已开始使用全球卫星导航系统（GNSS）作为目视飞行和仪器飞行的辅助手段。时至今日，全球卫星导航系统已经被公认为是现代民用航空安全高效运行的基础。国际民航组织（ICAO）目前认可的全球卫星导航系统有四个，分别是美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS）、欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。
在这其中，美国的GPS系统研发起步较早，系统运行成熟，具有先发的技术优势，已为全球193个国家和38个地区提供民用航空卫星导航服务。但同时，国际民航组织也提出只使用GPS这一单一星座，在功能和性能方面都存在不足，需要尽快补充其他卫星导航星座，形成共同发展的新格局。
20世纪后期，中国开始探索适合自身国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务。相关机构的研究结论表明，北斗系统定位误差、可见星数目和HPL值等完好性结果虽和GPS系统略有差距，但均满足完好性需求，能够为民航非精密进近阶段提供较优的导航服务。北斗系统除了能够全天候、全天时地提供高精度以及高可靠的定位、导航和授时服务以外，还可以提供GPS等系统所不具备的短报文通信服务（RDSS），RDSS具备以短报文的方式，将用户自定义信息通过北斗卫星传递至地面系统的能力。
本次研究的重点是从空域优化的应用需求出发，结合北斗系统的优势，开发出可应用于民用航空飞机上的机载设备，并进行演示验证。
功能需求定义
民用航空飞机的运营中，对于一次航班的飞行可分为5个阶段：起飞滑行、爬升、巡航、下降、落地滑行。在这5个阶段内，不同的阶段耗油特性各不相同，在同一阶段内也会受地速、空速、高度、爬升率、倾斜角、起飞总重等参数的影响而呈现出变化较大的特性。
因此，将剩余燃油量、俯仰角、横滚角和4D航迹（经度/维度/高度/时间）、航班号绑定后，实时传递至地面，后续就可以采用大数据分析的方式，从提高飞行效率的角度，对空域航路进行优化。
与此同时，北斗短报文服务是容量受限的通信系统，在同一区域使用该服务的设备增多后，将出现通信成功率下降的问题。同时，北斗短报文服务还有频度限制的特性，即每使用一次后都需要一定的时间间隔。因此，需要区别飞行阶段，进行短报文发送间隔的控制，并对传递信息进行优先级划分，保证重要信息的可靠传输。
综上所述，经分析，北斗机载设备的功能需求大致包括七大方面，具体内容见表1。
北斗机载设备总体架构
北斗机载设备的总体架构如图1所示，与飞机航电系统交联的接口采用了常见的+28VDC直流电源接口、Keyline离散量接口、ARINC 429机载数据接口、以太网接口。
该设备集定位与信息传输于一体，使用+28VDC直流供电，通过Keyline离散量接口获取“空/地”状态，通过ARINC 429机载数据接口分别从飞机的惯导系统接收飞机位置信息、航姿信息，从飞管系统接收航班信息，从燃油系统接收剩余燃油量信息，可通过北斗短报文通信链路发送周期性、定制化、自由报文，同时具备北斗定位及测速功能，用于剩余燃油量、航姿（俯仰角/横滚角）、4D航迹（经度/维度/高度/时间）及航班号信号的下传。此外，还可使用地面支持设备（Ground Support Equipment，GSE）通过维护以太网进行配置下发及日志读取。
北斗机载设备包含两个航线可更换单元（Line Replaceable Unit，LRU），分别为北斗主机和北斗天线，这两个单元分别安装于客舱顶部和飞机顶部，其主要功能如表2所示。
应用情况
北斗机载设备在设计定型、完成鉴定试验之后，随加改装器材包一起，在中国国际航空股份有限公司的波音B737-800飞机上完成了加改装施工工作，并最终获得了中国民用航空局颁发的补充型号合格证。
2019年12月25日，加装了北斗机载设备的国航B737-800飞机执飞了北京到喀什的航线，这是北斗卫星导航系统在民航运输飞机的首次商业飞行。飞行数据表明，在330分钟的航程中，飞行轨迹完整，设备稳定可靠，通信成功率高达98%。
在随后的商业运营中，飞机遍历了北京、乌鲁木齐、阿克苏、克拉玛依、合肥、北海、抚远等中国东南西北各方向上的重要机场及航线。飞行数据表明，机载设备及北斗卫星导航系统运行稳定，通信成功率在97%至100%的区间内。
图2、图3、图4分别为地面系统输出的某航段速度、高度、油量变化图。后续可将地面系统收集到的各项数据进行大数据分析，以便进行各项指标论证及优化。
文中所研究的北斗机载设备后续还将继续安装在国航其余机型的飞机上，积累验证飞行数据，开展基于北斗的4D航迹、姿态、油量等数据的分析。本次研究仅是《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》中的一小步，后续还将沿着“路线图”所指出的“从易到难，从便携到机载，从监视到导航，通用运输统筹推进”的总体实施路径继续开展相关工作，终将推动北斗与民航的高质量结合。
（本文作者：中国国际航空股份有限公司（北京）|孙可 中电科航空电子有限公司（成都）|潘路平 范世雄）
