民航数据通信有限责任公司首席科学家、北京航空航天大学教授 博导朱衍波：各位领导、各位专家、各位同仁，上午好。今天我报告的题目是《中国民航星基导航运行系统关键技术及应用》。我是空地一体新航行系统技术全国重点实验室的副主任，也是北京航空航天大学的老师。今天报告的内容分三个部分：第一，星基导航运行系统的背景意义；第二，运行系统的关键技术；第三，我们的典型应用。

首先是背景。大家都知道，安全是航空运行的生命线。中国民航的航空运行水平处于世界领先水平。中国民航重大事故率十年滚动率为每百万架次0.023，是世界平均水平的1/7，是美国的1/2，水平非常高。

但是大家都知道，航空导航与飞行安全绝对相关。航空导航是空域的基准，提供航路和机场的施工基准，也是国家战略资源，同时它是飞行的核心，决定了飞机按照预定航路飞行的能力。根据空客1958年到2053年的航空安全事故统计，全球有80%的航空事故与飞行偏离预定航线有关。

比如，2024年阿塞拜疆航空J2-8243航班，由于靠近俄乌交战区，卫星导航系统受到干扰。从巴库飞往格罗兹尼途中，原计划前往哈萨克斯坦阿克套机场，最后发生坠毁。2013年韩国亚洲航空214航班从仁川机场飞往旧金山机场，也曾因自动飞行系统引导失误导致事故。

还有一个大家熟知的案例，2014年3月8日马航MH370失联，最终至今没有找到。所以我们说，导航是国家安全和航空安全的基石。

常规的陆基导航系统，包括测距仪DME、VOR、NDB和仪表着陆系统ILS。它需要在地面建设台站，而且这些技术已经有将近100年的历史，原有技术精度相对较低，也受地形影响，覆盖受限，尤其不适合复杂机场的高山峡谷环境。同时，飞机必须沿着地面台站覆盖的航路飞行，所以航路设置受限，尤其对中国民航高原机场的通达性比较差。有些高原机场没有地面台站，只能用惯性导航系统，随着时间推移会产生偏差，飞行时间接近一小时的时候，偏差可能接近一海里。

为了使用高精度导航，后来出现了卫星导航系统，也就是星基导航系统。它基于全球导航星座，精度高，不依赖地形，支持全球飞行，而且无需地面台站，可以灵活设置航路。同时，它在地面和空中的导航精度基本一致，可以支持飞机全球到达。

我们的机队主要是波音、空客飞机，预装的都是美国GPS系统。美国GPS系统大家都知道存在受制于人的风险，主要有几个方面：第一，它可以关停；第二，可能发生服务降级，比如选择性可用性（SA）以及功率控制；第三，飞机上的导航设备，特别是多模接收机（MMR），来自柯林斯、霍尼韦尔、泰雷兹等国外设备厂商，尤其在贸易争端的时候有可能断供；第四，有可能出现软件Bug。

因为GPS的时间零点是从1980年1月6日00：00开始，然后使用10位数进行周计数，这样每1024周，也就是大约19.6年，会进行一次周数翻转。2019年4月6日第二次翻转的时候，我们的好多飞机MMR就开始出现死机，当时的波音787等飞机不能起飞，还有其他运行问题，也可能导致设备死机。

最关键的是GPS接收机标准，包括美国无线电技术委员会RTCA、欧洲EUROCAE的标准，以及ARINC标准，都是欧美制定的。我们要实现自主可控，但是北斗系统出来比较晚。GPS在1995年建成，我们的北斗二代区域系统到2012年才建成，2020年北斗全球系统建成。由于这样的运行时间比较短，还没有完成国际标准组织要求的完好性风险验证。一类精密进近要求达到10的-7次方，三类精密进近要求达到10的-9次方，如果要验证，需要20年不间断的飞行测试。

同时，北斗系统信号体制比较新，不像GPS使用成熟的调制方式。这里面为什么一定要自己做、不能受制于人？因为国际民航组织1944年12月成立时，就要求成员国必须在自己的空域内提供符合国际航空导航要求的通信、导航、监视设备，同时要对导航的安全性和效率负责。这些要求写进了《国际民用航空公约》，其中附件10主要规定统一的导航、监视标准。当时1944年还没有卫星导航系统，所以要求各国对自己的陆基导航系统负责。

这样我们遇到了新的问题：怎么保证中国空域内GPS信息是可信的？在此之前，中国民航的GPS一直没有作为主动导航系统使用，还是作为辅助导航系统使用。北斗现在如果GPS不敢用、北斗又不好用，怎么办？

我们必须建设自主可控的航空信息导航运行系统。但是这里面特别难，因为美国早就把PNT（定位、导航与授时）系统列入相关管制清单，所以我们必须自主研制。我们要突破几个星基导航运行系统的关键技术，解决卫星导航系统信号的可信监测问题，让GPS可信、信号完好性等指标达到要求，GPS敢用；同时提升北斗系统性能，使其符合国际民航组织要求，让北斗好用。

这里面有几个难点。大家都知道，卫星导航系统从两万公里左右的轨道上发下来的空间信号非常脆弱，误差来源包括星座误差、轨道定轨误差、空间传播误差以及地面接收系统误差，而且误差预算比较保守。

第二个难点是北斗系统的特点。北斗系统与GPS、伽利略、格洛纳斯不一样，它由GEO、IGSO、MEO混合星座构成，干扰特征复杂，样本空间受限，使得国际民航组织要求的10的-7次方、10的-9次方航空导航完好性需求非常难做到。

这里面我们做了几个事情。第一，刚才说的可信监测，包括多基监测、星基监测和空基监测。我们设置了双频多星座DFMC的信息增强系统和可信评估。

首先，我们研制了DFMC的可信评估组件，包括软件接收机、电离层网格点监测。因为电离层对卫星导航信号影响非常大，我们评估了北斗卫星导航系统信息增强系统的单频服务性能。然后，我们建设了与有关合作单位共同建设的北斗民用服务平台，包括监测站、全国各地的27个监测站、数据中心、运行控制中心和注入站，然后把信号注入到相关增强系统中。

同时，我们在北京的公司网络中心，以及西安相关单位建立了两个数据处理中心，研制了用户终端。第二个就是飞机上的机载增强。我们的接收机增强后可以进行自主监测，并完成监测与惯性导航组合定位。

我们建立了基于轨道面的故障集成模型，研究了RAIM的导航增强测试方法，提出了全向高精度的监测阈值测试方法，也研究了北斗惯性导航组合和高精度定位技术。然后，我们跟国际民航组织导航系统专家组一起推进相关技术标准化，目前已经完成了水平RAIM的附件10草案，正在向ATM的机载接收机最低运行性能方向推进。

同时，我们研制的中国民航运行预测系统已经运行了好多年，一直开放给航空公司使用。也就是说，航司在航班起飞前，如果使用PBN运行程序，就必须进入运行预测系统，查看我们的运行可能性是否符合要求。

第三个基本上是地基增强。我们对DFMC地基增强系统进行了设计优化，优化了保护级，使保护级能够降低危险误导信息概率，保证完好性。

同时，我们对机载电离层梯度进行实时监测，设计了双频电离层梯度监测系统。我们在国内部署了几个地面站，包括上海浦东，我们使用霍尼韦尔设备进行比测。天津滨海机场是我们的合作伙伴中电科相关单位，东营机场以及舟山普陀山机场使用的也是合作伙伴的相关系统。通过这些系统，我们完成了GPS信号的完好性监测增强，对GPS信号进行了可信监测，实现了“GPS敢用”。

因为做了这些工作以后，中国民航发布了咨询通告，可以在航路和终端区使用GPS进行主动导航，然后我们又解决了国产自主北斗系统“好用”的问题。

我们首先进行了北斗抗干扰模型建模与测试验证，进行了机载信号干扰模拟，包括GNSS中的北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略信号内和信号间的干扰仿真，还有地面测距仪DME机载脉冲干扰的影响评估，以及二次监视雷达脉冲信号干扰的评估。完成干扰建模以后，再进行抗干扰性能评估。我们进行了北斗B2b等新体制信号链路预算，对于B2a，也就是GPS L1/L5信号的再捕获比等门限进行确定，同时分析信号带内、带外可承受的连续波干扰门限，然后进行了抗干扰测试和跟踪精度评估。

尤其是通过北斗抗干扰测试验证平台，进行了机载接收机载波跟踪精度评估。我们的B1C载波跟踪误差是0.2米，然后B2a是0.15米，已经通过国际标准组织的验证。由于有人机测试非常受限、成本太高，我们提出用无人机进行等效测试。无人机测试需要通过算法进行等效，把采集到的信号等效成有人机，这样我们做了全空域的等效标定，然后进行全空域服务性的判断。最后经过多年的测试，完成了国际民航组织要求的全部12类189项指标验证。

这是我们在全国各地测试的情况，包括东南西北4个方向，还有中部、高原地区、沿海地区等测试。多年测试过程中，我们同时把这个标准往国际标准推动。大家都知道，这个系统在民航上使用必须符合国际标准，这是民航应用的前提。国际标准主要有两类：一个是国际民航组织的顶层标准，第二个是航空工业标准。顶层标准是信号与服务标准和运行指导材料；第二个工业标准是卫星导航的地面和机载设备。

这里面首先必须解决把相关要求写进ICAO附件10，再解决国际工业界的RTCA等标准，所以我们先解决ICAO标准。

这里面可以看到我们的推进历程。GPS和格洛纳斯1993年开始使用，伽利略2004年开始启动，我们是2010年开始启动相关工作，同时在2023年完成了附件10的修订，所以非常不容易。

经过13年的努力，我们参加了国际导航系统专家组，参加了60多次会议，提供了100多篇工作文件，回答了国际专家2000多个问题，终于在2023年7月完成了附件10第一卷第八版的修订，也就是第93次修订。北斗系统加入国际民航组织相关标准体系，表示中国北斗系统正式成为全球民用通用的卫星导航系统，也是北斗信号第一次通过国际组织详细的技术验证，也是中国民航第一次推进复杂卫星导航系统成为国际标准。

然后我们在研制过程中，研制了机载导航、机载监测接收机系统，同时把相关增强系统进行部署，包括广域增强系统、ATM系统以及其他增强系统。这些系统同时增强GPS监测，也监测北斗系统，采用双频多星座系统。

同时，因为大家都知道，即便信号非常脆弱、容易受到干扰，我们还部署了卫星导航干扰监测与定位系统。如果发现干扰并进行定位，就通过我们的运行管控系统发布服务通告，让航空器不能使用受到影响的卫星导航系统。

然后第三个汇报一下星基导航运行系统的典型应用。有了这个星基导航运行系统，我们使中国民航的空中运行从陆基导航实现了向星基导航的跨越。我们的270个机场、1220条航路，以及4000多架飞机使用了基于卫星导航的PBN运行程序。我们在航路网上实施了“10+3”骨干大通道，优化航路，空域容量提升40%。

我们在终端区通过连续下降进近，可以提高高峰小时容量18%。同时，“10+3”骨干大通道大大减少了航路拥堵和航路冲突，航路点流量减少到原来的百分之六七。

由于大家一起努力，我们连续8年航班正常率超过80%，2015年创历史记录超过91%；今年上半年，也就是1到6月份，航班正常率是93.5%。我们的典型应用最重要的一个就是刚才说的高原机场，因为非常困难布设地面台站，所以我们通过星基导航运行系统突破了地形限制。全国25个高原机场占全球的一半，原来的不能飞变成常态飞。

同时，拉萨机场通过使用RNP程序实现了夜航，突破了连续43年不能实现夜航的限制。林芝机场是世界上唯一一个只能使用RNP AR程序进行进近的机场，如果没有卫星导航，它进近、复飞都非常困难。

同时，我们也支持岛礁机场高精度导航，还解决了复杂地形机场和远洋航路的安全运行问题。

第二个就是为了避免马航MH370事件再次发生，我们使用中国北斗独创的短报文技术，加上北斗导航技术，可以实现民航航班全球独立追踪，避免类似事件再次发生，我们提供了中国方案。

第三个就是我们在大型民机专项上跟商飞合作，包括C919、C909以及ARJ21等进行了装机，多架飞机安装我们的北斗系统，为推进我们的工业标准进行测试。目前包括监测飞机位置和关键状态量，以及北斗定位追踪，保障大型民机的商业运营，我们的737、757专机也使用了北斗导航系统。

还有一个应用就是TBO运行。2019年3月20日，我们使用南航A320飞机，首次实现了单机全阶段的时间基准运行，TBO运行，航路点RTA时间小于10秒。同时，在2024年12月底，我们首次进行了全球双机从乌鲁木齐到北京大兴机场的四维精准运行。这样我们验证了卫星导航系统和飞机基于航迹运行的精准性，保障航班实施精准引导。

第五个就是RBSM空域必须严格保持飞行高度性能。我们飞机高度保持性能要求达到300米。基于北斗机上监测系统，进行飞机高度保持性能监测；同时基于地面的ATSB地面站系统，进行大面积航班航迹的高度和水平偏差监测，保障民航飞机严格按照既定航路运行。

中国民航地区监视组织也是被国际标准组织评为非常优秀的组织，履行了相关地区监视职责，包括伊朗、朝鲜、中东以及香港地区等，也要受到我们相关机构的监视服务支持。

最后展望一下。人工智能加导航技术，也向人性化、高安全、智能化方向发展。尤其美国一直在推动弹性、韧性的PNT执行框架，要向韧性化发展，提高鲁棒性，同时要提高安全性，支持有人机、无人机混合运行，还有利用人工智能提升导航运行安全性。

卫星在两万公里左右的轨道上，信号非常脆弱，地面监测又受到限制，导致地面监测难以全球覆盖。现在正好是时候发展低轨卫星。低轨卫星信号距离地面更近，信号落地功率更高，还具备星间链路和通信一体化的特点。这样的话，我们可以建设低轨星座，充当两个角色：一个是作为天基监测站，实现天空一体化完整性全球组网监测，因为它有星间链路；第二个是可以自己发射导航信号源，提供GNSS与低轨导航动态融合的PNT服务。

我们目前正在做的一件事情，就是跟中国星网一起合作，推出科技部重点研发计划“智航民航控制系统”。智慧民航控制系统就是由星网低轨星座、我们的机载设备和地面系统构成，为航空器全球安全、高效飞行提供统一的导航、监视等综合服务，形成空中航行全球专用基础设施。这是我们中国自主可控的体系。

我们用它替代目前美国相关体系中的海事卫星通信，我们用中国星网的信息SB替代相关系统的ADS-B，我们用星网L波段的前舱通信来替代海事卫星通信，再用星网新上的导航增强载荷进行补强，提供增强的北斗信号导航。这样，我们做到自己的929飞机后面的国产化航空电子系统能够实现自主可控。我的报告完毕，谢谢各位。