張興儉，王振華，趙嶷飛，王 劍

（1.中國民航大學天津市空管運行規(guī)劃與安全技術重點實驗室，天津 300300；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081）

北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能測試研究

張興儉1，王振華2，趙嶷飛1，王 劍1

（1.中國民航大學天津市空管運行規(guī)劃與安全技術重點實驗室，天津 300300；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081）

開展北斗RDSS通航運行監(jiān)視服務性能測試是推動北斗通航服務應用的重要途徑。運用當前北斗用戶終端及地面指揮機系統(tǒng)，選取Y-12通航機型，開展了覆蓋全國不同緯度、不同機載設備安裝方法、包含各個飛行階段的飛行監(jiān)視測試，以北斗RDSS位置報告數(shù)據(jù)接收成功率為指標，分析了緯度、安裝方案及飛行階段對監(jiān)視性能影響特征。結果顯示，不同緯度區(qū)域特征下成功率未呈現(xiàn)顯著差異，安裝方案對成功率具有顯著影響，當天線安裝于飛機頂部時成功率最高，不同飛行階段下成功率未出現(xiàn)明顯差異。表明北斗RDSS在不同緯度區(qū)域以及不同飛行階段下具有同等監(jiān)視服務性能，而機載設備天線的安裝位置與監(jiān)視性能息息相關。并基于監(jiān)視性能探討了針對不同用戶的北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能水平，說明了北斗系統(tǒng)用于通航運行監(jiān)視的潛力。

北斗RDSS；通航監(jiān)視；飛行測試；服務性能

通用航空的快速發(fā)展對低空空域監(jiān)視能力和管理方式提出了新的要求，但中國缺乏配套服務設施[1]，尤其是通航運行監(jiān)視難以保障，存在安全隱患。北斗RDSS特有的位置報告功能為解決該問題提供了良好條件。然而，北斗通航監(jiān)視應用須經(jīng)過嚴格的服務性能測試并制定相應規(guī)范才能推廣，這也是推進北斗航空應用的必經(jīng)之路。因此，有必要結合通航發(fā)展需求并利用其靈活性，開展北斗通航監(jiān)視服務飛行測試，為其合理規(guī)范應用提供支撐。

近年來，一些學者也探討了北斗通航應用的特征，重點說明了北斗在通航發(fā)展中的應用潛力，并對其應用優(yōu)勢與不足、應用緊迫性及前瞻性啟發(fā)等進行了探討，說明北斗通航應用是探索北斗民航應用的第一步[2-4]。也有研究者強調(diào)了推進北斗航空服務標準化建設的必要性，提出測試評估的建議[5-7]。這些研究為北斗通航應用測試及標準化的建立提供了參考。總體而言，中國北斗通航應用依然處于探索階段，缺乏相應性能評估研究，更缺乏標準規(guī)范體系。

本次研究重點從通航應用需求角度出發(fā)，開展北斗RDSS監(jiān)視服務性能評估探索。通過設計開展北斗機載設備搭載飛行測試，積累飛行測試數(shù)據(jù)，分析了區(qū)域、機載設備搭載方法、飛行階段與監(jiān)視性能的關系特征，探討了北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能水平。本次探索性研究為持續(xù)開展更全面、深入的北斗航空應用服務測試提供了參考。

1 飛行測試方法

1.1 監(jiān)視測試系統(tǒng)組成及設計

北斗RDSS屬于北斗一代系統(tǒng)功能，利用雙星定位原理定位并以短報文形式完成位置報告。北斗二代是新一代衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，能夠滿足連續(xù)精密授時、實時定位等使用要求。目前，北斗RDSS主要用作通信手段，應用中多將北斗二代RNSS與其結合使用，前者實時定位，后者完成位置報告及短報文通信。因此，目前所說的北斗RDSS主要指北斗系統(tǒng)的位置報告和短報文通信功能。北斗RDSS作為通信手段，具有覆蓋范圍廣、受地形影響小、成本低、系統(tǒng)構成簡潔等優(yōu)點[3]。

本次北斗RDSS通航運行監(jiān)視性能測試所用系統(tǒng)組成如圖1所示，部署系統(tǒng)主要包括北斗RDSS指揮機、監(jiān)視數(shù)據(jù)收集及位置監(jiān)視系統(tǒng)、搭載于通航飛機的北斗用戶終端。三者組合使用，機載用戶終端通過衛(wèi)星進行精確定位并經(jīng)由北斗RDSS完成位置報告，指揮機系統(tǒng)接收位置報告數(shù)據(jù)并存儲于監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)融合位置坐標與地圖系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)視。

1.2 北斗機載設備搭載方案設計

測試研究中，機載設備搭載設計主要考慮以下幾方面。

1.2.1 機載設備

圖1 飛行測試系統(tǒng)組成Fig.1 Flight test system

在北斗機載設備未取得適航許可情況下，設備搭載不可隨意改動飛機系統(tǒng)結構，如機身改裝、供電連接等。因此，選擇獨立電池供電方式的北斗用戶機作為機載設備，所用設備電池充電后能夠支持設備持續(xù)運行約12 h。所用北斗RDSS設備每間隔約30 s進行一次位置報告，此為目前典型民用頻率。

1.2.2 搭載測試航空器

中國固定翼通航飛機占據(jù)主體，相對于旋翼機，固定翼飛機飛行速度快、距離遠、范圍廣、飛行程序要求高，更具代表性。經(jīng)過對通航公司運行及飛機改裝資質(zhì)情況調(diào)研，綜合分析并對比機載設備搭載可行性，選定中國自主設計生產(chǎn)的固定翼飛機Y-12機型、共9架進行設備搭載及飛行測試。

1.2.3 安裝方案設計

機載設備安裝位置對于北斗服務性能至關重要，是北斗航空應用必須明確的內(nèi)容之一，也是需探討的重點之一。測試中結合飛機條件及可行性，考慮金屬機身可能對信號造成的遮擋問題，設計3種裝機方案，重點考慮北斗天線安裝，位置分別為機艙內(nèi)靠窗處、駕駛艙和機頂部。3種方案均未改動飛機現(xiàn)有結構。其中，安裝于機艙是在目前條件下的典型應用方法，為減少北斗信號受機身遮擋影響，特將設備安裝于靠窗處；放置于駕駛艙則是飛行員靈活性保管和使用設備的方法，將設備放置于前擋玻璃下以減少信號遮擋；將設備天線安裝于機頂部，則是推廣使用北斗系統(tǒng)設備的典型方法，測試中借用通航公司已有的經(jīng)具有改裝資質(zhì)單位論證改造過的2架飛機，其機身頂部具有同等天線安裝條件，安裝中將北斗天線替換原有設備完成搭載。所有北斗設備安裝完畢后，首先進行信號干擾測試，確保航電系統(tǒng)未受到北斗機載設備明顯干擾；其次，進行北斗RDSS監(jiān)視功能測試，確?？尚行浴?/p>

1.3 飛行區(qū)域設計

中國通航運行區(qū)域分布廣，覆蓋區(qū)域從中國南海到東北地區(qū)跨越較大緯度，而北斗RDSS通信衛(wèi)星位于赤道上方的地球同步軌道，且由于電離層與緯度相關，衛(wèi)星通信受電離層影響，所以通信性能可能與緯度相關。鑒于此，為測試說明北斗RDSS通航監(jiān)視服務的緯度區(qū)域性特征，本研究設計高、低緯度兩類飛行測試區(qū)域。高緯度飛行地區(qū)包括大連、呼和浩特、青島等附近區(qū)域，低緯度地區(qū)主要包括三亞、湛江、汕頭等附近區(qū)域。

1.4 飛行測試及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)以上飛行測試因素設計，將北斗機載設備搭載于9架Y-12飛機上，開展了北斗RDSS通航監(jiān)視性能飛行測試，為保證飛行測試的代表性，所有飛行測試均在實際通航作業(yè)中進行，飛行任務包括海監(jiān)、巡視、勘探等內(nèi)容，且盡量保證了各種安裝位置和緯度組合情形下的飛行時間。

數(shù)據(jù)采集的過程涵蓋了通航飛行程序的不同階段，每次數(shù)據(jù)采集從飛行員進入駕駛艙準備起飛時開始到落地后駕駛員下機前，覆蓋了地面滑行、起飛、巡航作業(yè)、降落等階段。經(jīng)過約3個月的時間，跟隨實際通航作業(yè)過程共采集到飛行起降26架次、131飛行小時的有效位置監(jiān)視數(shù)據(jù)，包括了高、低兩種緯度和3種天線安裝位置各種組合的測試，具體為：低緯度時機艙位置21 h，駕駛艙位置23 h，機頂部位置21 h；高緯度時機艙位置24 h，駕駛艙位置22 h，機頂部位置20 h。

2 北斗RDSS通航監(jiān)視服務測試數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)分析內(nèi)容及方法

通航運行監(jiān)視即在完成目標定位的前提下實現(xiàn)位置報告與成功接收，目前定位技術已較為成熟，監(jiān)視的核心即運用北斗RDSS進行位置報告，地面指揮機接收數(shù)據(jù)。評估北斗RDSS監(jiān)視服務性能，即主要測試其是否按照設計完成數(shù)據(jù)接收。研究中直接選用地面接收到位置報告數(shù)據(jù)的成功率作為評價指標，定義成功率為地面監(jiān)視平臺實際接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量與按照設定應該接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量之比，該成功率能夠直觀反映北斗RDSS系統(tǒng)實現(xiàn)的監(jiān)視服務水平。

分析中以成功率為統(tǒng)計量，首先分析高、低緯度和不同機載設備安裝方法對于成功率的影響特征，計算運行過程每小時成功率，運用方差分析方法研究緯度、安裝方法兩因素與成功率關系。其次，分析飛行程序不同階段的成功率特征，這里的飛行階段主要劃分為滑行、起飛/降落、巡航作業(yè)3個階段，由于滑行、起飛/降落過程時間較短，其評估主要采用描述性分析方法，計算每架次運行中各階段的成功率指標，對比說明各階段下的監(jiān)視性能特征。

2.2 數(shù)據(jù)分析結果

2.2.1 緯度與安裝位置對成功率影響特征

將飛行測試成功率按照緯度和安裝位置兩因素分為6組，運用方差分析方法分析兩因素對成功率的影響特征。分析表明，緯度對成功率影響并不顯著，因素分析結果為 F（1，125）=1.995，p=0.16；安裝位置因素分析結果為 F（2，125）=339.87，p<0.001，表明安裝位置對于成功率具有顯著影響；此外，交互作用分析顯示F=1.537，p=0.219，兩因素無顯著交互作用。

高、低兩種緯度地區(qū)位置報告的成功率情況如圖2所示，高緯度區(qū)域成功率均值為0.663，標準差為0.221，低緯度區(qū)域均值為0.752，標準差為0.237?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然低緯度地區(qū)呈現(xiàn)出稍高的成功率，但并不具有顯著性差異，說明不同緯度下北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能具有一定穩(wěn)定性，服務性能相當，在北斗RDSS服務于通航監(jiān)視的應用中，可忽略高低緯度區(qū)域可能帶來的影響。

圖2 不同緯度區(qū)域成功率水平Fig.2 Success rate level in different latitude areas

圖3和圖4為不同安裝位置方案下的成功率平均水平及數(shù)據(jù)分布特征，從分析結果可以發(fā)現(xiàn)，北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能與機載設備的安裝位置息息相關。測試中天線安裝于飛機頂部時性能最優(yōu)，機艙時最差。顯然，其主要原因是北斗RDSS信號受到屏蔽問題，位置為機頂時幾乎不受任何屏蔽影響，而在機艙時，則受到較大遮擋影響，駕駛艙位置次之。說明機載設備天線的機載安裝位置對北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能至關重要，是北斗RDSS通航應用中必須深入研究的一項內(nèi)容。同時，北斗RDSS系統(tǒng)在天線安裝于機頂時表現(xiàn)出的較高且穩(wěn)定的監(jiān)視成功率，表明了其本身具備較好的通航監(jiān)視服務潛力。

2.2.2 飛行階段對成功率影響

圖3 不同安裝方案成功率水平Fig.3 Success rate levels of different installation methods

圖4 不同安裝位置下成功率數(shù)據(jù)分布特征Fig.4 Success rate distribution of different installation methods

在不同飛行階段，通航飛機運行的高度、速度具有一定的差異，分析不同階段的位置報告成功率，有助于了解北斗RDSS通航監(jiān)視服務在各階段性能及其與速度、高度的關系特征。在飛行測試中，飛機巡航作業(yè)階段的速度一般為220~270 km/h，高度一般介于1 000~3 000 m，速度與高度屬于中國通航典型運行特征。由于天線安裝位置對成功率指標的影響較大，所以區(qū)分該因素對滑行、起降、巡航作業(yè)等飛行階段下成功率指標進行描述性分析。各條件下均值及標準差如表1所示，各階段成功率特征如圖5~圖7所示。

表1 各飛行階段下的成功率均值及標準差分布Tab.1 Distribution of success rates’average and standard deviation in each flight stage

圖5 天線裝于機艙內(nèi)時各飛行階段成功率均值Fig.5 Success rate average of each flight stage with antenna installed in cabin

圖6 天線裝于駕駛艙時各飛行階段成功率均值Fig.6 Success rate average of each flight stage with antenna installed in cockpit

圖7 天線裝于機頂時各飛行階段成功率均值Fig.7 Success rate average of each flight stage with antenna installed on top of plane

結果顯示，總體來講各飛行階段下的成功率指標并未出現(xiàn)明顯變化傾向，表明北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能與飛機運行的速度和高度并未有顯著相關性，各飛行階段服務水平相當。其中，當天線安裝于機艙內(nèi)和駕駛艙時，地面滑行階段表現(xiàn)出稍高的成功率，這可能是由于在地面運行時北斗系統(tǒng)受到干擾程度較低所致，但同時滑行階段較大的標準差也表明了數(shù)據(jù)分布的分散性。

2.3 北斗RDSS通航監(jiān)視服務水平

從飛行測試研究結果可以發(fā)現(xiàn)：首先，北斗RDSS服務性能受區(qū)域緯度差異影響并不明顯；其次，機載設備天線安裝位置與服務性能顯著相關，未來北斗RDSS的監(jiān)視應用需將天線安裝于飛機頂部，避免信號遮擋；另外，在通航飛行程序的不同階段，北斗RDSS表現(xiàn)出了同等水平的性能?？梢哉f，當天線安裝于機頂部位時表現(xiàn)出的性能代表了北斗RDSS服務于通航監(jiān)視的最高水平，此時監(jiān)視成功率較高且穩(wěn)定。然而，北斗RDSS存在位置報告頻度低及通信容量有限的缺點[3]，本次測試所用系統(tǒng)頻度約2次/min，這也成為阻礙其全面推廣的重要因素之一，提高此性能也是適應未來發(fā)展應用需求的重點。

目前，中國通用航空低空空域運行監(jiān)視能力不足，而通航公司、管制人員以及監(jiān)管部門對通航運行中的監(jiān)視均具有迫切需求，通航公司亟需基于監(jiān)視的運行管理及安全監(jiān)控；管制員需要基于實時監(jiān)視的管制服務；監(jiān)管部門則需要基于監(jiān)視的安全監(jiān)管、飛行區(qū)域監(jiān)控及特情告警等。

以本次測試所用系統(tǒng)為例來探討北斗RDSS通航監(jiān)視服務水平，在此可將服務水平由不可用到完全可用劃分為5個水平，定義5個服務能力等級分別為：1級為不可用、2級為勉強可用、3級為基本可用、4級為可用、5級為完全可用。則根據(jù)用戶監(jiān)視需求和北斗RDSS在最佳使用條件下的服務能力，分析探討通航公司、管制員、監(jiān)管部門三類用戶的監(jiān)視需求及北斗RDSS服務水平，如表2所示。

表2 北斗RDSS監(jiān)視性能對各用戶的服務水平探討Tab.2 Discussion on service level of surveillance performance of Beidou RDSS for each user

2.4 展望

本次飛行測試依然處于初步探索研究階段，全面推進北斗通航應用仍需開展更多工作。在未來面向北斗RDSS通航監(jiān)視服務的研究中，一方面將繼續(xù)開展北斗通航服務飛行測試，積累更多測試數(shù)據(jù)，從各個角度完善北斗服務性能測試評估，確定北斗通航服務的能力及適用性，并明確應用方法策略，提出應用規(guī)范建議；另一方面將推進北斗通航服務機載設備研制標準及其適航性標準研究，明確機載設備性能要求、搭載位置及方法，逐步完善北斗通航服務的各項應用方法和規(guī)范。

3 結語

本次研究針對北斗RDSS系統(tǒng)應用于通航監(jiān)視的性能測試評估需求，運用現(xiàn)有北斗用戶終端及北斗RDSS指揮機系統(tǒng)，設計開展了北斗通航監(jiān)視服務飛行試驗，選取監(jiān)視數(shù)據(jù)包接收成功率為指標，分析了緯度、機載設備安裝方案、飛行階段等幾種因素下的北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能特征。分析結果表明：①不同緯度區(qū)域下成功率無顯著差異，即在不同緯度區(qū)域北斗RDSS通航監(jiān)視服務性能相當；②不同機載設備安裝方案對成功率具有顯著的影響，當天線安裝于機艙內(nèi)時性能最差，安裝于機頂處時具有最好性能；③不同飛行階段下成功率水平相當，說明服務性能受飛行速度、高度影響不明顯。并以此次所用北斗RDSS系統(tǒng)為例，探討說明了其在通航運行中對不同用戶的服務水平。本次研究結果為北斗通航監(jiān)視應用推廣提供支持，為北斗航空應用測試研究提供參考。

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（責任編輯：楊媛媛）

Study on service performance test of Beidou RDSS in general aviation surveillance

ZHANG Xingjian1,WANG Zhenhua2,ZHAO Yifei1,WANG Jian1
（1.Operation Programming&Safety Technology of Air Traffic Management Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China;2.State Key Lab of Satellite Navigation and Equipment Technology,Shijiazhuang 050081,China）

It is an important way for improving the application of Beidou system on general aviation to conduct service per

formance test of Beidou RDSS applied in running surveillance.Beidou user terminals and its command system are used and Y-12 general aviation plane is chosen to carry out the tests.The flight tests includes different latitudes,different installation methods of airborne equipment and different flight stages.The success rate of position report data receiving of Beidou RDSS is used as the index to analyze the effect characteristics of latitude,installation method and flight stage on the surveillance performance.Analyzing results show that there is no significant difference for success rate in different latitude areas.The installation method has significant effect on the success rate and when the antenna is installed on the top of the plane,the success rate reaches the highest.There is no obvious difference for success rate in each flight stage.It can be concluded that Beidou RDSS possesses equivalent surveillance service performance in different latitude areas and flight stages,but the performance is of high correlation with the installation place of antenna.Based on the performance,the service level of Beidou RDSS for each user is discussed to illustrate the potential of Beidou system applied in the surveillance of general aviation.

Beidou RDSS;general aviation surveillance;flight test;service performance

U8；V351.37

A

1674－5590（2017）03－0001－05

2016-10-31；

2017-01-05

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0502405）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項（3122015B003）

張興儉（1986—），男，河南開封人，助理研究員，博士，研究方向為空中交通管理.