如何減少航班失聯(lián)發(fā)生？北航空事衛(wèi)星一號(hào)或可派上用場(chǎng)

　　馬航MH370客機(jī)事件讓國際對(duì)飛機(jī)失聯(lián)高度關(guān)注。如何讓地面更便捷地實(shí)時(shí)獲知飛機(jī)動(dòng)態(tài)、減少失聯(lián)事件發(fā)生？中國自主研發(fā)的北航空事衛(wèi)星一號(hào)衛(wèi)星或可派上用場(chǎng)；該衛(wèi)星搭載的星基ADS-B載荷監(jiān)視性能初步滿足空管運(yùn)行需求，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了我國面向空管應(yīng)用的星基航空監(jiān)視技術(shù)的空白。

　　這顆衛(wèi)星是如何工作的？對(duì)減少或解決飛機(jī)失聯(lián)有何幫助？記者近日就此進(jìn)行采訪。

　　空中交通管制的“前世今生”

　　自飛機(jī)誕生以來，如何保障飛行安全、降低飛機(jī)空中失事概率便成為老生常談的話題。2014年馬航MH370客機(jī)失聯(lián)事件，促使國際社會(huì)高度關(guān)注如何追蹤一架飛機(jī)，切實(shí)保障飛機(jī)在空中“看得見、聽得到、管得住”，也讓空中交通管制技術(shù)再次進(jìn)入眾人視野。

　　在相當(dāng)長一段時(shí)間里，人們對(duì)飛機(jī)的監(jiān)控主要依靠雷達(dá)，但雷達(dá)覆蓋范圍一般為從海岸向外延伸350公里左右。這意味著，當(dāng)飛機(jī)在跨海飛行或者在偏遠(yuǎn)地區(qū)飛行時(shí)，由于信號(hào)覆蓋不到而無法被地面控制中心掌控精確位置和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。一旦發(fā)生意外情況，定位和搜救將十分困難。

　　在地球上，這些“監(jiān)視盲區(qū)”多位于海域、極地、山區(qū)和荒漠等——它們占據(jù)了地球80%以上的面積。因此，只有覆蓋范圍廣、可靠性高的衛(wèi)星才能徹底解決航空器全球監(jiān)視問題。飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生，該通信系統(tǒng)可以在航空器和地面用戶之間通過甚高頻、高頻或衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈傳輸報(bào)文，實(shí)時(shí)掌握飛機(jī)的空中情況。

　　不過，相比ACARS技術(shù)，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力。隨著航天技術(shù)的成熟與商業(yè)小衛(wèi)星的成本降低，采用星基手段開展空管應(yīng)用逐漸具備了可行性。未來，星基ADS-B衛(wèi)星系統(tǒng)將有效解決陸基地面站覆蓋能力不足的問題，成為空管系統(tǒng)的重要組成部分。

　　馬航MH370客機(jī)事件暴露出空管領(lǐng)域缺乏全球航班跟蹤能力，事件發(fā)生后，國際民航組織(ICAO)推出了“全球航空遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)”(GADSS)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定“飛機(jī)每15分鐘需要報(bào)告一次飛機(jī)所在位置和狀態(tài)”，也就是說飛機(jī)的追蹤間隔為15分鐘，同時(shí)“要求2021年1月1日(含)之后首次頒發(fā)單機(jī)適航證的所有最大起飛質(zhì)量超過27000千克的飛機(jī)，在遇險(xiǎn)時(shí)應(yīng)以每分鐘至少一次的速率自主傳輸位置信息”，而星基ADS-B系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的最有效可行的手段。這直接促使了國內(nèi)外科研人員加快對(duì)星基ADS-B載荷技術(shù)論證和試驗(yàn)進(jìn)度，其中便包括中國工程院院士、北航國家空管新航行系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張軍和北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授張學(xué)軍等行業(yè)專家。

　　馬航事件發(fā)生后不久，張軍院士與相關(guān)領(lǐng)域的院士共同提出發(fā)展航班星基全球監(jiān)視系統(tǒng)的院士建議，以提高航班全球運(yùn)行監(jiān)控能力。該建議得到了相關(guān)部門的高度重視。隨后，張軍院士帶領(lǐng)張學(xué)軍等團(tuán)隊(duì)成員，開啟了中國空事衛(wèi)星系統(tǒng)的自主研發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

　　經(jīng)過數(shù)年努力，2020年11月6日，由北航國家空管新航行系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭，聯(lián)合四川九洲空管科技有限責(zé)任公司、天儀研究院共同研制的中國空事衛(wèi)星系統(tǒng)首顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星北航空事衛(wèi)星一號(hào)發(fā)射成功。這是我國首顆初步滿足空管運(yùn)行需求的星基ADS－B衛(wèi)星，也是目前國內(nèi)唯一在軌運(yùn)行的多波束接收ADS-B衛(wèi)星。

　　把地面站“搬到”衛(wèi)星上去

　　星基ADS-B載荷對(duì)飛機(jī)空中監(jiān)管到底有何作用？張學(xué)軍解釋道，“星基ADS-B載荷就相當(dāng)于把地面站放到衛(wèi)星上去。把陸基的設(shè)備放到衛(wèi)星上，成為天基系統(tǒng)，是大的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，其最大的好處就是全球覆蓋?！?/p>

　　“天空雖然很大，但是飛機(jī)并不能隨意飛，天上的航線猶如地面的公路?！睆垖W(xué)軍介紹，以往保障這條“看不見的公路”，靠的是沿著飛機(jī)的航路航線建在地面上的空管設(shè)施。而現(xiàn)在，因?yàn)榈孛嬖O(shè)施覆蓋的盲區(qū)問題，我們正試著將他搬到天上去。

　　由于飛機(jī)上設(shè)備的改動(dòng)將帶來巨大的成本和漫長的周期，而星基ADS-B載荷不改變飛機(jī)上的機(jī)載設(shè)備。在如此高度上，衛(wèi)星接收到的信號(hào)與地面站相比非常弱。再加上衛(wèi)星覆蓋的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)地面站的覆蓋范圍，其覆蓋范圍內(nèi)的飛機(jī)數(shù)量相當(dāng)巨大，不同飛機(jī)發(fā)射的信號(hào)會(huì)相互干擾。這些對(duì)衛(wèi)星上接收機(jī)的靈敏度和處理能力提出了非常高的要求。

　　談及北航空事衛(wèi)星一號(hào)，張學(xué)軍說道，“這是我們第一次做衛(wèi)星上的載荷”；在太空中，載荷會(huì)受到高低溫及電子輻射的影響，“因?yàn)槿狈τ嘘P(guān)方面設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)谧畛跹兄茣r(shí)心里不是特別有底，通過一步步摸索，對(duì)相關(guān)防護(hù)手段的學(xué)習(xí)、應(yīng)用，最終克服了難題”。

　　“如果衛(wèi)星發(fā)射后不能正常工作，就等于發(fā)射了一塊磚頭?！睆垖W(xué)軍笑稱，在技術(shù)研發(fā)壓力太大時(shí)，他經(jīng)常駕車去山里兜風(fēng)，放空自己?！翱蒲惺窃试S失敗的。但是國家給了我們不少支持，我們只能成功不能失敗?！?/p>

　　在張學(xué)軍帶領(lǐng)下，研制團(tuán)隊(duì)突破了多波束相控陣天線、多通道高靈敏度接收算法和解交織技術(shù)等多個(gè)星基ADS-B關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出中國首個(gè)面向空管運(yùn)行需求的星基ADS-B載荷。

　　未來或以“上帝視角”進(jìn)行飛機(jī)跟蹤

　　按照規(guī)劃，空事衛(wèi)星系統(tǒng)包含低軌空事衛(wèi)星星座、空事衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)，可以為航空用戶提供全球覆蓋的連續(xù)實(shí)時(shí)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視服務(wù)，為航空飛行安全提供保障，并有利促進(jìn)低空空域的開放與通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該系統(tǒng)將通過“上帝視角進(jìn)行飛機(jī)跟蹤”，有望讓飛機(jī)“永不失聯(lián)”。

　　作為中國空事衛(wèi)星系統(tǒng)首顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，北航空事衛(wèi)星一號(hào)目前表現(xiàn)如何？

　　據(jù)了解，該衛(wèi)星入軌后狀態(tài)穩(wěn)定，性能優(yōu)良，獲得了全球空域的大量飛行數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析表明：繁忙空域內(nèi)，衛(wèi)星平均每小時(shí)可接收ADS-B消息數(shù)超過100萬條；最遠(yuǎn)探測(cè)距離達(dá)到2000公里以上；半徑800公里的設(shè)計(jì)覆蓋范圍內(nèi)，95%位置消息更新間隔低于8秒，目標(biāo)檢測(cè)率和報(bào)文更新率初步滿足空管運(yùn)行需求。此次任務(wù)的圓滿成功標(biāo)志著我國空事衛(wèi)星系統(tǒng)在星基航空監(jiān)視方面達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)水平，未來將有能力給航空用戶提供基礎(chǔ)的全球航空監(jiān)視和跟蹤服務(wù)，極大推動(dòng)我國空事衛(wèi)星系統(tǒng)全面組網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)程，對(duì)我國軍民航和通航的發(fā)展具有極為重要的意義。

　　與國內(nèi)外的同類衛(wèi)星相比，北航空事衛(wèi)星一號(hào)性能如何？

　　張學(xué)軍說，國外對(duì)星基ADS-B系統(tǒng)的研究早于國內(nèi)，在2013年歐洲航天局(ESA)發(fā)射的Proba-V衛(wèi)星就首先驗(yàn)證了衛(wèi)星接收ADS-B信號(hào)的可行性，而歐洲的GOMX-1衛(wèi)星則驗(yàn)證了基于立方星的星基ADS-B載荷的可行性，隨后加拿大Aireon公司建設(shè)的第二代銥星系統(tǒng)采用相控陣天線多波束接收的星基ADS-B載荷，具備了提供空管監(jiān)視服務(wù)的能力。目前北航空事衛(wèi)一號(hào)成功突破了多波束接收高靈敏度解調(diào)與解交織技術(shù)，在繁忙空域平均每小時(shí)接收?qǐng)?bào)文超過100萬條，連續(xù)24小時(shí)接收?qǐng)?bào)文超過1000萬條。這個(gè)數(shù)據(jù)代表了衛(wèi)星接收機(jī)的靈敏度和處理能力，這樣推導(dǎo)下來，就能表明北航空事衛(wèi)星一號(hào)在星基ADS-B技術(shù)方面達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。按照北航空事衛(wèi)星一號(hào)的單星評(píng)估性能，要實(shí)現(xiàn)全球覆蓋需要超過300顆衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，衛(wèi)星接收全球航班的ADS-B數(shù)據(jù)后，通過星間通信和路由傳輸?shù)絿鴥?nèi)上空的衛(wèi)星，再通過衛(wèi)星和地面信關(guān)站通信，下傳到地面，然后由地面數(shù)據(jù)中心分發(fā)給各航空用戶。

　　“第二代銥星系統(tǒng)是目前國際上唯一建成并投入商業(yè)試運(yùn)行的星基ADS-B系統(tǒng)。北航空事衛(wèi)星一號(hào)是技術(shù)試驗(yàn)星，是單星?！睆垖W(xué)軍表示，從單星而言，銥星是成噸級(jí)的大星，而北航空事衛(wèi)星一號(hào)比較小，僅20kg。銥星單星覆蓋半徑超過3000km，接收靈敏度優(yōu)于-102dBm。從指標(biāo)上看北航，空事衛(wèi)星一號(hào)略低于銥星?！叭绻雁炐潜茸饕惠v寶馬汽車，那么北航空事衛(wèi)星一號(hào)就是用寶馬的技術(shù)做的一輛mini轎車?！睆垖W(xué)軍做了一個(gè)形象的比喻。

　　“因?yàn)殂炐窃诮ㄔO(shè)時(shí)是一個(gè)通信星座，星基ADS-B載荷也并非其主載荷。而北航空事衛(wèi)星一號(hào)是直接瞄準(zhǔn)了空管需求，載荷還在不斷完善，因而將會(huì)達(dá)到與其同等的水平，甚至超越?！睆垖W(xué)軍說。

　　目前北航空事衛(wèi)星一號(hào)雖已成功發(fā)射，但是僅僅是在國內(nèi)首次驗(yàn)證了多波束星基ADS-B技術(shù)，為了支撐我國星基ADS-B系統(tǒng)的全面建設(shè)，還需要進(jìn)一步優(yōu)化，提升其解調(diào)靈敏度，并且改進(jìn)其相控陣天線和多通道處理設(shè)計(jì)，以提高有效覆蓋范圍，適應(yīng)不同軌道高度和不同航空用戶的需求。

　　此外，要想為全球范圍內(nèi)的航空用戶提供通信、導(dǎo)航、監(jiān)視服務(wù)，必須完成幾百顆衛(wèi)星的全球組網(wǎng)，這方面還涉及到星座與衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)、低時(shí)延星上路由、星間和星地超高帶寬超大容量通信等大量研究與建設(shè)工作，需要聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的各個(gè)單位，各盡所長，共同完成我國自主可控的空事衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)。

　　談及未來計(jì)劃，張學(xué)軍說：“我們后續(xù)會(huì)繼續(xù)改進(jìn)星基ADS-B載荷，擴(kuò)大單星覆蓋范圍，同時(shí)也會(huì)盡可能在現(xiàn)有技術(shù)下減小重量與功耗，降低系統(tǒng)的建設(shè)成本”，當(dāng)前合作各方正在努力推進(jìn)全系統(tǒng)的衛(wèi)星組網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全地域的互聯(lián)互通。

　　轉(zhuǎn)自：中國新聞網(wǎng)

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