構建基于第四代海事衛星關口站的航空安全通信系統
——馬航MH370失聯事件的思考

· 文|中國交通通信信息中心 郭春啟

中國中央電視臺 汪惟平

構建基于第四代海事衛星關口站的航空安全通信系統
——馬航MH370失聯事件的思考

· 文|中國交通通信信息中心 郭春啟

中國中央電視臺 汪惟平

2014年3月8日，馬航MH370客機失聯，包括中國在內的十多個國家投入巨大資源搜尋其下落。由于飛機上安裝了第三代海事航空站，雖然國際海事衛星組織為確定搜索方向提供了很多數據進行分析研判，但是第三代航空站已經是20年前的技術,只能作為飛機通信尋址與報告系統（ACARS）數據鏈通道，無法提供準確位置信息。馬航MH370事件暴露出的漏洞和不足，給予中國很多警示，如果中國民航飛機發生類似事件，那么我們如何應對？ 有沒有先進的航空衛星通信系統能夠實現飛機的全球實時跟蹤？基于第四代海事衛星關口站的航空安全通信系統，將為飛機實現全球實時位置監控提供新方式。

一、中國海事衛星主管部門在馬航事件中的相關工作

1.信息掌握

事件發生之后，交通運輸部立即啟動應急機制，全面啟動搜救的相關工作，并責成中國海事衛星管理部門中國交通通信信息中心和民航局等有關單位聯合成立專家組，同國際海事衛星組織（Inmarsat）進行了密切的溝通、協調，并獲取大量相關信息，對失聯客機海事衛星通信記錄數據進行了解碼、分析、評估和深入研判。

專家組對馬航MH370客機傳輸的ACARS進行了詳細的分析和論證，通過解碼并分析其中的403條原始數據及7198條通信信令，獲取了飛機起飛后30分鐘的高度、總燃油量、速度、溫度、位置等重要飛行數據信息；掌握了最后一條ACARS信息是3月8日2時5分由地面運行調度中心發出；通過對信令的分析，確認機載終端與地面網絡每小時自動交互信號；基于海事衛星網絡中最后一階段連續的衛星數據、設定的飛機均勻飛行速度以及馬方軍用雷達最后一次探測到飛機的位置信息，對飛機可能的南線、北線飛行軌跡進行了推斷；組織了對海事衛星多普勒效應理論分析方法準確性的分析論證工作。

2.對信息的研判

1）通過第三代海事衛星航空站每隔一個小時的脈沖信號，判斷飛機在脫離馬來西亞空管區后繼續飛行至少5個小時；

2）應用衛星信號仰角和“多普勒效應”原理，確定飛機南北兩條可能飛行軌跡；

3）通過數據比對，進一步判斷飛機南線飛行的可能性，并確定了衛星最后一次接收到自動信號時飛機的時點；

4）根據多普勒效應理論和相關數據，確定客機最后一階段的速度變化。

根據多普勒效應理論，由MH370七個時間點的多普勒頻移數據，可計算出當時衛星與飛機的“相對速度”。由于衛星的位置（64.5°E）是已知的，可以通過“相對速度”推斷出飛機的航向與航速之間的關系，建立了多普勒頻移與航速、航向的數學模型。依據馬航提供的MH370飛行速度，基本排除了飛機向北線飛行的可能性。通過上述數學模型對其他幾次航班(南向吉隆坡至悉尼，北向吉隆坡至倫敦、吉隆坡至北京等）的多普勒頻移數據進行了計算，計算結果與相關的多普勒頻移歷史數據吻合。

CMDS軟件初篩結合人工審核模式在我院中成藥處方點評中的應用實踐 ………………………………… 沈劍文等（16）：2278

二、可提供航空安全通信的衛星通信系統現狀

目前，經過國際民航組織（ICAO）認證，能夠為民航飛機提供前艙安全通信的衛星通信系統只有海事衛星、銥星和日本的MTSAT衛星系統。由于MTSAT系統只能提供區域衛星服務，所以本文主要介紹海事衛星和銥星系統。

1.海事衛星通信系統介紹

國際海事衛星組織（Inmarsat）是一個提供全球范圍內衛星移動通信的政府間合作機構，成立于1979年，初期旨在為海上用戶提供衛星通信服務，現已發展為世界上唯一為海陸空用戶提供全球衛星移動公眾通信和遇險安全通信的業務提供者。Inmarsat 支持的用戶服務在海事應用上包括直撥電話、傳真、電子郵件和數據連接；航空應用包括駕駛艙安全話音、數據、自動位置與狀態報告和直撥旅客電話；陸地應用包括微型衛星電話、傳真、數據和運輸上的雙向數據通信、位置報告、電子郵件和車隊管理等。Inmarsat 使用幾種不同的移動通信系統，通過一系列終端向用戶提供不同的服務，其中包括Inmarsat－A、C、B/M、Aero/Mini-M、F 等系統。

Inmarsat從1986年經過國際民航組織認證之后，開始提供航空的安全通信服務。其航空衛星通信系統與海上或地面移動衛星通信系統有明顯差異，例如飛機高速運動引起的多普勒效應比較嚴重、機載站高功率放大器的輸出功率和天線的增益受限，以及多徑衰落嚴重等。因此，在航空衛星通信系統設計中，采取了許多技術措施，如采用C類放大器提高全向有效輻射功率（EIRP）；采用相控陣天線，使天線自動指向衛星；采用前向糾錯編碼、比特交織、頻率校正和增大天線仰角，以改善多普勒頻移和多徑衰落的影響。

作為唯一一個經國際民航組織和國際海事組織批準的能夠在航空和海洋提供遇險安全服務的衛星通信系統，Inmarsat是唯一一個穩定運行三十多年的衛星移動通信系統，目前全球約有85％的民航飛機安裝的是海事衛星航空系統。但是，由于采用同步軌道衛星，無法覆蓋南北極的極點區域，對于飛行極地航線（如北京-華盛頓航線）的飛機大約有1個多小時的影響。

2.銥星通信系統介紹

銥星移動通信系統誕生于1998年，其星座包括66顆低軌道衛星，組成6個軌道的平面，包括了極地軌道，形成全球覆蓋。星上采用先進的數據處理和交換技術，并通過星際鏈路實現了衛星間的數據處理和交換。這種先進的技術實現了其全球只需要一個關口站即可實現衛星通信接續的全部過程。

目前，銥星的商用關口站設在美國亞利桑那州，主要在衛星和地面通信網之間提供中繼連接，并承擔管理銥星內部網絡節點和鏈路的功能。銥星在美國弗吉尼亞州設有衛星網絡運行中心，提供衛星網絡運行控制和支持服務。該系統的語音和數據工作在L頻段（1616-1625.5MHz），而星際鏈路、地面上行和下行鏈路則采用Ka頻段的頻率。

銥星系統最大的優勢是其良好的覆蓋性能，可達到全球覆蓋。極地軌道使得銥星系統可以在南北兩極提供暢通的通信服務。銥星系統是唯一可以實現在兩極通話的衛星通信系統，主要用來語音通信，數據速率僅為2.4kbit/s。但由于美國銥星公司和美國國防部的密切關系，使得銥星在部分國家和地區沒有開放服務。而在中國，由于銥星和中國北斗衛星導航系統頻率重疊，中國電信主管部門僅在航空的部分領域開放銥星系統，暫時允許同時在天上不超過30架次民航飛機飛行的特殊政策，以滿足西部地區甚高頻覆蓋不足的問題。

三、第四代海事衛星系統介紹

Inmarsat于2005年發布了第四代衛星通信網絡—BGAN。BGAN系統繼承了具備終端小巧、便于攜帶、操作簡單的特點，同時在系統設計上突破了以往系統基于電路交換的技術體制，其空間段依照3GPP技術體制設計，實現了強大的IP數據交換功能，是真正意義上的全球寬帶衛星傳輸網絡（覆蓋南、北緯78°以內）。作為新一代移動衛星寬帶系統，BGAN實現了單個信道可提供492kbit/s的數據傳輸速率，并借助先進的衛星信道保障帶寬技術，滿足各個行業的應用需求。

Inmarsat四代星采用了先進的點波束技術，每一顆衛星上有1個全球波束、19個寬點波束、193個窄點波束。先進的衛星星體技術使得衛星終端的體積較第三代終端體積減少了50％。特別是Inmarsat依據多年在應急通信領域的運營經驗，在四代星上創新性的實現星體通信資源的整合調配技術，可滿足在熱點區域衛星地面終端使用數量劇增的通信需求，并在汶川地震、海地地震、日本海嘯等多次重大事件中得到了應用。

2013年，第四代海事衛星地面站北京關口站建成并投入使用，同時，北京關口站是全球第三個四代星的關口站，也是唯一一個國家級關口站。按照我國電信法規要求，中國境內領空、領土、領海的所有四代海事衛星終端都將強制在北京關口站落地。該關口站的建成，為提供我國民航安全通信系統奠定了基礎。

★ 第四代星網絡結構示意圖

四、構建基于第四代海事衛星的航空安全通信系統

馬航MH370客機失聯事件，使得全球聚焦飛機的安全通信系統。目前為民航提供ACARS的系統主要通過甚高頻（VHF）和衛星通信。由于VHF的覆蓋范圍有限，衛星通信系統是作為VHF的有效補充。那么選用什么樣的衛星通信系統，對民航公司而言是個非常重要的選擇。

雖然Inmarsat為馬航MH370客機的搜索提供了很多數據，并同英國航空事故調查處（AAIB）依據海事衛星的信令信號進行了大量的分析，為搜索方位進行了預判。但是，由于此次馬航客機使用的是第三代海事衛星航空終端，該系統已經運行近20年，其航空終端工作在衛星的全球波束中，無法在系統中查詢到終端準確的位置信息，只能依據終端到衛星的延時及天線的姿態來進行判斷分析。

隨著全新的四代星航空系統穩定運行，基于此構建海事衛星航空安全系統，成為發展的必然趨勢。

第四代海事衛星航空安全通信系統，具備如下優勢：

1）由于每顆四代星有193個窄點波束，航空終端需要內置的GPS位置來定位工作點波速，每個點波束的覆蓋范圍在 200～800km2。

2）由于飛機穿越點波束的頻率較快，系統預設航空站每2分鐘發一次GPS位置，以確定工作的波束。這樣在地面站系統中將會保留所有的飛機位置信息。

3）北京海事衛星關口站的建成，為實現我國民航飛機的基于衛星的位置實時監控奠定了基礎。

★ 第四代北京關口站

4）四代星的業務能力有了極大的提升，保留三代星的功能，其數據傳輸能力有了大幅提升，單個信道的最高速率可以達到432kbit/s，極大地拓寬了數據傳輸的內容，可以實現實時電子飛行包（EFB）、氣象信息、飛機健康系統等更多的內容。

5）四代航空終端傳輸性能有了極大的提升，價格有了大幅的優惠。目前，據中國海事衛星運營商-北京船舶通信導航公司介紹，其衛星電話為1.1美元/分鐘；基于IP的數據傳輸為7美元每MB，如果采用套餐資費，還會有大幅的優惠。

6）目前，英國COBHAM公司的小型化四代星航空站已經和美國航天無線電通信公司（ARINC）推出了基于IP鏈路的ACARS數據鏈整體解決方案，極大降低航空公司的運行成本。

五、結束語

目前，我國民航飛機安裝的主要衛星通信設備依然為海事衛星三代星設備，作為一個已經使用近20年的系統，該系統已經無法滿足目前航空界日益快速發展的數據傳輸需求，也無法面對日趨嚴重的全球政治環境。目前，國際民航組織正在聯合Inmarsat、相關設備廠商、夏威夷航空公司等全面測試第四代海事衛星航空站傳輸尋址式自動相關監視（ADS-C）和未來空中導航系統（FANS）數據，并希望更多的航空公司參與測試。Inmarsat預計按照目前的工作計劃，四代星航空站將在2015年第二季度獲得安全通信認證，正式在民航飛機傳輸ADS-C和FANS安全數據。

基于北京第四代海事衛星關口站的航空安全通信系統的建立，不僅滿足更多的飛行數據傳輸，而且大幅降低了航空公司的運營成本，最重要的一點，它為飛機實現全球實時位置監控提供了全新的方式。