機上互聯網的發展與關鍵技術研究

王彥松 楊亮 李宗陽

0引言

2005年，空中客車公司宣布推出全球首個客艙“無線（Wi-Fi）網絡系統”，借助于“全球星”衛星通信系統，可實現高空上網。2007年，全球首個基于CDMA技術的地空寬帶系統也隨之問世，借助地面基站信號覆蓋高空航線，從而給飛行中的飛機提供無線接入數據帶寬，以實現高空上網。經過十幾年的發展，美國民航客機實現空地互聯上網的比例達85%，歐洲為50%，而中國國內普及率相對較低，截至2020年底，這一比例僅為5.73%。

1機上互聯網政策和背景

隨著無線通信技術的快速發展以及人民群眾對美好生活的向往，社會公眾對飛機上使用便攜式電子設備特別是使用手機進行實時通信、社交的需求越來越強烈。基于國際上對相關技術的研究和技術測試，中國民航局于2018年先后修訂以及發布了CCAR-121部第121.573條款和相應的咨詢通告，為機上開放PED使用提供了法規依據和指導，極大促進了國內航司、研究機構、設備廠家、運營商等對于機上網絡的投入和發展。

2019年全國民航工作會議上指出，推進空中接入互聯網工作取得更大成效，增加能夠提供客艙無線局域網服務和空中接入互聯網服務的航空器數量，豐富遠程航線無線網絡服務內容。

2021年民航局發布的“我為群眾辦實事”任務清單中重點提到要推進航空器客艙無線網絡服務。針對航空器無線網絡服務，民航局相關人士在5月例行新聞發布會上向媒體表示，目前，飛機上的無線網絡速率相對較慢，主要是受到通信技術體制限制原因。為解決此問題，民航局將會同國務院有關部門，通過將傳統衛星通信技術升級為高通量衛星通信技術；結合5G新基建，通過將空地（ATG）通信系統由4G升級為5G通信技術，以及優化現有網絡結構，增強網絡覆蓋三種主要方式，加快推進網絡基礎設施演進升級，有效提升通信速率。

伴隨著國內各種政策以及指導措施的出臺與落地，相應基礎設施建設加速推進，機上互聯網業務迎來了蓬勃發展。據《2020年民航業發展統計公報》顯示，截至2020年底，20家航空公司的654架飛機能夠為旅客提供客艙網絡服務，其中，11家航空公司的213架飛機同時具備了空中接入互聯網能力。相比2019年可提供客艙網絡服務的航司數量和飛機數量分別增加了33%和59%；可實現空中接入互聯網的航司數量和飛機數量分別增加了22%和5.4%。

2國內航司機上互聯發展現狀

國內各大航司很早就開始了對機上互聯解決方案以及相關生態運營進行了探索。國航從2011年開始試運營艙內無線局域網航班，并在2013年利用衛星通信系統實現了由“封閉”局域網到外部互聯網接入的跨越。2014年，東航推出空地互聯商業航班，利用亞太6號衛星實現空中互聯網實施接入。同年，南方航、海南航等也都開展了空中衛星上網測試飛行或推出過空中互聯網服務。幾年間，各航司在航空互聯網領域均進行了或多或少的測試和驗證，但限于可提供空中接入互聯網服務的基礎設施資源限制以及相關政策和指導措施不完善，均未能實現規模化裝機和商業運行。2018年開始，隨著機上手機開放使用，國內各種政策及指導措施的出臺與落地，相應基礎設施建設加速推進，國產高通量衛星機上互聯服務正式商用，5G ATG新基建方案強力出臺，3年間，各航司空中互聯網項目進入實質實施階段。

國航于2018年正式確定了機上網絡項目方案，以提升客戶體驗，增強整體競爭力為目標，采用具有自主知識產權的方案，分步實施艙內Wi-Fi 和空地互聯改裝。2019年3月，北京飛機維修工程有限公司（Ameco）完成國航首架空客A320飛機艙內Wi-Fi改裝，并取得CAAC 改裝設計批準，拉開了機隊改裝序幕。截至2021年3月，Ameco完成了包含空客A320、A330系列，波音777-300ER、737NG系列4個機型在內的全部360架飛機改裝。同時，Ameco也啟動了基于中星16的Ka波段衛星通信系統自主加裝方案的準備工作，并于2022年1月完成首架飛機改裝取證工作，此舉填補了國內自主加裝衛星通信系統方案的空白，為機隊規模化改裝實施奠定基礎。根據Ameco的經驗，窄體機實施艙內Wi-Fi改裝周期約3～5天，寬體機約7～10天；衛星通信系統改裝周期約10～15天。

東航自2014年首次推出基于亞太6號衛星的空客A330飛機空地互聯商業航班以來，陸續通過線裝引進、改裝等方式擴大其地空互聯機隊規模，其寬體機隊大部分飛機都實現了空中上網功能。近幾年，東航在平臺商業應用、運營管理、提升網絡服務質量等方面持續發力。2020年12月，東航與中國電信、均瑤集團共同成立了空地互聯網絡科技股份有限公司，專注于航空互聯網綜合解決方案。2021年8月底，經過對其波音777飛機進行軟硬件升級，并進行了測試飛行，成功地將飛機網絡切換至亞太6D高通量衛星，機上上網速度大幅提升，后續將完成全部地空互聯飛機的服務升級。

南方航于2014年開始，同樣基于亞太6號衛星開展驗證飛行，2016年正式開通互聯網商業航班，并開始進行艙內無線局域網測試與裝機，2017年開始規劃確定新飛機和存量飛機改裝方案，之后對其窄體機艙內無線局域網項目進行了項目招標。海南航也是較早開展機上網絡測試與研究的航司，目前有30多架飛機可提供空地互聯服務。2021年6月與騰訊、多尼卡共同成立了飛享互聯航空科技有限公司，專注于海航系600多架飛機空中互聯網運營，并開展了機隊艙內無線局域網加裝工作。另外，青島航、山航、川航等航司也紛紛開展機上網絡技術研究與測試工作。

3 改裝方案研究

典型的機上無線網絡包括兩部分內容：一部分是艙內無線網絡（Wi-Fi）系統，另一部分是用于實現機上互聯網接入的地空互聯系統，如圖1所示。其中，實現地空互聯的技術主要有衛星通信和空地（Air to Ground，ATG）通信兩種形式。國內主要設備供應商有多尼卡、中電科航電、飛天聯合等，國外供應商主要有Gogo、Kontron、Astronics、GEE、Viasat、Panasonic、Honeywell等。本文主要對民航飛機上加裝無線網絡系統的設計方案和適航審定方案的關鍵技術進行研究，鑒于衛星通訊系統的天線在尺寸和重量上均比ATG系統的天線大，加裝方案也較為復雜，本文將予以重點介紹。

3.1 艙內Wi-Fi系統

艙內Wi-Fi系統主要功能是為飛機客艙提供無線信號服務。典型的艙內Wi-Fi系統主要由服務器、無線接入點、控制與維護面板等設備組成。客艙中的乘客能通過個人手機、ipad、筆記本電腦等帶有Wi-Fi功能的便攜式電子設備接入客艙無線局域網，獲得音視頻點播、互動游戲、電子書閱讀等服務。同時，Wi-Fi 系統包括有4G天線，系統在地面具有4G通信功能。飛機在地面時可通過此功能更新小容量數據，如下載系統運行信息、常旅客信息、上傳新聞資訊等。

艙內Wi-Fi系統需要從飛機端獲取115V交流電源和28V直流電源，獲取離散信號和ARINC 429信號，通過軟件邏輯設置，如圖2所示，實現系統Wi-Fi信號開啟與關閉以及4G功能開啟與關閉的自動控制、PA廣播暫停等控制功能。

3.1.1網絡信號覆蓋測試

客艙內Wi-Fi信號的覆蓋范圍和強度直接影響到乘客使用，由于各機型客艙內環境不盡相同，為保障最佳體驗效果，除設備性能必須符合要求外，設計上必須合理確定無線接入點的安裝數量與安裝位置。

首先，根據單個無線接入點的信號覆蓋范圍、負載能力、客艙區域劃分，以及客艙內隔板、廁所等“障礙物”布局情況確定無線接入點的數量和初步安裝位置。然后，利用無線信號熱圖測試分析軟件，在機上進行測試。根據熱圖測試結果，對無線接入點的位置和方向進行微調，找到相對最優方案。在最終裝機完成后，利用和乘客數量相當的便攜式電子設備接入無線網絡，進行負載壓力測試，如圖3所示，對系統性能進行全面驗證。

3.1.2 在飛機上使用2.4GHz & 5GHz頻段的無線發射便攜式電子設備（T-PED）影響分析

根據中國民用航空規章CCAR-121.573條便攜式電子設備（PED）的條款規定、咨詢通告AC-121-FS-2018-129機上便攜式電子設備（PED）使用評估指南的總政策要求，以及CCAR-25部適航審定的相關要求，在飛機上加裝和使用無線網絡，需要從以下兩個方面評估對飛機的影響：無線網絡系統對規章要求的必須的飛機系統產生的干擾；便攜式電子設備的有意輻射或無意輻射對飛機系統的不利影響。

針對便攜式電子設備的有意輻射或無意輻射對飛機系統的不利影響，參考EASA Certification Memorandum CMES-003中要求，若加裝的無線網絡系統限制為在除II類和III類進近和著陸及低能見度起飛以外的飛行階段使用，則僅需評估飛機對便攜式電子設備的有意輻射的容忍度，無需評估飛機對便攜式電子設備的無意輻射的容忍度。由于在運行中對無線網絡系統的使用階段進行了限制，故只需要評估飛機對便攜式電子設備的有意輻射的容忍度。

EASA Certification Memorandum CM-ES-003中指出，驗證飛機對便攜式電子設備的有意輻射容忍有兩種方式：滿足EUROCAE ED-239/RTCA DO-307A Section 3要求或滿足EUROCAE ED-130A/RTCA DO-363 Section 6要求。

RTCA DO-363“機上移動電子設備使用指導”的相關分析流程圖如圖4所示。

根據分析流程，如果飛機滿足FULL HIRF要求，則滿足RTCA DO-363 Section 6要求，即滿足EASA Certification Memorandum CM-ES-003中飛機對便攜式電子設備的有意輻射容忍度的要求。如飛機不滿足FULL HIRF的要求，則需要按照流程進行進一步分析。

首先進行獨立系統評估，并對評估確定的系統進行飛機安全評估，評估現有的分析或測試數據。依據飛機不同等級設備及其安裝位置，根據OEM廠家規范要求確定其電磁抗擾性水平，結合飛機T-PED干擾場強，計算其受到 T-PED干擾的安全裕度，并篩選出不符合滿足要求的設備，通過進一步的分析，篩選出有關安全影響的設備且OEM廠家未對其進行T-PED兼容性評估的設備，即最終確定須在飛機上進行T-PED電磁兼容性測試的設備。

按照RTCA DO 363中要求，使用發射模擬器進行T-PED電磁防護機上試驗以驗證飛機對便攜式電子設備有意輻射的容忍度。

3.2 衛星通信系統

衛星通信系統主要功能是為飛機提供外部數據通信和互聯網接入。典型的衛星通信系統由機身天線（FMA）、變頻高功率放大器（BUC-HPA）、網絡數據組件（KANDU）、調制解調器（MODMAN）、飛機構型模塊（APM）等設備組成，如圖5所示。

3.2.1工作原理

需求端輸入的信息經過處理和編碼后，進入調制解調器對載波（中頻）進行調制；調制后的中頻信號經過變頻高功率放大器，將頻率變換至所需求的上行射頻頻率，并進行放大；經放大的信號饋送至機身天線發往衛星轉發器。衛星轉發器對所接受的上行信號提供足夠的增益，還將上行頻率變換為下行頻率，之后衛星轉發器發射天線將信號經下行鏈路送至接受地球站，從而實現空地數據通信。

3.2.2安裝方案

衛星通信系統機載設備從安裝位置和安裝環境角度，可分為艙內設備和艙外設備。艙內安裝的設備包括網絡數據組件、調制解調器、飛機構型模塊。艙外設備為機身天線和變頻高功率放大器。

系統設計方案：從飛機端取115V 400Hz交流電和28V直流電為系統設備提供電源與控制，通過ARINC429數據獲取飛機的位置、時間等信息，獲取飛機離散信號（空地信號），通過軟件邏輯，利用從飛機端獲取的信號實現衛星通訊系統射頻信號發射自動控制。

結構安裝方案：機身天線將安裝在機身頂部，安裝部件包括天線罩、轉接托盤、接頭、裙邊。變頻高功率放大器和機身天線將安裝在天線罩內部的安裝托盤上，如圖6所示。為符合強度要求，需要對天線安裝位置飛機結構進行加強，設計短梁和接頭。由于機身天線需要和艙內設備進行電氣連接，需要在機身蒙皮開口，設計補片對蒙皮開口處進行加強。適航審定方面需要對氣動分析、防冰、重量重心限制、穩定性、機動性和操縱性、氣動彈性等關鍵問題進行驗證。

4 結束語

目前國內航空互聯網相關政策已經開放，機載設備、安裝方案和適航審定技術日趨成熟，但普及率仍然較低。筆者認為主要有以下兩方面的原因：網絡方面，利用衛星通信的網絡帶寬有限，網速較慢，成本較高；相對衛星通信技術，空地通信（ATG）具有帶寬、成本等諸多優勢，但目前國內5G ATG網絡仍處在試驗階段，尚未啟動全國建設。初次加改裝以及后續運行成本較高，尚無清晰的商業模式，加之疫情影響，大部分航司在機上網絡部署上仍處于觀望和探索階段，無明確規模化實施計劃。但在民航局的大力推動下，無論是空地互聯網絡還是商業生態方面均取得了積極進展。亞太6D高通量Ku衛星成功發射并開始提供服務，衛星上網體驗大幅提升；5G ATG納入中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖，電信運營商開始啟動審批和基站建設規劃，網絡建成后將進一步提升空地通信帶寬，大大降低運行流量成本；中國衛通、中國電信、東航、海南航、騰訊等紛紛成立航空互聯網相關業務公司，積極開展商業模式和運營探索，并取得可喜進展。中國民航有3700多架客運飛機，民眾對美好飛行體驗需求強烈，市場潛力巨大，相信在民航局的引導和各產業鏈大力協作下，國內航空互聯網產業必將迎來蓬勃發展。

參考文獻

[1] 2020年民航業發展統計公報[Z].中國民用航空局，2021-6.

[2]中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖[Z].中國民用航空局，2021-4.

[3] RTCA DO-363 Guidance for the Development of Portable Electronic Devices （PED） Tolerance for Civil Aircraft[Z]. RTCA， Inc.， 2016-12.

作者簡介

王彥松，工程師，主要從事民用飛機客艙改裝電子電氣系統設計和適航審定。

楊亮，高級工程師，主要從事發動機和機隊運行管理。

李宗陽，主要從事飛機客艙產品市場營銷與客戶服務。

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