空間互聯網在航空領域的重點應用分析

譚元晧，張學軍，李雪緣

（北京航空航天大學電子信息工程學院,北京 100191）

隨著國內外低軌通信衛星星座系統迅速發展，空間互聯網因其具有全球覆蓋及高速寬帶穩定通信能力，成為當下的研究熱點[1?4]。近年來，美國已經開展空間互聯網星座建設的相關研究，相繼完成銥星二代星座部署，計劃并啟動OneWeb、Starlink等一系列空間互聯網星座建設[1]。為實現建設“航天強國”的目標，保護空間資源，促進相關產業發展，我國必須加緊建設屬于自己的空間互聯網系統?？臻g互聯網作為技術領域廣、工程難度大、資金需求多的重大工程，需要從應用角度出發，提出空間互聯網系統滿足應用需求的功能和技術要求，最終建成我國自主可控、性能可靠的空間互聯網系統。

1 空間互聯網的特點與發展現狀

空間互聯網是由各類在軌運行的飛行器、衛星及衛星星座等構成的空間信息處理及通信設施，各類地面站、核心網等相關地面基礎設施和各類應用系統融合構成寬窄結合、功能完備、異構互聯、安全可控、承載泛在業務和接入的天地一體高性能全球基礎設施。

它具有如下特點：一是全球覆蓋，能夠滿足遠洋、山區、兩極地區的覆蓋需要；二是容量大，在廣域覆蓋的基礎上滿足大范圍目標的海量連接需求；三是抗毀性好，受天氣、地理等條件影響小，遇突發情況能有效保障持續穩定的服務；最后則是小衛星多功能，單星研制周期短，促進快速起量的同時成本降低，便于一箭多星發射，功能模塊化、復合化，行業應用廣泛。

目前全球范圍內正在計劃部署空間互聯網星座的公司有將近30 家，部署衛星計劃也達2 萬顆以上[2]。以OneWeb、SpaceX 為代表的大規模低軌互聯網星座迅速發展，得到了產業界資本、運營商和用戶的廣泛關注。各國都在計劃和申請各自的衛星星座，搶占軌位和頻段，全力推進空間互聯網建設，同時各星座計劃均不同程度增加載荷類型，以增加實際的用戶數量和類型，以衛星組網通信為基礎的空間互聯網快速發展[1]。

國內近年來也在加緊提出自己的空間互聯網計劃，航天科技集團、航天科工集團正在推進我國自主研發的全球低軌衛星移動通信系統作為空間基礎設施；商業航天也開始起步，銀河星座、九天微星等均針對小衛星總體設計、星座組網設計以及衛星關鍵載荷研制等展開研究。2020 年4 月，國家發改委首次明確新型基礎設施的范圍，衛星互聯網被納入通信網絡基礎設施的范疇，空間互聯網建設進一步提速[1]。

十四五時期聚焦建設“航空強國”[1]，空間互聯網系統的建立將對航空運輸產業帶來極大的促進作用，依靠衛星平臺的優勢，通過合理規劃衛星軌道、構建衛星網絡，可以實現對全球空域高、中、低空100%的全覆蓋，實現航空器全球連續跟蹤監視，為大范圍航空用戶提供通信、導航、監視等信息服務，以形成安全、高效、智慧、協同的現代化空中交通管理體系[1]。本文針對空間互聯網在航空領域中航空通信、航空監視這兩方面的應用，對國內外發展現狀、應用需求與運行指標進行分析并對空間互聯網在航空領域的市場需求進行探討。

2 空間互聯網在航空領域的應用現狀

1）空間互聯網在航空通信方面的應用現狀。目前國際民航組織(ICAO,international civil aviation organization)下現有的航空衛星通信標準有：海事衛星(inmarsat)和銥星系統(iridium)。

海事衛星采用3 顆主用衛星加1 顆備用靜止衛星，具備為航空公司提供語音、數據、傳真等能力，可提供南北緯82 度以內的通信服務，其接收頻率 為1525.0～1559.0MHz、發送頻率為1626.5～1660.5MHz[3]。銥星系統66 顆衛星平均分布在6 個軌道面，每個軌道面11 顆衛星，包括南北極在內實現覆蓋無盲區，采用時分雙工模式，使用頻段1616～1626.5MHz，能夠提供核心話音和數據業務、高速數據業務，可應用于座艙話音/數據、飛機通信尋址和報告系統等[1]。

在空間互聯網下，航空通信要滿足全球實時通信覆蓋，并提供穩定、高速的寬帶數據服務，不受自然災害影響。其需要進入飛機前艙，具備L 波段的通信能力，支持4D 航跡、管制指令、航行情報及氣象等典型航空服務報文信息；同時，考慮到后艙娛樂等通信需求，適當考慮增加Ku、Ka 波段通信功能。

2）空間互聯網在航空監視方面的應用現狀。目前世界主要航空大國都在積極推進星基廣播式自動相關監視(ADS-B,automatic dependent surveillancebroadcast)系統建設發展，瞄準全球航空監視體系構建開展有關的關鍵技術攻關與測試驗證，并且主要技術架構、設備功能和應用形態初見成形[4]。

歐洲航天局最早在2013 年發射了集成ADS-B 1090ES 接收機的Proba-V 衛星，驗證了利用低軌衛星接收ADS-B 信號的可行性[2]。丹麥發射的GOMX-1 驗證了基于立方體衛星的星基ADS-B載荷可行性[2]。2019 年1 月銥星二代星座完成全部衛星的空間組網并開展試運行，構建起星基ADS-B 初步系統，這也是目前全球唯一的系統架構與指標都具備支撐空中交通管制，具有可持續服務能力的星基ADS-B 系統[2?4]。國內國防科技大學的“天拓三號”和上?？萍即髮W的“STU-2”號立方體衛星搭載ADS-B 接收機驗證了接收ADS-B 信號的可行性[1]。北京航空航天大學在2020 年11 月發射“北航空事衛星一號”，針對國內首個面向全球空管需求的星基ADS-B 載荷開展在軌技術驗證[1]。

總體來說，在空間互聯網下航空監視要求星基ADS-B 系統能夠：提供全球空域、持續無縫監視，滿足管制應用對數據連續性、完整性和系統可用性的要求，為后續大數據分析及基于該分析的軍民航應用提供完整場景；更好地支持航線規劃與航路優化，縮小航路間距；提高監視系統的精度和可靠性，提升安全性與飛行效率。

由于空間互聯網可以實現全球覆蓋，且能夠提供高速寬帶數據服務；因此，也可以在航空領域其他方面有所應用，包括導航增強、航空公司運行管理、通用航空運行、無人機管控等。本文主要就空間互聯網在航空領域最重要的航空通信和航空監視兩個應用需求展開分析。

3 空間互聯網在航空領域需求的進一步分析

3.1 航空通信

3.1.1 管制通信

2018 年中國民航運輸業全年運輸旅客6.1 億人次，同比增長10.9%，中國航空運輸市場需求旺盛[5]。未來20 年，年報預計中國航空市場將接收50 座以上客機9205 架[5]。到2038 年，中國的旅客周轉量將達到4.08 萬億km，占全球的21%，中國機隊規模將達到10344 架[5]。按照同時執飛航班數為總飛機數的60%計算，同時運行飛機約6000架。依據ICAO 目前Inmarsat 與Iridium 系統航空通信運行標準，若要保持現有管制通信能力，航空管制通信帶寬需求至少為1.2Gbps[1]。

當考慮未來空管運行方式的改變，如四維航跡運行，以及實時飛行事故記錄器等應用場景時，其大數據量對帶寬的要求將進一步提高。

3.1.2 后艙通信

在滿足管制通信的基礎上考慮加入航空后艙通信服務的需求，對于網絡瀏覽體驗，當速度低于150 kbps 時很難加載出瀏覽頁面，網速在200～600 kbps 時網頁瀏覽體驗會受到影響。如果后艙通信能夠超過600kbps，將會為用戶提供無縫網頁體驗。而針對在整個飛行過程中需要恒定的吞吐量的視頻流，考慮到視頻內容質量和屏幕尺寸等一系列指標，飛機上大多數可用的視頻內容需要具備800kbps 起的吞吐量才能使乘客獲得舒適的視頻體驗[6]。

根據機上互聯網服務的全球領先提供商GOGO 公司發布的全球旅客研究報告，有33%的旅客使用機上互聯網[7]。在民航局《全球航空業發展中值得關注的若干問題》中，2017 年全球航空運輸飛機日利用率達8.7h，平均座位數173 個，客座率達81%，與20 年前相比，分別增加了1h、11 個座位和12 個百分比[8]。結合中國商飛《2019—2038民用飛機中國市場預測年報》，2038 年同時運行飛機約6000 架[5]，假定每架飛機平均座位數200，客座率90%，綜合計算后，航空后艙娛樂帶寬需求將達到180Gbps。

3.2 航空監視

銥星二代系統是目前唯一系統架構與指標都具備支撐管制、可持續服務能力的星基ADS-B 系統，已經能夠支持部分空管運行。因此基于未來航空運輸業的運行要求，參考銥星ADS-B 系統的星座部署、載荷指標、運行情況等可以給出空間互聯網在航空監視領域需要滿足的總體需求，詳見表1[10]。

表1 參考“銥星”系統的空間互聯網監視性能指標

3.2.1 監視范圍

3.2.2 容量

目前，全世界共有運輸航空飛機25000 架左右，按照每年增長率5%計算，到2035 年全球運輸航空飛機約為5 萬架，按照60%的運行率計算，2035 年全球同時運行的飛機約3 萬架，為確保滿足2035 年全球監視需要，空間互聯網需支持全球范圍同時3 萬架飛機運行[8]。

此外，目前全球飛行密度最高區域為美國，空域內同時運行飛機最大可達4000 架，在當前的空域管理方式下4000 架飛機基本達到平衡狀態，空間互聯網系統下單顆衛星覆蓋面積略大于美國國土面積，因此空間互聯網系統單個載荷需支持典型高密度區域4000 架飛機同時運行[8]。

3.2.3 星地帶寬

按照3 萬架飛機同時運行，每個飛機最大的廣播速率約為6.2 條/s 估計，飛機采用上下天線交替廣播的方式工作，衛星只接收上天線廣播，約為3.1 條/s，因此系統容量要達到93000 條/s。按每條報文112bit 計算，同時下傳到地面的所需帶寬為26Mbps，按照10s 的刷新率計算為2.6Mbps，因此星地帶寬為2.6Mps（10s 刷新）[9]。

3.2.4 支持功率

表2[10]所示為標準DO-206B 規定的航空器發射機最低功率[9]，航空運輸器加裝的ADS-B 設備功率在125～500W 之間，商用航空實際功率均在250 W 以上；通用航空采用125W 功率?？臻g互聯網系統為保證對全球民用航空的覆蓋能力，載荷需要支持發射功率125W 及以上的航空器的監視。

表2 DO-260B 規定的最低功率

3.2.5 接收靈敏度

患者在藥師協作下制定家庭健康計劃，如戒煙計劃、肺康復計劃（有效排痰、呼吸肌鍛煉、肌肉鍛煉、營養支持、家庭氧療等）、飲食生活計劃（避免室內外空氣污染等誘因、飲食指導、運動注意事項等）以及教育患者關注的急性期癥狀（痰色變化、呼吸困難加重等）及處理措施（及時就診等），將具體步驟列在表中，囑咐患者在日常生活中記錄以上實際行為，以便藥師在下次隨訪時對比計劃與實際行為，對患者提出建議與激勵，從而提高患者依從性。

針對星基ADS-B 接收機，衛星與飛行器之間距離很遠，導致飛行器發出的ADS-B 報文到達衛星時信號微弱，ADS-B 接收機天線大小也有所限制，嚴重降低信號信噪比；同時繁忙空域內可能存在上千架飛機同時發射信號，存在大量交織信號，需要星基ADS-B 接收機的靈敏度、解碼率等性能滿足運行需求[10]。

現假設飛機與衛星最近距離為RMin=1000 km，載波頻率為Fc=1090MHz，信道損失計算公式為

式中：R單位為km，Fc單位為MHz。可以計算得到最低信道損失為153dB；最大距離為RMax=3707 km。按上述公式計算得到的最高信道損失為164dB。

4 空間互聯網在航空領域的市場需求分析

4.1 民航方面

空間互聯網將為航空公司提供運行控制服務，包含通信、導航、監視以及為旅客、AOC、ATC 提供服務包括以下幾點：1）建造衛星寬帶和地空寬帶，構造空天一體化實時通信網絡；2）配備導航增強系統，提高完好性；3）將ADS-B 模塊嵌入衛星，建設星基ADS-B 系統，提供全球覆蓋的監視功能；4）還可以為AOC、ATC、旅客提供相關的增值服務，如機上互聯網等。

航空公司可實現每架飛機與運行簽派、機務維修、旅客服務、應急救援以及航空公司認為必要的其他部門之間實時的通信聯系，建立空地協同的航空多業務支持平臺，實現“天臨空地一體化”多種通信服務。

4.2 通航與無人機方面

空間互聯網可與鄰近空間飛行器綜合組網，實現地空空域的有效監測，為通航提供融合服務，包含：1）飛行訓練和自由飛行；2）地面監控指揮；3）區域無線電定位和監控；4）飛行器位置實時廣播；5）空中交通管制對點語音、群組語音指揮；6）飛行情報服務和飛行氣象服務等。

目前無人機大多采用地面指揮控制，對于飛行距離、定位、監視等方面的控制是有限度的。通過全球覆蓋的空間互聯網可以為無人機提供實時精確的的數據通信、導航和監視功能，擴大無人機工作范圍和工作精度、優化無人機的工作路徑。

我國民航行業近年來發展穩中有進，主要運輸指標持續平穩增長。隨著加強通航機場建設、擴大低空空域開放等措施相繼提出，通航與無人機產業在未來一段時期內也將持續保持良好的發展勢頭?？臻g互聯網未來市場占有率巨大。

5 總結與展望

隨著全球航空器數量的迅猛增長，對航空安全、航空管理、空中高速通信等需求的不斷增加，現有以陸基為主的空管系統弊端凸顯。空間互聯網作為由航空通信、導航、監視和自動化等技術綜合集成構成的復雜系統，能夠為航空飛行和航空管理提供集成性的參數信息與數據傳輸，將成為未來應用的主流系統。

未來空間互聯網系統一方面將向復合化載荷發展，以航空領域應用為例，載荷上將承載空管業務相關的通信、導航、監視功能，但各應用由于用途不同，其傳輸數據的需求量存在較大差距，難以用統一標準衡量，因此需開展對應的復合化載荷技術研究，以實現不同功能在載荷上的應用。另一方面，衛星與地面網絡將進一步融合已成為業界廣泛認同的發展方向，因此利用多種軌道及不同功能的星座構建星座與地面網融合的綜合服務網絡，形成天地互補、不同星座互補，以實現一體化綜合性服務。