相控陣天線在民航飛機衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)中的應用研究

李志明 覃金平 陳祥 吳飛

摘要：本項目以民航飛機對高速、寬帶、實時數(shù)據(jù)傳輸需求為導向，開展基于相控陣天線的民航飛機寬帶衛(wèi)星通信上網(wǎng)系統(tǒng)應用需求分析和機載寬帶衛(wèi)通系統(tǒng)架構設計，突破機載寬帶衛(wèi)星通信設備及相控陣天線關鍵技術、適航取證，實現(xiàn)機載寬帶衛(wèi)星通信設備及天線國產(chǎn)化，實現(xiàn)典型民航應用示范，為基于相控陣天線的民航飛機寬帶衛(wèi)星通信上網(wǎng)系統(tǒng)應用服務在民航領域的大規(guī)模推廣應用奠定技術基礎。

關鍵詞：飛機；相控陣天線；衛(wèi)星寬帶通信

Keywords：aircraft； phased array antenna； satellite broadband communication

0引言

隨著我國民用航空運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，航空公司對基于寬帶衛(wèi)星通信技術的飛機健康管理、飛行狀態(tài)實時監(jiān)控以及乘客寬帶通信等上網(wǎng)應用需求日益迫切。如何實現(xiàn)基于我國自主衛(wèi)星的民機機載寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)及設備國產(chǎn)化并實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信在民用航空領域的推廣應用及商業(yè)化運營是我們必須面對和解決的問題。然而，我國目前民航寬帶衛(wèi)星通信應用中的關鍵環(huán)節(jié)，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及設備等基本依賴國外。提升我國民機產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平及自主配套能力、有效保障國家航空信息傳輸安全、推動我國民航運輸業(yè)進一步發(fā)展、具備我國自主可控民機寬帶衛(wèi)星通信能力、確保我國航空信息傳輸安全，是我國從航空大國向航空強國發(fā)展的必然選擇。

1 項目意義

2021年4月，中國民用航空局發(fā)布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖》，其中提到將重點發(fā)展“新一代航空寬帶通信技術”。 該路線圖制定依托中國民用航空局正在組織編制的民航“十四五”發(fā)展規(guī)劃，將新基建作為“十四五”民航發(fā)展的重要抓手，使得未來新一代航空寬帶通信技術成為促進民航業(yè)數(shù)字化轉型、賦能“智慧民航”的核心技術。

基于我國自主衛(wèi)星系統(tǒng)的民航寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)迎來前所未有的市場契機和發(fā)展機遇。本項目基于我國自主研制的相控陣天線寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，開展自主可控的機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及設備研制，實現(xiàn)飛機健康數(shù)據(jù)及客艙寬帶數(shù)據(jù)的高速、可靠、實時傳輸，提高飛機飛行安全，提高飛機派遣率和運營效率、飛行狀態(tài)監(jiān)控及健康管理能力，提高旅客的乘機體驗。總之，開展基于相控陣天線機載寬帶衛(wèi)星通信技術研究，對于整體提升我國民機自主寬帶衛(wèi)星通信能力，打破國外技術壟斷，逐步擺脫受制于人的局面，推進我國航電產(chǎn)業(yè)發(fā)展、振興我國航空工業(yè)、實現(xiàn)我國的航空強國夢具有重要意義。

2 可行性分析

目前國際上廣泛采用的客艙衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)都是基于機械式天線，技術性能和經(jīng)濟性都不是很好。

從趨勢上來看，系統(tǒng)呈現(xiàn)集成化、小型化及低成本化發(fā)展趨勢；機載寬帶衛(wèi)星通信天線將逐漸向平面化、輕量化、低成本、高效率方向發(fā)展，以有源相控陣天線、可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列VICTS天線和液晶超材料天線為代表的低剖天線將成為機載衛(wèi)通天線的主流發(fā)展方向。

國外在傳統(tǒng)機械天線方面具有全面豐富的知識產(chǎn)權布局。相控陣天線方面，電科航電走在世界前列，申請了機載相控陣天線系統(tǒng)與算法方面多個專利，形成自主知識產(chǎn)權，避免了卡脖子風險。

南航機務系統(tǒng)由于強大的飛機改裝方案設計能力和豐富的飛機改裝實施經(jīng)驗，完成了多架飛機的客艙局域網(wǎng)和上網(wǎng)系統(tǒng)的加改裝工作，能夠設計并實施各種復雜的飛機改裝并實施。

基于南航機務系統(tǒng)對飛機衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)的技術需求，電科航電公司利用自身在飛機通信導航設備方面的專業(yè)技術背景，針對相控陣天線在民航飛機上網(wǎng)系統(tǒng)應用開展了研制工作。

3 設備研發(fā)

該項目主要完成了相控天線設備研發(fā)、飛機改裝和上網(wǎng)系統(tǒng)應用研究。

設備研發(fā)方面，機載寬帶衛(wèi)通天線是機載寬帶衛(wèi)通系統(tǒng)的重要組成部分，主要實現(xiàn)電磁波的輻射和接收。本項目針對中星十六寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，結合相關標準規(guī)范，開展機載寬帶衛(wèi)星通信相控陣天線研制，該相控陣天線系統(tǒng)主要由發(fā)射天線和接收天線構成，如圖1所示。

如圖1所示，機載衛(wèi)通相控陣發(fā)射天線利用電控相掃方式，將若干個帶有獨立通道的天線單元組成平面陣列。利用多通道的合成波束快速掃描，以滿足高速機動平臺點對點的衛(wèi)星通信需求。相控陣發(fā)射天線的工作過程為：當設備加電后，天線DC/DC電源模塊對天線各有源模塊供電；工作時，由調(diào)制解調(diào)單元送給天線的中頻信號經(jīng)過上變頻之后，進入波束形成網(wǎng)絡，完成第一級路功分，再由T組件完子陣級二級功分，將信號送入T組件的多個射頻通道，經(jīng)過移相、放大后，最后饋入天線單元，并向空間輻射，在預定方向形成波束，完成對衛(wèi)星上行鏈路的建立；反向鏈路與前述過程類似，天線接收信號經(jīng)移相、合成、放大后，形成中頻信號傳輸至調(diào)制解調(diào)單元。調(diào)制解調(diào)單元實現(xiàn)中頻-基帶變換、調(diào)制解調(diào)、編解碼、協(xié)議處理、接口與數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)監(jiān)控代理等功能。

通過系統(tǒng)研發(fā)和優(yōu)化，機載衛(wèi)通相控陣天線除了實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信功能外，還將實現(xiàn)如下特點：

（1）實現(xiàn)極短的天線切換時間（<100ms），并且能夠兼容高軌/低軌衛(wèi)星；

（2）天線具備極低剖面；

（3）安裝總重量相比機械天線明顯減輕；

（4）相比機械天線，大量減少風阻；

另外，為了利用KA衛(wèi)星實現(xiàn)飛機與地面的寬帶空地通訊功能，并滿足飛機高速運動的特性，以及實現(xiàn)大量旅客同時高速上網(wǎng)的需求，本項目研制的機載衛(wèi)通相控陣天線將具備如下的技術特性：

（1）工作頻段為Ka頻段：發(fā)射頻率為9.46GHz～30.0GHz，接收頻率18.7GHz～20.2GHz。

（2）終端可支持的最大工作速率：≥ 100mbps。

（3）可支持的最大飛行速度（對地速度）：1200km/h；

4 飛機改裝

4.1改裝方案設計

基于南航機務系統(tǒng)強大的改裝設計能力，南航機務系統(tǒng)將根據(jù)相控陣天線的KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)的技術特點，以及設備的技術參數(shù)，設計相應飛機的改裝方案。設計的改裝方案，需要滿足局方的適航審定要求，包括如下方面的研究。

（1）基于相控陣天線的KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)安裝位置；

（2）KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)設備安裝位置；

（3）系統(tǒng)服務器以及客艙無線接入點設備安裝位置；

（4）系統(tǒng)線路走向；

（5）飛機結構改裝；

（6）基于相控陣天線的KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)與飛機系統(tǒng)之間的相互干擾；

（7）旅客便攜式設備對飛機系統(tǒng)的影響。

最終的改裝方案將報局方審批并取得局方對改裝方案的STC批準。

4.2改裝實施

南航機務系統(tǒng)擁有非常豐富的飛機各類改裝實施經(jīng)驗，完成了多架飛機的客艙局域網(wǎng)和上網(wǎng)系統(tǒng)的加改裝工作。在取得局方認可的基礎上，南航機務系統(tǒng)在設計出改裝方案后，將派出改裝經(jīng)驗豐富的技術人員根據(jù)改裝方案進行飛機改裝。這個改裝項目將涉及如下方面的內(nèi)容：

（1）飛機上部蒙皮的結構改裝；

（2）安裝KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)天線；

（3）安裝KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)設備；

（4）安裝系統(tǒng)服務器以及客艙無線接入點設備；

（5）安裝系統(tǒng)電源跳開關；

（6）安裝系統(tǒng)控制開關以及維護接入口；

（7）安裝電壓和系統(tǒng)導線；

（8）進行系統(tǒng)功能測試以及電磁干擾測試；

（9）進行必要的T-PED測試。

在改裝過程中，將要對改裝涉及的區(qū)域進行大量設備的拆裝以接近改裝區(qū)域，而且改裝過程中可能遇到飛機實際構型與改裝方案不完全一致之處，及時將改裝現(xiàn)場遇到的問題反饋給方案設計工程師，確保及時對改裝方案進行修訂。

4.3改裝包的設計和生產(chǎn)

南航機務系統(tǒng)擁有豐富的模型設計、生產(chǎn)和部件取證能力，擁有上萬件自制PMA產(chǎn)品，完備的機上客艙局域網(wǎng)和上網(wǎng)系統(tǒng)的加改裝工作經(jīng)驗。在完成飛機改裝方案設計后，南航機務系統(tǒng)將根據(jù)改裝方案設計出飛機改裝所需的改裝包，并進行改裝包的生產(chǎn)。在改裝過程中，如遇到飛機實際構型與改裝包不完全一致之處，可及時反饋給改裝包設計工程師，以及時對改裝包的設計進行修訂，并迅速生產(chǎn)所需改裝材料。

5 應用分析

5.1 應用接口及機型范圍

基于機載寬帶衛(wèi)星通信相控陣天線系統(tǒng)能夠滿足面向機組、乘客、空管、機務、航空公司的應用需求，機載應用接口如圖2所示。

如圖3所示，面向空管和機組（飛行員）的應用主要與駕駛艙交聯(lián)，且安全級別較高；面向機組（乘務員）和乘客的應用主要與客艙系統(tǒng)交聯(lián)；面向機務和航空公司的應用主要與其他飛機系統(tǒng)交聯(lián)。這些應用的交互數(shù)據(jù)通過機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送到衛(wèi)星，經(jīng)由衛(wèi)星關口站傳輸?shù)降孛婀W(wǎng)和專網(wǎng)。

先進性方面，通過本項目研發(fā)，突破機載寬帶衛(wèi)星通信設備及天線相關行業(yè)規(guī)范和標準、適應機載條件下的傳輸體制、針對機載平臺高速運動下的波束切換等關鍵技術，形成自主知識產(chǎn)權，實現(xiàn)基于機載寬帶衛(wèi)星相控陣天線系統(tǒng)及設備的國產(chǎn)化研制，搭建系統(tǒng)集成測試驗證環(huán)境完成系統(tǒng)集成測試和演示驗證，提升我國機載寬帶衛(wèi)星通信設備及天線自主研發(fā)和綜合集成能力。本項目成果未來可應用于波音空客飛機的后改裝方面，同時在我國遠程寬體客機、C919改、ARJ21改等機型，創(chuàng)造巨大的社會效益和經(jīng)濟價值。

5.2 實現(xiàn)空地互聯(lián)

飛機上安裝基于相控陣天線的衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)后，將可以實現(xiàn)飛機與地面的空地通信，實現(xiàn)飛機與地面互聯(lián)網(wǎng)以及專有網(wǎng)絡進行連接。飛機上對于空地互聯(lián)的應用主要分為后艙應用和前艙應用。

后艙應用主要是滿足飛行航班旅客訪問互聯(lián)網(wǎng)的需求，在實現(xiàn)飛機可接入互聯(lián)網(wǎng)后，旅客將可以使用個人設備（如

電腦、手機、平板等）接入互聯(lián)網(wǎng)，同時基于相控陣天線上網(wǎng)系統(tǒng)提供的高帶寬互聯(lián)網(wǎng)連接能力，旅客可以在飛行航班上實現(xiàn)與地面的即時通訊、參加遠程會議、參與網(wǎng)絡游戲、進行網(wǎng)絡購物、瀏覽網(wǎng)絡視頻等活動。提升客戶體驗和上座率，滿足乘客對“美好飛行”的期望，有效增強高端客戶粘性和航空公司的市場競爭力。

而前艙應用是指在滿足局方安全規(guī)定的前提下，飛機空地連接之后，還可以實現(xiàn)飛機前艙與地面的數(shù)據(jù)和語音通信，如飛行氣象情報更新、航線通告實時更新、飛機實時狀態(tài)跟蹤、飛機位置跟蹤、飛機健康監(jiān)測以及空地聯(lián)合決策、飛機海量數(shù)據(jù)實時下傳、VoIP通話等。

6 結論

本項目基于電科航電公司的設備研發(fā)能力和南航機務系統(tǒng)的飛機改裝設計與實施能力，開發(fā)了在飛機上安裝使用基于相控陣天線的衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將飛機與地面網(wǎng)絡進行連接，并依據(jù)其提供的高帶寬連接，實現(xiàn)飛機前艙與后艙豐富的應用。開展基于相控陣天線機載寬帶衛(wèi)星通信技術研究，對于整體提升我國民機自主寬帶衛(wèi)星通信能力，打破國外技術壟斷，逐步擺脫受制于人的局面，推進我國航電產(chǎn)業(yè)發(fā)展、振興我國航空工業(yè)、實現(xiàn)我國的航空強國夢具有重要意義。