機載衛星通信發展現狀與應用探索

文│高鑫 劉曉濱 郭辰陽

1.北京航天控制儀器研究所

2.國家發展和改革委員會國際合作中心

3.國家低空經濟融合創新研究中心

一、引言

隨著經貿往來的頻繁與交流合作的增多，民航運輸業得到長足的發展，航空出行已呈現大眾化趨勢。由于移動電子設備與即時通信工具的普及應用，人們已習慣于隨時隨地訪問互聯網，在旅程中對航空客艙寬帶業務需求強烈。與此同時，低空空域管理改革試點不斷推進，通用航空業進入快速發展階段，發展潛能得到釋放，承擔突發事件處置與公益性服務的飛行架次顯著增加。在依托通用航空器執行森林防火、災害防治、醫療救護、遙感測繪等任務時，相關指揮機構與現場人員對機載應急通信需求迫切，以達到提高指揮調度反應速度，增強公共安全保障能力，維護社會安全穩定等預期目標。

空中仍然是一座信息孤島，難以利用陸地移動通信網絡實現空中全覆蓋，可利用衛星通信解決航空通信的問題。通過加裝衛星地球站，實現機載環境的實時通信，告別“航程信息孤島”的現狀。衛星通信是利用人造地球衛星作為空間中繼站來轉發無線電信號，在兩個或多個地球站之間進行信息交換的通信方式。衛星通信因具有傳輸距離遠、覆蓋范圍廣、不受地形地貌限制等優點，其終端只要在通信衛星的波束覆蓋范圍內即可與遠端站進行信息交換，解決陸地網絡無法覆蓋區域的通信需求。

本文介紹了機載衛星通信及其在空中交通管理、客艙Wi-Fi 服務、應急救援等領域的國內外應用現狀。探索我國在中低軌高通量衛星星座、衛星互聯網等場景下，可開展的新型機載衛星通信應用。根據中低軌衛星星座、衛星互聯網的低時延、信號增益強、動態性強等特點，探索我國可開展的機載衛星通信“互聯網+”、位置服務、多頻段一體化等新應用，促進機載衛星通信產業的新發展。

二、機載衛星通信簡介

機載衛星通信網由空間段、地面段、用戶端組成，空間段為不同軌道的通信衛星，地面段包括中心站、信關站、測控站等，用戶段分為駕駛艙型、客艙型、通用航空型等三類機載衛星地球站（簡稱機載站）。駕駛艙型機載站接入衛星移動通信網，通常使用L 頻段，以傳輸空中交通管理、飛行監測等窄帶信息為主要業務，實現與空管中心的信令交互?？团撔蜋C載站接入高通量衛星通信網，使用Ka/Ku 頻段，通過信關站接入互聯網。通用航空型機載站接入寬帶專用衛星通信網，主要使用Ku 頻段，承擔自然災害、事故災難、醫療救護等突發事件處置的應急通信任務。

機載站通常由天線單元、射頻設備單元、信道設備單元、終端接口設備單元、監控顯示設備單元等組成，如圖1所示。駕駛艙型機載站由于速率較低，可采用全向天線單元，而客艙型和通用航空型機載站應具有低輪廓特征，以減少對飛機空氣阻力的影響。信道設備單元與船/車載衛星移動地球站有所不同，應具備應對天線單元口徑受限、功率受限、多普勒效應、信道衰落等影響因素的能力，在復雜無線通信信道下實現低信噪比條件的信息接收能力。此外，適用于旋翼機的信道設備單元還需解決旋翼間歇性遮擋問題。

圖1 機載衛星地球站的組成單元

三、機載衛星通信國內外應用現狀

1.空中交通管理領域應用現狀

目前世界各國主要利用國際移動衛星公司（Inmarsat）第四代衛星通信網（BGAN）、銥衛星通信網提供空中交通管理服務。BGAN 通過提供Classic Aero、Swift-64、Swift-Broadband（SBB） 等服務來支持駕駛艙內語音、傳真和數據通信的高安全級別通信。“下一代銥衛星”通信網支持星載廣播式自動相關監視（ADS-B）功能，提供全球范圍的民航客機追蹤服務。美國霍尼韋爾公司推出可接入銥衛星通信網的駕駛艙型機載站Aspire 300，其提供的駕駛艙語音和安全服務已獲得國際民航組織批準。Aspire 300 的體積比其他型號小75%，天線單元尺寸小90%。Garmin 國際公司推出的一款高4 英寸、寬2 英寸、重3.5 盎司的駕駛艙型機載站，可在全球任何地點接入銥衛星通信網。

2.客艙Wi-Fi 服務領域應用現狀

在民航客機中，客艙型機載站作為與互聯網連接的邊界節點，通過終端接口設備連接客艙內部Wi-Fi 設備，為旅客提供互聯網接入服務。目前，客艙型機載站已向Ku 頻段、Ka 頻段發展，具有高速率、高通量、支持星間漫游等特點。近年來，Inmarsat“全球快訊”、國際通信衛星公司（Intelsat）Epic NG、衛訊-1、衛訊-2、亞太6D 等國內外多個高通量衛星通信網陸續開通運營。與此同時，衛星通信運營商之間已簽署漫游接入服務協議，允許所屬衛星地球站的網間漫游。這些因素可實現衛星通信波束對民航客機航線的全程無縫覆蓋，為基于衛星通信向民航客艙提供Wi-Fi 服務的大規模應用創造了便利條件。

美國霍尼韋爾公司作為世界主要客艙型機載站的供應商，擁有JetWave 機載站系列產品。JetWave MCS-8200 型號支持“全球快訊”機載衛星通信業務，提供高速率、全球無縫覆蓋的客艙Wi-Fi 服務，旅客在機上可享受與陸地寬帶網絡相媲美的服務品質，已在德國漢莎航空、新西蘭航空、新加坡航空等多家航空公司的民航客機中應用。JetWave MCS-8420 型號可連接中國的Ka 頻段高通量衛星通信網，在國內多家航空公司進行應用，最高下行速率為180Mbit/s。

法國泰勒斯公司、日本松下航空電子公司等同樣開啟機載寬帶衛星通信的應用。2019 年，泰勒斯公司與歐洲衛星公司（SES）合作，成功地在SES公司高通量通信衛星和O3b 中軌道高通量通信衛星之間進行多軌道衛星波束無縫切換，在灣流公司的G-3 飛機上實現高質量、穩定的4K 視頻流、電子商務交易、互動游戲和網絡瀏覽等應用，最高下行速率可達265Mbit/s。日本松下航空電子公司推出“eXConnect”機載Wi-Fi 系統，利用Ku 頻段通信衛星提供互聯網接入服務，目前已在中國東方航空航班安裝應用。

近年來，我國空間基礎設施逐漸完善，中星十六號、亞太6D 高通量衛星通信網已投入運營，已經具備利用我國自主研制的高通量通信衛星提供客艙Wi-Fi 服務應用的條件。2020 年7 月，中國首架高速衛星互聯網飛機——青島航空QW9771 航班首航成功，機上搭載中國衛通基于中星十六號的客艙型機載站。2021 年9 月，中國電科航空電子公司發布國內首款基于相控陣天線單元的Ka 頻段客艙型機載站，最高下行速率超過100Mbit/s，支持視頻會議、VoIP、實時文件傳輸等空地互聯應用。與傳統機械天線相比，該型號機載地球站總重量減輕50%、高度降低80%，氣動阻力降低80%，未來可適用于衛星互聯網，具有廣闊應用前景。

3.應急救援領域應用現狀

航空應急救援作為一種應對社會突發事件的常用處置手段，已經成為世界許多國家應急救援體系的重要組成部分和主要救援力量。機載衛星通信在航空應急救援領域已得到一定規模的應用，有助于提升應急事件處置部門事前預警、事中決策、事后評估的能力。應急救援型航空器通過加裝衛星地球站，可建立與指揮中心的超視距寬帶通信鏈路，實現現場圖像向指揮中心的實時回傳以及與指揮中心的信息交互，進一步發揮航空應急救援響應速度快、機動能力強、救援范圍廣等優勢。

應急救援型航空器在國內森林消防、地質災害監測、抗震救災、空中交通巡視等突發事件的處置中均發揮重要作用，依托機載站構建空中應急通信平臺，將合成孔徑雷達、光電吊艙、高清攝像機采集的現場偵察信息，通過機載站回傳至指揮中心，為突發事件處置提供有力保障。星展測控作為國內直升機機載站的主要供應商，可安裝在歐直EC130系列、空客小松鼠、貝爾407 等型號直升機，采用Ku 頻段平板波導喇叭陣列天線，最高上下行速率均為4Mbit/s，在2021 年衢州市開化縣池淮鎮森林火災、2019 年山西省長治市森林火災、2019 年云南省大理州森林火災等森林消防災情偵察中得到實戰應用。我國大型無人機已多次參與應急救援任務，利用衛星通信搭建空中應急中繼通信平臺，例如彩虹-4 無人機為四川涼山木里森林火災、云南地質災害監測等事件處置提供信息回傳，翼龍-2H 應急救災型無人機在2021 年7 月為河南省鞏義市米河鎮受災地區提供移動通信信號覆蓋。彩虹-4 無人機搭載的Ku 頻段機載站，天線單元為低剖面反射面天線，采用INS/GNSS 組合導航+衛星信標極值跟蹤的組合跟蹤策略，最高上下行速率均為8Mbit/s。

四、我國機載衛星通信應用探索

我國未來將逐漸完善中低軌高通量衛星星座、衛星互聯網等新型空間信息基礎設施，形成地球靜止軌道（GEO）衛星通信與中低軌衛星通信共同發展的格局。在開展傳統機載衛星應用的同時，根據中低軌衛星星座、衛星互聯網的低時延、信號增益強、動態性強等特點，進一步拓展機載衛星通信的應用場景，探索機載衛星通信的“互聯網+”、位置服務、多頻段一體化等新應用，促進機載衛星通信產業的新發展。

1.“互聯網+”應用

中低軌高通量衛星星座具有通信鏈路時延短、信號增益強、通信容量高等優點，適用于對時延要求較為嚴格的應用場景，可將“互聯網+”應用場景拓展至機載環境，實現5G 移動通信的空地一體化應用。但也存在可見波束覆蓋時間短、多普勒效應較為嚴重、波束跟蹤與切換較為頻繁等缺點。

由于中低軌通信衛星的動態性較大，傳統機械式衛星天線單元動態跟蹤范圍受限，難以有效執行波束切換，存在因波束切換而導致通信鏈路中斷的問題，無法在機載領域進行應用。二維相控陣衛星天線單元采用電子波束掃描跟蹤方式，具有跟蹤速度快、輪廓低、體積小、無機械慣性等優點，已逐步成為機載衛星通信的解決方案。機載二維相控陣衛星天線單元可解決多波束切換管理、多星信號靈活接收以及GEO 衛星通信網與中低軌衛星通信網的網間切換等問題，未來可滿足在不同軌道衛星通信網之間的漫游應用需求。

中低軌高通量衛星通信能夠帶動沉浸式業務、實時業務、互動式業務在機載環境的推廣應用，將陸地5G 應用場景拓展至民航客機客艙內部，實現虛擬現實（VR）、人工智能（AI）、大數據等現代信息技術與機載衛星通信的融合應用。在客艙Wi-Fi 服務領域，中低軌高通量衛星通信能夠使旅客享受在線直播、線上觀展、沉浸式VR 直播、VR沉浸式互動游戲等娛樂活動所帶來的視聽盛宴，豐富旅客的精神文化生活，避免長時間旅途所引起的精神疲勞。在公共衛生領域，開展機載遠程醫療應用，實現智慧診療與衛星通信的融合應用。利用衛星通信搭建救護現場與后方診療中心的生命通道，在航空轉運途中即可實施遠程會診與救治，進一步發揮航空醫療救護的時效優勢，完善航空醫療救護體系，提高救治效率。

2.位置服務應用

航空搜救在搜救過程中需實時掌握搜救區域和飛機自身的位置信息，將搜救現場圖像和位置信息利用機載站回傳至指揮中心。由于衛星導航系統具有接收功率較低、抗干擾能力差等天然脆弱性，導致在山區、峽谷等低空區域內以及復雜電磁環境下可能無法提供定位服務，制約其在特殊場景的航空搜救能力。積極探索基于高通量低軌衛星星座的衛星通信導航融合應用，有效提升衛星導航系統拒止場景的航空搜救能力，有助于指揮機構實時監控搜救區域的動態信息，及時掌握總體態勢發展情況，以便快速、準確地做出評估與決策。在低軌衛星通信系統中，機載站的信道單元設備利用單音信號提取多普勒頻移，實現自身定位，除支持衛星通信功能外，還具有不依賴于衛星導航系統的定位功能，形成位置服務的新應用形態。

機載衛星通信導航的融合應用有助于擺脫對衛星導航系統的過度依賴，有效應對定位服務可用性、可靠性所面臨的潛在威脅，增強對各類任務變化的適應能力，提升在衛星導航系統故障、電磁干擾、復雜區域等情況下的搜救能力。

3.多頻段一體化應用

針對未來低軌通信衛星可搭載支持ADS-B 載荷的特點，探索融合L/S 頻段窄帶空中交通管理業務與Ku/Ka 寬帶數據業務融合的多頻段一體化機載衛星通信應用，未來可適用于航空應急救援應用場景。通過在應急救援型通用航空器搭載多頻段一體化機載站，實現窄帶駕駛艙型機載站與寬帶通用航空型機載站的融合，解決應急救援型通用航空器安裝空間、載荷重量、功耗等受限問題，實現單個機載站可同時接入不同衛星通信網的應用。多頻段一體化機載站利用窄帶通信鏈路傳輸空中交通管理、語音、飛機健康監測等數據，利用寬帶通信鏈路傳輸現場偵察圖像、遙感圖像等信息。

多頻段一體化機載衛星通信在保障航空器安全飛行的基礎上，進一步發揮航空應急救援機動性強的特點，同時借助人工智能、大數據、圖像識別等智慧技術，實現對救援現場的實時研判，提高突發事件的處置效率。多頻段一體化機載衛星通信將帶動航空應急救援的深入發展，促進其在具有自主知識產權的AC 系列直升機、大中型無人機、大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機AG600 等通用航空器的應用，有效提升我國處置應急救援、海上搜救、醫療救護等突發事件的綜合救援保障能力。

五、結論

隨著全球各類窄帶、高通量衛星通信系統的開通運營，機載衛星通信在空中交通管理、客艙Wi-Fi 服務、災害防治、應急救援、醫療救護等領域得到大量應用，改善“航程信息孤島”的現狀。在我國空間基礎設施不斷完善的背景下，探索我國機載衛星通信在中低軌衛星星座、衛星互聯網場景下的“互聯網+”、位置服務、多頻段一體化等新應用以及與大數據、虛擬現實、人工智能等智慧技術的融合應用，豐富機載衛星通信的應用領域與應用場景，可適應未來相關行業的應用需求。

未來在發展機載衛星通信時，應加強機載站標準化與適航認證工作，明確每款機載站的功能與性能指標。以民航客機、專用直升機、大中型無人機的機載站作為重點方向，規范機載站的尺寸重量、材料質量、生產工藝、數據接口、環境實驗、電磁兼容、搭載安裝方式、維護保養等具體技術要求，解決機載站專業化和通用化的問題，實現即插即用，為機載站的大規模應用創造條件。