探討衛星通信系統在航空領域的應用

宋川川，姚雅雯

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇南京，210000）

1 衛星通信系統與航空領域概述

1.1 衛星通信系統概述

在現代社會的發展過程中，隨著人們生活水平的不斷提升以及國家的強烈需要，就對通信事業的發展產生了強烈的推動的作用，而隨著衛星的成功發射，更是直接將通信帶進了衛星通信時代，極大促進了通信事業的發展。衛星通信簡單地說就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信，其系統主要包括空間衛星系統、地面控制服務主站以及用戶終端等[1]。空間衛星系統主要指的通信衛星，用來實現信號接收和發射功能的專用衛星，現階段的通信衛星主要是利用同步軌道衛星，僅需三顆，就可以實現對地球全方位的覆蓋；地面控制服務主站主要包括衛星測控中心及相應的網絡控制中心、各類關口站等；用戶終端包括機載終端、車載終端、船載終端以及固定站等。

1.2 衛星通信系統的分類

在現階段的衛星通信系統發展過程中，根據相關不同的需要將其分為不同的類別，例如根據通信范圍可以分為全球通信衛星、國際衛星通信系統、區域衛星通信系統以及國內衛星通信系統等。而現階段的主流分類標準是按照通信軌道進行劃分。主要包括，低軌道衛星通信系統（LEO），即距地面500—2000Km的衛星構成的通信系統，傳輸時延和功耗都比較小，但是衛星的覆蓋范圍也較小，而且低軌系統的系統構成和控制復雜、具有很強的技術性，在建設和使用過程中耗費的資金也很多；然后是中軌道衛星通信系統（MEO），就是距地面2000—20000Km的衛星構成的通信系統，這種系統的延時相比低軌道系統較高，但是覆蓋范圍比較大，十幾顆衛星就能夠實現對地球的雙重覆蓋；最后就是高軌道衛星通信系統（GEO），是指距地面35800km的衛星構成的通信系統，即和地球保持同步靜止軌道，三顆高軌道衛星即可以實現全球覆蓋[2]，但是其存在較長的傳播時延和鏈路損耗，對通信存在一定的影響。

1.3 航空領域概述

航空領域包括三大部分即：航空制造業、軍用航空和、三種，本文著重介紹的是民用航空領域。民用航空包括航空運輸與通用航空兩大部分。顧名思義，航空運輸就是指提供航空客運和貨運的兩種業務內容，這種行業需要耗費大量的資金，并且需要借助先進的技術，所以一般由大型的企業負責開展，其是交通運輸業中的重要組成部分，對國民經濟的發展起到很大作用。通用航空則是指某些企業或個人自駕飛機從事的各種活動，也就是指部分愛好者利用小型飛機以及直升機進行的各種飛行業務和活動[3]，主要包括農用播種、滅蟲、空中攝影、駕駛員學習飛行、私家飛機等通用航空靈活機動，而且其用途涉及到諸多方面，在發達國家中已是大眾飛行的領域，在我國仍處于發展階段。

2 衛星通信的優勢

相較于傳統的通信方式來說，衛星通信具有很明顯的優勢，尤其是在航空領域的發展過程中，傳統的通信方式由于覆蓋面積和距離的限制，在航空通信中受到了很大的制約，但是通過衛星通信，就能在很大程度上避免地理因素和距離因素的影響，保證通信的效率和質量。

2.1 通信距離遠，且不受地理環境的影響

在航空事業的發展過程中，由于飛機的飛行高度一般較高，加上飛行距離較遠，就導致相關環境和通信距離對于通信的限制較大。傳統的通信方式依賴信號塔進行信號的傳遞，但是相較于飛機飛行的距離來說，明顯有所不足，而且飛機經行的區域很多會經過山地和丘陵，國際間的航空還會經過海洋，就很難進行相關基站的建立。利用專業的通信衛星，就能通過衛星進行信號的傳遞，最大傳輸距離可以達到18000千米，這對于航空來說具有明顯的優勢；而且傳統的通信隨著距離的增加通信費用也會增加，衛星通信則不會受距離的限制，也不會受到崎嶇地形的影響。

2.2 線路穩定，安全性強，承載量很大

在通信事業的發展過程中，由于航空領域業務的特性，傳統的通信手段會受到地形、距離以及氣候等因素的影響，通信質量上出現問題，影響通信效果。衛星的電磁波主要在大氣層外的空間進行信號的傳遞，相較于復雜的大氣層，外部的真空環境較為平穩，所以其在傳播過程中不會受到諸如山地、丘陵等地形的影響，安全性很強。現階段的衛星通信逐步升級，在承載量上也有很大的突破。

3 現階段衛星通信在航空領域存在的問題

衛星通信雖然具有無與倫比的優勢，但是也存在一些問題制約著其功能的發揮。首先就是高緯地區信號覆蓋難度大，所以還未實現信號的覆蓋；其次就是會受到宇宙現象的影響，如日凌、星蝕以及太陽風暴等，都會對衛星造成不同程度的影響；然后就是信號的延遲問題和回流干擾現象，衛星的信號存在半秒左右的延遲，對于高精度的航空領域來說具有一定的危險性；最后就是花費較大且存在很強的技術難度，無論是發射衛星還是衛星維護，都需要花費大量的資金，而且技術上難度很大[4]。這些問題的存在，一定程度上制約了衛星通信在航空領域的應用。

圖1

圖2

4 衛星通信系統在航空領域的應用

4.1 衛星通信在民用航空的應用

我國龐大的人口基數對于交通出行有著很大的需求，也由此推動了航空運輸的發展，截至2013年，我國的飛行人數已經達到3.8億人次，而且飛機的數量也將近2500多架，如今的客運量更是已經達到了4.5億人次，民航客機已經超過三千架[5]。這就需要相關部門加強航空通信能力，保證通信的質量和效率，C波段的衛星通信技術作為我國航空中的常用技術，就具有良好的通信能力。C波衛星通信技術由衛星通信PES與TES組成，是一款中速率的全數字的衛星通信系統。在全國范圍內由300多個航空機場衛星地球站串聯形成巨大的網絡體系，可以實現語音傳輸、雷達數據傳輸與檢測以及雷達信號的接收工作。我國的C波段的衛星通信網絡主要包括地球站、衛星通信轉發器以及綜合網絡控制中心等組成，分布廣泛，應用靈活，能夠在很大程度上方便航空通信

4.2 衛星通信在通用航空領域的運用

相較于民用航空運輸功能較為單一，通用航空領域在功能上就很復雜，且涉及到諸多行業，就是說衛星通信在通用航空方面的應用也較為復雜。在通用航空中，相關企業或者是個人通常將飛機運用在航空攝影、醫療救助、氣象探測、空中巡查以及農業方面的農藥的噴灑、空中施肥等。所以衛星通信也兼具了多種功能，應用在不同的方面。在航空攝影方面，衛星通信主要應用在信號以及圖片的傳遞，方便相關人員進行路線的規劃和拍攝內容的選擇；在醫療救助方面，借助衛星實時通信就能實現精準的定位，為空投物資提供目標。現階段常見的通信技術主要有KU波段的衛星通信技術，該技術相較于傳統的C波段的衛星通信技術不僅體積更小，通信更加精準，而且通信的速度明顯提升，規避了傳統航通通信存在的信號延遲現象。KU波段的衛星通信技術在航空中主要可以應用于多媒體業務的開展、視頻可視會議的組織開展以及管制熱線服務等多個方面。在現階段的發展過程中，其性能也在不斷地優化改良，KU波段衛星通信技術也成為了空管技術人員的一個新選擇，得到了更廣泛地使用。

4.3 在航空導航方面的應用

在航空事業的發展過程中，導航技術一直是航空發展的重要構成，良好的導航技術不僅能夠合理地規劃飛行路線，加快民航的工作效率，還能夠及時地解決航空飛行中出現問題之后的緊急降落問題，對航空的發展具有重要幫助。衛星通信技術作為一種通過衛星實時通信的一種技術手段，也就能充分地利用衛星實現實時的導航。兩者的結合能夠實現四個“國產化”的結合：將國產衛星導航系統、國產衛星導航地基增強系統、國產機載導航系統結合到國產民用大飛機的平臺上，為兩個事關國計民生的重大專項的融合發展具有里程碑意義。并且正式拉開了國產衛星導航系統在國產民用客機應用的序幕，開辟了國產民機導航系統新紀元。