衛(wèi)星通信在航空互聯(lián)網(wǎng)中的應用

文｜何文婷 段啟云 時紫劍 毛孝峰

星航互聯(lián)（北京）科技有限公司

一、引言

在航空領域為乘客提供機上通信服務已逐漸成為流行趨勢，不論在地面還是在空中，大多數(shù)乘客都希望能保持互聯(lián)網(wǎng)的連接。到目前為止，航空互聯(lián)網(wǎng)的連接方式主要有三種：地空通信（ATG）、衛(wèi)星通信以及混合式通信（同時使用ATG 和衛(wèi)星通信）。而衛(wèi)星通信在全球覆蓋、服務可靠性等方面具有相對優(yōu)勢，對于跨洋航線也可以使飛機保持無縫連接，因此衛(wèi)星通信成為航空公司提供航空互聯(lián)網(wǎng)服務的主流選擇。

二、航空互聯(lián)網(wǎng)所用衛(wèi)星演進過程

1. 頻率使用及特點

衛(wèi)星通信在航空領域的應用按工作頻段可分為L 頻段、Ku 頻段和Ka 頻段。在世界范圍內(nèi)，無線電頻譜的使用均由國際電信聯(lián)盟（ITU）管理分配。

在機載通信領域，L 頻段的移動衛(wèi)星通信服務第一個進入航空市場，其主要優(yōu)點在于其全球覆蓋和高可靠性，然而缺點在于數(shù)據(jù)速率低和服務價格高，目前在航空領域L 頻段主要定位于低數(shù)據(jù)速率服務。由于L 頻段可提供的帶寬有限，到目前為止，機載衛(wèi)星通信服務主要是通過Ku 頻段提供的。而Ku 頻段普遍存在剩余頻譜資源有限的問題，其中Ku頻段大波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)還有區(qū)域覆蓋的劣勢，提供航空互聯(lián)網(wǎng)服務的提供商需要從不同的衛(wèi)星或不同的運營商租用容量來建立網(wǎng)絡，整體來說會導致通信系統(tǒng)功能、性能存在差異，也會存在頻繁的波束切換，可能會造成用戶業(yè)務中斷。其實對于Ku/Ka高通量衛(wèi)星系統(tǒng)來說也是如此，其窄點波束架構能夠提供更高的容量，卻導致了覆蓋范圍減小。

根據(jù)歐洲咨詢報告，航空互聯(lián)網(wǎng)用戶體驗對帶寬預估值為[1]：

最小的瀏覽帶寬：250kbit/s

可接受的瀏覽帶寬：500kbit/s

流暢的瀏覽帶寬：1Mbit/s

可接受的低質(zhì)量視頻流帶寬：500kbit/s

高清晰度視頻流期望值：不少于1.1Mbit/s單獨看每個航空互聯(lián)網(wǎng)用戶體驗對帶寬的預估值并不是很難滿足，但實際上對于單架飛機而言，航班所有乘客共享一個衛(wèi)星通信終端的容量，而運輸航空窄體機載客量為100～200 人，寬體機載客量在300 人以上。2021 年一架寬體飛機平均在中/長途航班中消耗約18GB 流量，其中大多數(shù)需求都來自視頻流，在航程中，當多個用戶播放視頻時，流量的需求會急劇增加。此外，對于衛(wèi)星運營商而言，所設計和發(fā)射運營的衛(wèi)星通常業(yè)務類型廣泛，每個波束只有部分容量會分配給航空業(yè)務，同一波束中同樣存在多個航班的并發(fā)，隨著航空互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的飛機裝備機載通信設備，采用同一連接平臺的飛機則需共享特定波束中的可用容量。因此，對于高業(yè)務流量地區(qū)，衛(wèi)星系統(tǒng)常存在覆蓋不全、帶寬不足的問題，國內(nèi)90%以上的航線分布在中國東南部區(qū)域，東南部區(qū)域?qū)τ趲挼男枨笠哺摺．斎缓娇栈ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務對于衛(wèi)星帶寬的容量需求實際有多方面的影響因素，例如定價策略、服務等級等，包括是否有額外的帶寬。因此，對于寬帶衛(wèi)星的未來規(guī)劃設計方面，需要綜合考慮覆蓋區(qū)域和吞吐量之間的關系。

2. 國外發(fā)展情況

在過去的幾十年里，L 頻段在航空領域的應用主要是導航系統(tǒng)、無線電通信、空中交通管制、雷達系統(tǒng)，在提供飛機位置、速度、航向信息和航空公司、飛行員之間的通信服務上有著重要作用。在1960—2020 年間，從L 頻段被引入航空通信，成為飛行員與航空公司之間通信的主要頻段開始，到L頻段通過持續(xù)改進和擴大，在飛行員與航空公司之間提供了更多的數(shù)據(jù)通信業(yè)務，如飛行計劃、氣象數(shù)據(jù)、飛行數(shù)據(jù)等，受到L 頻段本身的速率低和價格高的影響，其本身并沒有用于互聯(lián)網(wǎng)服務的案例。雖然窄帶Classic Aero 通信服務目前也正在向?qū)拵B-B、SB 通信服務過渡，但三者在頻段上殊途同歸，SB-B、SB 通信服務最大帶寬僅為數(shù)百千赫茲，無法完全滿足航空互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務需求。

由于Ku 和Ka 頻段的高通量衛(wèi)星可為飛機提供更大的帶寬，且用戶體驗更好，因此高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡應用發(fā)展勢頭更強勁，其中Ka 頻段高通量衛(wèi)星有更多可用頻譜資源，每MB 的成本要低于Ku HTS 系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率更高，Ka 衛(wèi)星通信必將成為未來航空互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的主流選擇，預計未來十年內(nèi)，航空互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的Ka 頻段容量將超過Ku 頻段。目前在國際上，工作在Ka、Ku 頻段的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有Viasat Ka、Inmarsat GX Ka、Panasonic Ku、GEE ROW44 Ku、GOGO Ka/Ku 等。經(jīng)過2021年機載通信市場的大規(guī)模并購，Intelsat、Anuvu 等主要服務提供商成功從重組中脫穎而出。在全球范圍內(nèi)，Intelsat 作為領先的服務提供商通過新收購GOGO 拿到了全球29%的機載通信市場，主要為商業(yè)航空公司客戶提供Ku 頻段和ATG（僅在北美）的機載通信解決方案。Panasonic 在2021 年度占據(jù)25%的機載通信市場。Viasat 在美國為其排名前五的航空公司（包括JetBlue、United、American、Delta 和Southwest）提供機載通信服務，在2021 年Viasat 占據(jù)機載通信市場的18%（含增值服務）。Inmarsat 為機載通信領域提供ATG、L 頻段和Ka 頻段多種解決方案，在2021 年，Inmarsat 的總市場份額為14%（含增值服務）。Anuvu 經(jīng)過金融重組后，成為領先的機載通信服務提供商，截至2021 財年，Anuvu 的總市場份額為11%[1-2]。

越來越多的運營商計劃發(fā)射HTS 系統(tǒng)以覆蓋最繁忙的航線，在未來三年內(nèi)，預計重點關注航空市場的HTS 系統(tǒng)包括Inmarsat-6 F2，Inmarsat-7F1/F2/F3，Eutelsat-10B，Viasat-3（ 艦 隊） 和Anuvu-1、2 等。

目前，全世界的衛(wèi)星運營商提供的在軌及未來規(guī)劃的非地球同步軌道衛(wèi)星（NGSO）星座和地球同步軌道衛(wèi)星（GEO） HTS/VHTS 系統(tǒng)高通量網(wǎng)絡帶寬十分充足，將有效提升機上用戶體驗，推動航空互聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展。GEO 中，Ku-HTS 可以提供360Gbit/s 的容量，Ka-HTS 可以提供2135Gbit/s。在建設中的Ku-HTS 容量達到557Gbit/s，Ka-HTS 容量更是高到5026Gbit/s。此外，計劃在NGSO 上，包括高橢圓軌道、中軌道和低軌道，有接近600Tbit/s的衛(wèi)星正在設計論證中。

3. 國內(nèi)發(fā)展情況

在國內(nèi)民航領域，目前僅有11 家航空公司的二百多架飛機具備了空中接入互聯(lián)網(wǎng)能力，僅占民航飛機的5%；空中互聯(lián)網(wǎng)僅服務過130 多萬人次，僅占民航近5 年平均旅客運輸量的0.24%。2018 年初民航局發(fā)布了《機上便攜式電子設備（PED）使用評估指南》，逐步開放了便攜式移動電子設備的使用權限。2022 年1 月民航局發(fā)布《智慧民航建設路線圖》,到2025 年新一代航空寬帶通信等先進技術裝備實現(xiàn)規(guī)模化應用，空中互聯(lián)全面推廣,其中關于航空互聯(lián)網(wǎng)的總體目標為：“高速、經(jīng)濟的空中互聯(lián)網(wǎng)服務”和“豐富的線上應用和服務內(nèi)容”。2022年，民航局在開展“民航服務規(guī)劃實施年”主題活動中，提出加大新技術在航班運行中的應用力度，推進前后艙協(xié)同（基于高通量衛(wèi)星通信的前后艙數(shù)據(jù)傳輸 ）應用試點，構建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的安全風險防控體系。2023 年1 月，工信部發(fā)布了《關于調(diào)整機載動中通地球站開機使用規(guī)定的通知》，不再禁止機載地球站在飛機達到3000m 以上高空方可開機使用的限制。在多種政策逐步放開的環(huán)境下，在智慧民航戰(zhàn)略的引領下，國內(nèi)民航機載互聯(lián)網(wǎng)領域?qū)⒂瓉砀咚侔l(fā)展的時代，衛(wèi)星通信技術必將助力民航數(shù)字化發(fā)展，滿足人民群眾對美好出行的必要需求。

國內(nèi)航空領域推廣應用的Ku/Ka 頻段以國內(nèi)自主建設的通信衛(wèi)星為主流選擇，已投入運營的Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)和服務包括亞太6C、中星10 號和亞洲7 號衛(wèi)星[3]。通常，Ku 區(qū)域波束需要根據(jù)業(yè)務的服務能力來設計波束。

在高通量衛(wèi)星方面，Ku 高通量主要由亞太6D 衛(wèi)星支持航空業(yè)務，覆蓋亞太區(qū)域。而Ka 高通量艦隊以中星16 號、中星19 號以及2023 年2月發(fā)射的中星26 號和已立項的中星27 號衛(wèi)星為主，具備增強國土、海洋覆蓋和“一帶一路”沿線的基本覆蓋能力，在軌高通量衛(wèi)星系統(tǒng)容量近500Gbit/s。此外，國內(nèi)主要運營商中國衛(wèi)通通過國際合作，實現(xiàn)了國際漫游合作，為國內(nèi)航空器在國際長航線上提供網(wǎng)絡服務。

三、“智慧飛機”客艙互聯(lián)網(wǎng)應用

1．智慧飛機應用發(fā)展情況

最新的網(wǎng)絡通信技術和大數(shù)據(jù)已成為航空業(yè)競爭的重要領域，智慧飛機的概念應然而生，智慧飛機不僅可為航空公司提高運行效率、航班安全性和航班準點率，為乘客提供更便捷和舒適的航行服務；同時還可以向航班機組人員、機艙服務人員以及地面人員之間提供數(shù)據(jù)通道，通過實時收集和分析飛機的運行數(shù)據(jù)，更加精準地預測飛機故障和維護需求，及時維修飛機，降低維修成本和飛機停飛時間，最終提高飛機的運營效率和經(jīng)濟性。國際上對于智慧飛機的研究、應用起步較早，目前隨著高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡的應用推廣，聯(lián)網(wǎng)飛機數(shù)不斷增加，智慧飛機應用也在各航空公司機隊不斷普及。2017 年，澳洲航空公司QANTAS 在波音737 機隊（約75 架）應用Viasat 的Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡，形成空地一體解決方案，使飛行期間的航空器通信尋址報告系統(tǒng)（ACARS）、電子飛行包（EFB）、快速存取記錄器（QAR）等飛機駕駛艙大流量數(shù)據(jù)的實時傳輸成為可能。

除駕駛艙的智慧飛機應用外，國際上客艙互聯(lián)網(wǎng)的應用也有很多案例。以機上多媒體業(yè)務為例，美國GoGo 公司是市場上最早且擁有眾多具備交互式網(wǎng)絡電視（IPTV）商業(yè)飛機的航空互聯(lián)網(wǎng)服務商，在2019 年推出了新一代機載網(wǎng)絡產(chǎn)品支持IPTV 業(yè)務。泰雷茲作為第二大IFE 系統(tǒng)制造商，具備利用高通量Ka 衛(wèi)星網(wǎng)絡作為基礎設施向用戶提供互聯(lián)網(wǎng)娛樂、IPTV 等服務的能力。借助Viasat 的超高容量衛(wèi)星網(wǎng)絡，捷藍航空（JetBlue）在紐約和倫敦之間運營的空客A321 遠程飛機，配備國際直播電視節(jié)目為特色的椅背娛樂系統(tǒng)，節(jié)目包括BBC、CNBC、Sky News、CNN International 以及體育賽事直播內(nèi)容。

我國衛(wèi)星航空互聯(lián)網(wǎng)的應用發(fā)展還處于起步階段，航空互聯(lián)網(wǎng)的應用主要以客艙提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務為主。2014 年7 月東航空客A330-200利用Ku 頻段衛(wèi)星傳輸?shù)男盘枌崿F(xiàn)了空地互聯(lián)，進入商業(yè)測試階段，隨后，東航約100 架寬體機利用Ku 頻段衛(wèi)星開通了機上互聯(lián)網(wǎng)。2020 年7月，國內(nèi)首架Ka 頻段高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)飛機青島航空QW9771 航班成功首航，成為中國民航互聯(lián)網(wǎng)寬帶化應用的新起點。國內(nèi)民航客運總量呈逐年增長趨勢，2020 年起受新冠疫情影響，國內(nèi)民航客運總量有所下降，據(jù)2021 年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報顯示，2021 年客運總量達44055.74 萬人次，比上年增長5.5%[4]。目前，民航業(yè)也在逐步復蘇，隨著飛行時間的增長也增加了乘客對聯(lián)網(wǎng)的需求，更多的航空公司開始考慮為飛機配備聯(lián)網(wǎng)解決方案，客艙互聯(lián)網(wǎng)的應用除了為旅客提供高速、經(jīng)濟的空中互聯(lián)網(wǎng)接入服務以外，融合出行上下游及互聯(lián)網(wǎng)資源，可構建更加豐富多元化的機上互聯(lián)應用及服務，打造全方位、高品質(zhì)的航空服務新產(chǎn)品，豐富旅客的乘機體驗。

2．智慧飛機應用未來發(fā)展模式的探索

基于航空互聯(lián)網(wǎng)的前艙應用，可實現(xiàn)遠程客艙空防安全監(jiān)控、遠程空中突發(fā)事件處置、遠程機務技術支持、遠程服務監(jiān)督等各類應用，使飛行運行更加合理、高效；可為飛機提供實時位置和天氣信息，進行航班跟蹤，減少燃油消耗，優(yōu)化飛行效率；而通過數(shù)據(jù)的監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析，分析數(shù)據(jù)可用于預防性和預測性維護，提前做出決策，優(yōu)化航司運行流程和運行效率。

航空互聯(lián)網(wǎng)同時可賦予客艙服務的創(chuàng)新應用。例如精準推送、機上醫(yī)療和機上互聯(lián)網(wǎng)多媒體客艙服務等。通過大數(shù)據(jù)技術可以有效提升客艙服務，通過對飛行中乘客的分析和定位，開展精準化推送和營銷，可以幫助航空公司構建直接觸達乘客的新渠道，在乘客空中飛行時間內(nèi)，為乘客提供個性化服務，同時可以通過電商、廣告、內(nèi)容、目的地服務等方式獲得收益，為航空數(shù)字化轉(zhuǎn)型打下基礎。而航空公司也可在航前和航后提供個性化服務，將機上網(wǎng)絡與機票銷售、航空餐食、升艙服務、機上廣播、VIP 服務等結(jié)合，進一步提升航空公司的服務品質(zhì)。通過衛(wèi)星通信實現(xiàn)飛機聯(lián)網(wǎng)，可有效支撐機上救援工作，在機上發(fā)生緊急醫(yī)療事件時，通過機載設備與地面醫(yī)療專家創(chuàng)建溝通渠道，同步可以將必要的身體指標參數(shù)傳遞給地面醫(yī)務人員，方便第一時間開展專業(yè)救護工作，為挽救生命爭取黃金時間，同時避免耽誤同航程其他乘客的行程和減少航司的經(jīng)濟損失。航空互聯(lián)網(wǎng)的應用也使機上互聯(lián)網(wǎng)多媒體服務成為可能，利用高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡，可以向機上乘客提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種數(shù)字媒體服務，乘客不必再因為飛行而錯過精彩的體育賽事或其他重要活動直播。智慧飛機引入互聯(lián)網(wǎng)多媒體服務同樣可為航司帶來巨大優(yōu)勢，可為乘客在客艙內(nèi)提供海量的、優(yōu)質(zhì)的信息服務，為廣告宣傳、內(nèi)容制作等產(chǎn)業(yè)提供橫向延展的能力，衍生出新的互聯(lián)網(wǎng)應用，提升航司客艙運營的多樣性，帶來新的輔營收入（圖1）。

圖1 智慧飛機互聯(lián)網(wǎng)應用

國內(nèi)對智慧飛機互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式也在逐步探索中，空中互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)最大的差異性是在數(shù)據(jù)總量上，無論是人員流動量、有效占比量還是最終的轉(zhuǎn)化量，單一航司都無法直接將地面互聯(lián)網(wǎng)的模式進行復制。航空公司可以通過自建或第三方建立航空互聯(lián)網(wǎng)綜合信息服務平臺，用平臺將航空公司、網(wǎng)絡運營商、地面互聯(lián)網(wǎng)第三方結(jié)合起來，共同推進智慧飛機航空互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的應用。面向機上乘客，客艙互聯(lián)網(wǎng)的WiFi 場景的旅客具備高凈值用戶特點，具有一定空中上網(wǎng)剛需性、標簽化特性、高消費特性等，可將空中上網(wǎng)、廣告渠道分成、電商分成和預定機場/目的地服務作為重點發(fā)展方向。面向企業(yè)用戶，可將軟件服務、運營服務、集成服務作為重點發(fā)展方向，由航空互聯(lián)網(wǎng)綜合信息服務平臺向航空公司提供標準化的軟件服務、運營服務和集成服務，在滿足運營需求的同時向乘客提供更好的服務（圖2）。

圖2 智慧飛機互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式探索

四、結(jié)束語

衛(wèi)星通信可以滿足飛機大量的實時數(shù)據(jù)傳輸需求，支撐全艙旅客豐富的航空互聯(lián)網(wǎng)信息服務應用，全球市場規(guī)模潛力大。目前基于衛(wèi)星通信的航空互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務還在加快推進網(wǎng)絡基礎能力建設階段，其中Ka 頻段的寬帶通信系統(tǒng)因其能力更強、成本更低、面向用戶的服務體驗更佳，成為航空互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主流選擇。隨著基礎網(wǎng)絡能力的提升與普及，面向乘客提供個性化的綜合信息增值服務將是航空互聯(lián)網(wǎng)未來的主要發(fā)展方向，助力航空業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。