國產衛星通信在民航領域應用的前景與思考

文｜左晶 唐劍 張展 蔣欣 馮劍鋒

中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心

一、引言

隨著民用航空市場的快速發展，航空運輸領域空中交通服務、航空公司運營、乘客寬帶通信等航空應用需求不斷增長，未來飛行不僅要滿足駕駛艙高安全通信要求，還要實現飛機和地面通信網絡之間的高速互聯。傳統的航空通信系統受制于通信速率不足、帶寬狹窄、成本高昂等因素，使得飛機上仍有大量有價值的數據無法做到充分發掘和利用。而衛星通信具有通信距離遠、覆蓋面積大、頻帶寬、傳輸容量大等優點，在民航應用中發揮著重要的作用。

目前國外海事衛星、銥星、Viasat 衛星等成熟星座已廣泛應用于國內外民航市場，并產生了顯著的經濟與社會效益，同時低軌星鏈衛星也在加速組網部署中，在軌道資源、衛星頻譜搶占中優勢明顯。國產通信衛星在我國民航運輸領域的應用尚處于起步階段，如何抓住當前有利時機，全面推進國產衛星在我國民航領域的應用創新，是我國民航強國建設中的重要任務。本文從國產衛星通信系統在民航領域的應用需求、應用現狀及國內外星座存在的差距等方面進行闡述與分析，為推進我國衛星航空通信服務發展以及后續星座建設提供參考。

二、未來航行體系對衛星通信鏈路的需求

1. 全球空中航行系統發展需求

自21 世紀以來，全球航空運輸量的快速增長，為應對傳統空管系統面臨的挑戰，多個國際組織和國家制定了一系列未來航行系統發展規劃，旨在構建更為安全、更有效率、更加靈活、更可持續的新一代航空運輸系統。國際民航組織（ICAO）制定了全球空中航行計劃（GANP），發布并持續更新航空系統組塊升級計劃（ASBU），提到了衛星通信技術在早期（2018 年前）、中期（2018—2028 年）、遠期（2028 年后）的發展路線，總結了衛星通信技術現狀和發展目標[1]。歐洲發布了“單一歐洲天空空管研究計劃”（SESAR）及美國發布了“下一代航空運輸系統計劃”（NextGen），指出基于航空電信網（ATN）的空地數據鏈及衛星通信技術將是未來發展的主要趨勢，明確了星基數據鏈路的應用策略和發展規劃。

中國民用航空局根據ASBU 規劃與國內民航總體發展戰略與規劃，于2015 年發布了《中國民航航空系統組塊升級（ASBU）發展與實施策略》，針對衛星通信制定了相應的實施方案與指南，用于推動衛星通信技術在民航領域的應用，提升中國民航在ICAO 及相關航空工業界的國際競爭力，中國民航ASBU發展路線圖（通信部分）如圖1所示[2]。2018年，中國民用航空飛行標準司發布《航空承運人使用地空數據通信系統的標準與指南》，建議借助衛星通信地空數據鏈提供飛機和地面系統間的數據傳輸[3]。2021 年，民航局組織發布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖》，路線圖依托民航“十四五”發展規劃，旨在推動包括衛星通信的新一代航空寬帶通信技術研究，助力智慧民航的發展[4]。

圖1 中國民航ASBU 發展路線圖（通信部分）

2. 民航安全通信應用需求

針對民機駕駛艙安全通信服務，傳統航空通信中的甚高頻（VHF）、高頻（HF）窄帶模擬語音通信面臨瓶頸。很多高密度飛行區域VHF 頻段即將趨于飽和，用于支持跨洋和偏遠地區的HF 通信也存在干擾嚴重、數據傳輸正確率低等問題，同時民航交通管制由于扇區劃分變細，飛機在扇區停留時間變短，容易出現管制信息遺漏的現象，為民機飛行安全帶來較大的威脅。2014 年，馬來西亞航空公司MH370 客機失聯事件備受世界關注，由于飛機缺乏航空器全球定時跟蹤監控手段，為搜尋工作帶來巨大的困難。

為促進航行安全，解決民機與航空公司運行控制中心之間語音通信聯系和實時監控問題，中國民航局于2013 年制定了《航空公司運行控制衛星通信實施方案》，要求航空公司應充分利用現代衛星通信技術，使所有運輸類飛機與AOC 在4 分鐘內建立及時、可靠的語音通信聯系[5]；2015 年，ICAO 提出航班15 分鐘追蹤新標準，隨后，國際電信聯盟（ITU）在世界無線電大會上表示對該標準的支持，并明確留出一個專用無線電頻率供衛星跟蹤飛機航線線路系統使用；2016 年，民航局發布了咨詢通告《航空承運人航空器追蹤監控實施指南》，對中國情報區外運行的航空器提出4D/15 追蹤要求，即以15 分鐘或更短的時間間隔，在地面對飛行中的每架航空器進行記錄并更新航空器4D（經度、緯度、高度、時刻）位置信息，并明確外部通信系統是可接受的鏈路之一[6]。

基于現有衛星移動通信能力，飛行員可以實現與空中交通管制員（ATC）、航空運行指揮中心（AOC）的標準話音通信，并以數據鏈的形式交互航跡位置、管制指令、氣象報文、飛行品質等信息，同時利用衛星網絡提供的“云端黑匣子”服務，可將駕駛艙內的實時視頻連同語音、飛行數據和位置等信息通過衛星傳輸給地面管理中心，以彌補傳統“黑匣子”只能記錄最后幾小時飛行狀態的不足。

3. 航空互聯網寬帶通信應用需求

隨著信息技術的發展，互聯網通信已經成為目前人們生活中必備通信方式，國際海事衛星組織相關調查顯示，空中上網服務現已成為繼機票價格、航班時刻后影響乘客選擇航空公司的第三大因素，空中互聯網業務潛在市場規模巨大[7]。同時隨著民航市場的擴大，飛機運行產生的大量健康管理、視頻監控等數據回傳對通信傳輸速率也提出了更高的要求。空中互聯網成為航空公司提升服務品質、推動產品轉型的重要抓手，客艙寬帶通信技術也將是航空公司未來業務最具潛力的利潤增長點。

為了更好地應對航空公司數據傳輸及乘客機上上網需求，2018 年，民航局發布《機上便攜式電子設備（PED）使用評估指南》，允許在飛行全程使用具有飛行模式的電子設備[8]。同年，民航局通過中航協下發互聯網接入實施意見，明確推動空中互聯網接入業務。2022 年1 月，中國民航局發布智慧民航建設路線圖，提出到2025 年，80%國內主要航線航班提供空中互聯網服務，到2030 年，國內航線全面實現高速、經濟的空中互聯網服務[9]。

乘客在飛機上接入互聯網主要有兩種渠道，即地空寬帶通信系統（ATG）與空間寬帶衛星通信，如圖2 所示。由于ATG 在地面沿航路定點部署通信基站，僅能對陸地航路區域進行覆蓋，而衛星通信因其廣覆蓋、傳輸容量大、靈活性強的特性，逐漸成為航空機載行業選用的主流方案。寬帶衛星通信的典型系統包括國外第五代海事衛星GX 系統、Viasat 系統以及國內中星16 號、亞太6D 系統等，均工作在Ku 或Ka 頻段[10]。目前國際航空互聯網市場已漸趨飽和，隨著我國民航業機隊規模數量的不斷增長以及高通量衛星的快速部署，國內衛星航空互聯網發展潛力巨大。

圖2 ATG 與衛星通信鏈路示意

三、國產通信衛星在民航領域的應用現狀

1. 駕駛艙安全通信

目前民航運輸領域僅有基于海事和銥星系統的高安全駕駛艙衛星通信業務獲得ICAO 認可，還未有成熟的國產衛星星座應用于民機前艙安全通信。我國航空公司運行的飛機基本上安裝的是傳統海事衛星Aero H+系統，部分飛機加裝新一代海事衛星SB-S 系統，少量飛機加裝了銥星系統。

由于海事衛星通信系統存在裝機和數據傳輸費用昂貴的問題，銥星具有比海事衛星機載設備價格更低和安裝更方便等優勢，但由于銥星和我國北斗衛星導航系統頻率重疊，因而中國電信主管部門僅在航空部分領域開放銥星系統，以滿足西部地區VHF 覆蓋不足的問題。衛星通信系統過分依賴國外星座對我國的民航運行自主可控帶來較大的風險，因此加快國產衛星通信系統建設，實現飛機數據傳輸的安全性是近年來要解決的重要任務。

國產天通一號衛星作為前艙安全通信應用的潛在選擇，已在我國通航領域的應急通信保障中發揮了重要的作用。天通一號衛星是我國第一代具有自主產權的S 頻段衛星移動通信系統，由3 顆高軌衛星組成，01/02/03 星已分別于2016 年、2020 年、2021 年成功發射，可為中國及周邊地區提供衛星語音、短信息和數據業務。

2. 客艙寬帶通信

（1）中星系列

中星16 號衛星是中國首顆高軌道Ka 頻段高通量寬帶通信衛星，于2017 年4 月成功發射，覆蓋范圍為我國大部分陸地和近海區域。

2020 年7 月，基于中星16 號通信衛星的高速互聯網飛機在青島航空QW9771 航班線上首航，該航班適配的高速互聯系統XstreamSAT 由青島航空公司、中國衛通、飛天聯合、天地互聯四家公司聯合打造，是國內首個獲得FAA、EASA、CAAC 適航認證的衛星互聯系統，為旅客提供互聯網接入、視頻直播等機上娛樂體驗。2021 年5 月，青島航空與天地互聯簽署合作協議，全面推動青島航空自有機隊的高速機上互聯網建設項目。

中星系列衛星中，中星19 號衛星已于2022 年11 月發射，主要覆蓋中美航線；中星26 號衛星已于2023 年2 月發射，對中國全境、東南亞及澳大利亞航線進行全面覆蓋，為實現我國衛星航線互聯網通信業務向國際拓展提供重要保障。

（2）亞太系列

2020 年7 月，亞太6D 通信衛星成功發射，該衛星是一顆地球軌道高通量Ku 頻段通信衛星，主要面向亞太區域用戶提供全地域、全天候的衛星寬帶通信服務。

2021 年8 月，東方航空公司在MU5101 航班B777-300ER 寬體飛機上首次開通了基于亞太6D 的衛星寬帶通信服務，為旅客提供包括高速互聯網通信、VoIP 等應用。到目前為止，中國東航已實際投入運行具備空地互聯網服務能力機隊規模達96架，其中包括A350、B787 等機型。之后，吉祥航空波音787 機隊、南方航空也陸續升級了基于亞太6D的衛星網絡來提供空中互聯網服務。此外，2023 年1 月，山東航空加裝有基于亞太6D 衛星的機載寬帶衛星通信終端在波音737-800 客機上試飛成功，該機載終端由航天恒星科技有限公司研制，實現了機載衛星通信業務的端到端自主可控，后續商用后將為乘客提供空中互聯網接入等服務。

同時在亞太系列衛星中，亞太6E 衛星已于2023 年1 月發射成功，旨在為東南亞地區提供高通量通信服務。基于亞太6E 衛星的民航運輸通信服務正在逐步開展中。

四、國產衛星通信系統在民航領域應用的差距分析

國外衛星星座在資費、信息安全、資源可控方面遠不及國產衛星星座，衛星通信國產化是大勢所趨。以下從衛星頻率及覆蓋范圍、星座能力驗證、關鍵技術及自主產品研發能力、以及民航運輸類飛機空中互聯網接入能力幾個方面分析了國內外衛星星座在民航應用中存在的差距。

1. 衛星頻率及覆蓋范圍

用于駕駛艙安全通信的星座系統主要有國外第四代海事衛星、銥星以及國產潛在星座天通一號，均為窄帶移動衛星系統，系統參數對比如表1 所示。

表1 應用于駕駛艙安全通信的星座系統參數對比

運輸類飛機駕駛艙安全通信業務頻譜需滿足ITU《無線電規定》的要求，海事衛星1545～1555MHz 和1626.5～1656.5MHz 頻段以及銥星所有航空業務頻段均已在《無線電規則》中獲得許可。針對天通一號衛星，我國在2015 年就開始開展S 頻段衛星系統與地面系統的兼容研究工作，積極與ITU 溝通協調，目前正在逐步推進天通衛星頻率使用權益得到國際規則保護。此外，國產衛星航空移動業務還未得到國際相關標準的認證，標準體系建設有待加強。

總之，相比于海事衛星、銥星，天通一號衛星在ITU 頻率協調、覆蓋范圍、標準體系建設等方面還存在較大的差距。

應用于客艙寬帶通信的星座系統主要有第五代海事衛星、Viasat、OneWeb 以及國產亞太6D 衛星、中星16號、中星26號衛星系統等，系統參數對比見表2。國內外寬帶通信衛星工作頻率均為Ka/Ku 頻段。對比于國外星座，國產衛星的覆蓋范圍有待完善，而未來隨著我國低軌星座的組網部署，將有望實現全球覆蓋。

表2 應用于客艙寬帶通信的星座系統參數對比

2．星座能力驗證

為保障航空運行安全，任何應用于駕駛艙安全通信的衛星通信系統空間部分、地面站和配套設施的可靠性、連續性和完整性服務性能均要符合ICAO 制定的衛星航空移動（航路）業務標準和建議措施（SARPs）要求。滿足SARPs 的依據主要包括衛星通信子系統測試驗證數據、飛行測試數據及最低運行性能標準（MOPS）等。

2010 年，航空通信專家組審查并通過了國際海事衛星、銥星衛星航空移動業務系統SARPs 及相關指導材料，發布ICAO Doc 9925《衛星航空移動（航路）業務手冊》，明確了國際海事衛星Classic Aero 系統與銥星系統可應用于民航運輸類飛機安全通信服務[11]。此外，新一代海事衛星SBB 系統在經過五年的測試驗證和數據分析后，于2017 年獲得ICAO 批準，作為航空安全通信系統被列入Doc 9925、SVOM、GOLD 等相關文件中。

而與已擁有十多年航空應用歷史、早已被納入國際民航組織標準的海事衛星與銥星通信系統相比，天通一號衛星涉足民航運輸領域相對較晚，星座系統的可用性、連續性等性能是否滿足ICAO SARPs 還需開展一系列試驗驗證，從而為國產星座在民航運輸領域的大規模推廣應用奠定技術基礎。

3. 關鍵技術及自主產品研發能力

衛星通信產品方面，國外航空工業起步早，已在衛星通信技術傳輸體制、核心協議開發、系統架構、產品運營等方面搶先申請了大量專利，在關鍵技術知識產權上也處于高度壟斷地位。目前國內民機上的衛通設備大多由Honeywell、Collins 等國外供應商提供，隨著國產衛星星座的發展，國內一些公司也在積極推動機載衛通產品國產化，如華力創通、盟升電子、多尼卡等。但由于部分衛星通信系統的核心板卡主要被國外Newtec、Viasat、Gilat、Idirect 等 公 司 掌 控，例如國內中星16 號衛星地面關口站中采用Gilat 和Idirect 的核心協議，因此相關機載衛星通信設備的開發存在較高的壁壘。

在衛星通信自主產品研發方面，中國目前正處于趕超階段，已有部分產品問世，但技術成熟度普遍較低，同時由于國內沒有成熟的衛通核心協議及傳輸體制，容易受到國外廠商斷貨或抬價影響。

4. 民航運輸類飛機空中互聯網接入能力

從全球范圍內看，早在2016 年就有超過36%的飛行里程可提供空中互聯網服務，其中美國與歐洲普及度較高，分別高達80%以上及50%以上[12]。截至2021 年底，中國具備空中互聯服務能力的航空公司約23 家，842 架飛機具備空中接入互聯網能力，包括國航、東航、南航三大航以及山航、海航、吉祥航空、廈門航空、青島航空等，而我國民航運輸業運輸飛機在冊架數為4054 架，機上WIFI 覆蓋率約為20%。總體來看，我國空中互聯網普及率仍然較低，航空公司各機型的空中互聯網接入能力及國產寬帶星座在民航運輸機上的利用率有待提高。

五、國產衛星民航應用發展展望

1. 天通一號具備前艙應用潛力，需要多方合力推動

從國內衛星資源現狀來看，隨著我國S 頻段天通一號衛星的陸續發射及組網，天通一號未來有提供區域航空前艙服務的潛力。對比海事衛星進入民航前艙應用的發展歷程來看，目前比較緊迫的工作在于推動天通一號航空應用驗證與數據積累。從民航運行監管機構的角度，天通一號進入民航服務，其機載系統需要取得適航批準，適航需要響應的標準做支撐。從天通一號運營者的角度，建立天通一號航空服務標準需要在航線飛機裝備天通一號機載衛星通信系統，積累實際測試數據作為支撐。這種互相耦合的結構性矛盾，不可能通過單方面讓步來解決。因此，衛星運營單位、航空公司、民航監管機構、機載設備制造商等各家單位需要通過溝通協調，建立聯絡機制，共同推動天通一號民航應用落地。

2. 國產高通量衛星航空服務迎來春天

近年來我國高吞吐量Ka 頻段寬帶衛星逐步投入商用，航空衛星寬帶服務正在從傳統的Ku 頻段轉換為新一代Ka 頻段服務，未來低軌Ka、高軌Ka 融合的寬帶衛星通信系統將為飛機提供大容量、高速的寬帶數據通信。伴隨著疫情的結束，以及民航業的強勁復蘇，基于高通量衛星的飛機實時健康管理、客艙安全監控、客艙物聯網及乘客互聯網接入等應用場景將逐步落地，隨之而帶來的新一代互聯網入口流量或許會顛覆傳統民航客艙服務與運營模式。