天通一號衛(wèi)星通信在民航領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

文 | 趙文強(qiáng) 左晶 武瑞 張展 馮劍鋒 蔣欣

中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心

一、引言

目前，我國民用客機(jī)中的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用海事衛(wèi)星或銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)，不僅價(jià)格昂貴，而且通話和數(shù)據(jù)傳輸安全性沒法做到自主可控。隨著我國移動(dòng)衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已初具規(guī)模。2016 年8 月我國發(fā)射了首顆可以應(yīng)用于民用航空的S 頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)——天通一號[1]。天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，是中國自主研制建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是中國空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其通信性能與國際海事衛(wèi)星SBB 通信能力相當(dāng)。因此，針對天通衛(wèi)星在民航中的應(yīng)用研究具有重要的意義。

二、民航前艙衛(wèi)星通信現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信在民用航空的應(yīng)用主要?jiǎng)澐譃榍芭摚{駛艙）通信和中后艙（客艙）通信。前艙通信需要高度完整性和快速響應(yīng)的安全通信，中后艙通信是為航空承運(yùn)人提供通信服務(wù)，以及乘客公眾通信服務(wù)[2]。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)在航空領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，正在運(yùn)行的、新引進(jìn)的飛機(jī)以及生產(chǎn)線上的飛機(jī)均具備安裝衛(wèi)星通信的基本條件，國內(nèi)外衛(wèi)星通信服務(wù)商根據(jù)不同機(jī)型也提供了多樣化的經(jīng)過適航認(rèn)證的機(jī)載通信產(chǎn)品，并根據(jù)航空用戶要求制定適用解決方案。

目前，應(yīng)用在民航領(lǐng)域的主流衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括銥星和國際海事衛(wèi)星、Viasat 等系統(tǒng)。其中，銥星系統(tǒng)和國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于民航前艙安全通信領(lǐng)域，為飛機(jī)的空中交通服務(wù)、空中交通管理、應(yīng)急通信、定位追蹤等應(yīng)用提供空地鏈路。銥星的頻率與我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的頻率存在沖突，目前在國內(nèi)僅裝備少量飛機(jī)。國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全相關(guān)服務(wù)SBB 已通過FAA 認(rèn)證，可進(jìn)入前艙進(jìn)行飛機(jī)安全相關(guān)信息傳輸，但是存在裝機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用昂貴的問題。

與國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)民用飛機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)及設(shè)備研制水平仍存在較大差距，面臨世界航空巨頭的高度壟斷，機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備均由國外供應(yīng)商提供，缺少獨(dú)立自主可控的能力。我國衛(wèi)星移動(dòng)通信起步晚，但發(fā)展迅速。2016 年8 月，我國首顆移動(dòng)通信衛(wèi)星天通一號01 星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，2020 年11 月和2021 年1 月，隨著天通一號02 星和天通一號03 星相繼成功發(fā)射，至此我國完成了三顆天通一號衛(wèi)星的合作組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了天通一號衛(wèi)星天地一體化運(yùn)行。天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可為亞非等地區(qū)以及太平洋、印度洋大部分海洋地區(qū)的用戶提供全天時(shí)、全天候、高穩(wěn)定高質(zhì)量的語音、短信數(shù)據(jù)等移動(dòng)通信服務(wù)，不僅具有與國際海事衛(wèi)星相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)通信能力，而且從星上載荷到核心通信芯片再到終端設(shè)備全部自主可控，在民航中的應(yīng)用潛力巨大。

三、天通一號衛(wèi)星航空系統(tǒng)組成

天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，是我國自主研制建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國在衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域的空白，它不僅是國家應(yīng)急指揮通信的重要組成部分，也是我國空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在行業(yè)應(yīng)用上也發(fā)揮了重要的作用。基于天通一號移動(dòng)衛(wèi)星的航空系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶終端組成，如圖1 所示。其中空間段由3 顆地球同步軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星組成；用戶段由機(jī)載衛(wèi)星通信終端組成；地面段由衛(wèi)星運(yùn)控中心、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)控中心、信關(guān)站、地面支持專用網(wǎng)絡(luò)組成。通過信關(guān)站的網(wǎng)關(guān)功能，天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以和固定電話網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)、Internet 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。

基于天通一號衛(wèi)星的用戶鏈路工作于S 頻段，收發(fā)頻段各30MHz 帶寬，上行（地對空）工作頻段1980～2010MHz，下行（空對地）工作頻段2170～2200MHz。30MHz 工作頻段被劃分為1388 對信道，信道間隔21.6kHz，可同時(shí)支持100 萬用戶使用，可為航空用戶提供“天地空一體”的全方位通信保障服務(wù)：

· 語音，可撥打全球任意地面固定和移動(dòng)電話；

· 短信，支持網(wǎng)內(nèi)和出網(wǎng)短信息，可與地面公網(wǎng)移動(dòng)終端互聯(lián)互通；

· 傳真，速率9.6kbit/s；

· 數(shù)據(jù)傳輸/互聯(lián)網(wǎng)接入/視頻回傳，數(shù)據(jù)傳輸速率9.6 ～384kbit/s，互聯(lián)網(wǎng)接入速率64 ～384kbit/s。

四、天通一號衛(wèi)星在民航中應(yīng)用可行性分析

1.政策要求建立4 分鐘內(nèi)空地通信聯(lián)絡(luò)

政策方面，中國民航局AC-121-FS-2011-004R1《航空承運(yùn)人運(yùn)行中心（AOC）政策與標(biāo)準(zhǔn)》[3]要求：在整個(gè)航路上，航空承運(yùn)人必須確保在每架飛機(jī)與相應(yīng)的AOC 之間，能夠建立可靠迅速的通信聯(lián)絡(luò)（不超過4 分鐘）。天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以為大型民機(jī)提供空地?cái)?shù)據(jù)鏈和空地語音通話功能，具備滿足局方4 分鐘建立通信要求的能力。

2.天通一號系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與ATN/IPS 網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)

技術(shù)方面，國際民航組織（ICAO）一直致力于研究新一代航空電信網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，航空界開始考慮從整體思路上向IP 轉(zhuǎn)型。ICAO 已經(jīng)同意將ATN/IPS 作為下一代ATN 的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)ATN 的建設(shè)。在北美地區(qū)、加勒比海/南美地區(qū)、北大西洋/歐洲地區(qū)已經(jīng)選擇采用IPS 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其航空消息處理系統(tǒng)（AMHS）應(yīng)用。亞太地區(qū)已經(jīng)計(jì)劃采用ATN/OSI 和ATN/IPS 雙棧方式來實(shí)現(xiàn)AMHS。天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)支持IPv4 和IPv6協(xié)議，具備接入ACARS/IP或ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)能力，從而可實(shí)現(xiàn)與ATN/IPS 網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)，提供航空數(shù)據(jù)的傳輸。

3.天通一號系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自主可控

安全方面，天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由我國自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營的S 頻段衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，從星上載荷到核心通信芯片再到終端設(shè)備全部自主可控，徹底杜絕了后門、窺視等威脅我國通信安全的隱患，提高了系統(tǒng)的安全性。

4.天通衛(wèi)通設(shè)備成本低于國外設(shè)備

經(jīng)濟(jì)方面，海事衛(wèi)星和銥星通信系統(tǒng)存在裝機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用昂貴的問題，目前銥星系統(tǒng)的裝機(jī)成本約15 萬美元/套，海事衛(wèi)星約20 萬美元/套。使用成本方面，銥星為6.4 元/分鐘，0.6 元/kbit；海事衛(wèi)星約1.1 美元/分鐘，7 美元/MB。天通衛(wèi)星使用成本1.6 元/分鐘，短信0.4 元/條，流量16 元/MB。天通衛(wèi)通設(shè)備的裝機(jī)成本和使用成本明顯低于銥星和海事衛(wèi)星。

五、天通一號衛(wèi)星在民航應(yīng)用前景

天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)在民航中的應(yīng)用是其重要的應(yīng)用方向之一，可提供安全等級高的保密語音通話，可以提供相比傳統(tǒng)窄帶甚高頻數(shù)字通信系統(tǒng)更高的傳輸速率，可以為飛行員提供更多的數(shù)字信息，提高飛行員的綜合判斷能力和周邊態(tài)勢感知能力，還可以將飛機(jī)關(guān)鍵信息及時(shí)下傳，提高飛機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，提高飛行效率和飛行安全性能。

借助于天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)在飛機(jī)上的應(yīng)用，飛機(jī)能夠與地面建立下列幾種通信聯(lián)系。

1.建立4 分鐘內(nèi)空地語音通信

中國民用航空局《大型飛機(jī)公共航空運(yùn)輸承運(yùn)人運(yùn)行合格審定規(guī)則》（CCAR-121 部）第97 條規(guī)定“每架飛機(jī)與簽派室之間的通信應(yīng)當(dāng)是空中交通管制通信系統(tǒng)之外的獨(dú)立系統(tǒng)，能夠滿足在正常運(yùn)行條件下，在4 分鐘內(nèi)建立迅速可靠語音通信聯(lián)系”[4]，借助天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)每架飛機(jī)與運(yùn)行控制中心之間在4 分鐘內(nèi)建立及時(shí)、可靠的語音通信聯(lián)系。

2.正常狀態(tài)航跡追蹤

對于正常運(yùn)行的航空器通過自動(dòng)位置報(bào)告實(shí)現(xiàn)例行航跡追蹤。《航空承運(yùn)人航空器追蹤監(jiān)控實(shí)施指南》強(qiáng)制要求航空承運(yùn)人實(shí)現(xiàn)對其海洋區(qū)域運(yùn)行至少每15 分鐘通過自動(dòng)報(bào)告對航空器位置進(jìn)行追蹤（4D/15 追蹤）[5]，借助天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以落實(shí)國際民航組織對4D/15 的要求。

3.航路氣象及情報(bào)服務(wù)

利用天通一號衛(wèi)星通信鏈路作為飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS）傳輸鏈路或者電子飛行包（EFB）傳輸鏈路，由航空公司、空管部門和機(jī)場將整理好的氣象及情報(bào)信息通過ACARS 或者EFB傳輸給飛行機(jī)組，讓飛行員提前得到影響飛行安全的災(zāi)害天氣預(yù)警，獲得提前采取應(yīng)對措施的寶貴時(shí)間，避免飛行安全事故的發(fā)生。

4.客艙物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

通過在客艙內(nèi)部署智能無線物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備，可以和乘客的穿戴設(shè)備（包括手環(huán)、智能手表、智能旅行箱等）進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對乘客健康的監(jiān)控、出行信息的獲取。再利用天通衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將客艙物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)乘客全出行周期的數(shù)據(jù)服務(wù)。

六、天通一號衛(wèi)星在民航應(yīng)用思考

1.健全政策法規(guī)保障天通一號系統(tǒng)民航應(yīng)用

政策法規(guī)方面，海事衛(wèi)星系統(tǒng)、銥星系統(tǒng)等通過ICAO 適航認(rèn)證的衛(wèi)星系統(tǒng)都經(jīng)歷了大量試驗(yàn)試飛和演示驗(yàn)證來證明其適航性，并制定了完善的政策法律及規(guī)章制度來規(guī)范基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的民航應(yīng)用。因此，針對天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在民航中的應(yīng)用，需通過大量的試飛試驗(yàn)驗(yàn)證其適航性，同時(shí)要建立健全的政策法律及規(guī)章制度，從政策法規(guī)層面解決天通一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)“落地權(quán)”以及“安全”“開放”等問題，保障天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在民航中的應(yīng)用。

2.完善天通一號衛(wèi)星民航應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系

適航標(biāo)準(zhǔn)方面，民機(jī)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要依賴國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體制，缺乏基于天通一號衛(wèi)星的機(jī)載衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)備研制依據(jù)。目前國外針對前艙衛(wèi)星通信服務(wù)，分別有基于銥星和海事衛(wèi)星的ARINC 741 和ARINC 781 機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備規(guī)范。針對天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在民航中的應(yīng)用適航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，建議結(jié)合國外已有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用設(shè)備研制與標(biāo)準(zhǔn)論證并行的方式，聯(lián)合民航局、工業(yè)界、航司用戶逐步完善天通一號衛(wèi)星在民航中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3.突破關(guān)鍵技術(shù)以適應(yīng)民機(jī)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

關(guān)鍵技術(shù)方面，傳統(tǒng)的ACARS 系統(tǒng)進(jìn)行空/地通信執(zhí)行的ARINC 618 協(xié)議是一種面向字符協(xié)議，它和目前天通一號衛(wèi)星基于IP 的網(wǎng)絡(luò)不兼容，導(dǎo)致天通一號衛(wèi)星系統(tǒng)無法直接接入前艙航電系統(tǒng)，在民航中的應(yīng)用仍存在一定技術(shù)門檻。因此，需要突破ACARS over IP 技術(shù)或者ATN/IPS 關(guān)鍵技術(shù)以適應(yīng)現(xiàn)在和將來民機(jī)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

七、結(jié)語

“通信自主”是民航強(qiáng)國的基石。天通一號衛(wèi)星作為我國自主建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，具備話音、數(shù)據(jù)和短消息通信能力，可以滿足民航4 分鐘內(nèi)語音通信、4D/15、EFB 等應(yīng)用場景的通信需求，但同時(shí)面臨的政策法規(guī)、適航標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)等問題也亟待解決。總之天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用對于打破國外供應(yīng)商的技術(shù)封鎖和壟斷，提高民用飛機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑢?shí)現(xiàn)民用飛機(jī)衛(wèi)星通信設(shè)備國產(chǎn)化、自主化和可控化具有重要意義。