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(fā)展和改革委員會國際合作中心

3.國家低空經(jīng)濟(jì)融合創(chuàng)新研究中心

一、引言

隨著經(jīng)貿(mào)往來的頻繁與交流合作的增多，民航運(yùn)輸業(yè)得到長足的發(fā)展，航空出行已呈現(xiàn)大眾化趨勢。由于移動電子設(shè)備與即時通信工具的普及應(yīng)用，人們已習(xí)慣于隨時隨地訪問互聯(lián)網(wǎng)，在旅程中對航空客艙寬帶業(yè)務(wù)需求強(qiáng)烈。與此同時，低空空域管理改革試點(diǎn)不斷推進(jìn)，通用航空業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，發(fā)展?jié)撃艿玫结尫牛袚?dān)突發(fā)事件處置與公益性服務(wù)的飛行架次顯著增加。在依托通用航空器執(zhí)行森林防火、災(zāi)害防治、醫(yī)療救護(hù)、遙感測繪等任務(wù)時，相關(guān)指揮機(jī)構(gòu)與現(xiàn)場人員對機(jī)載應(yīng)急通信需求迫切，以達(dá)到提高指揮調(diào)度反應(yīng)速度，增強(qiáng)公共安全保障能力，維護(hù)社會安全穩(wěn)定等預(yù)期目標(biāo)。

空中仍然是一座信息孤島，難以利用陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)空中全覆蓋，可利用衛(wèi)星通信解決航空通信的問題。通過加裝衛(wèi)星地球站，實(shí)現(xiàn)機(jī)載環(huán)境的實(shí)時通信，告別“航程信息孤島”的現(xiàn)狀。衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為空間中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，在兩個或多個地球站之間進(jìn)行信息交換的通信方式。衛(wèi)星通信因具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、不受地形地貌限制等優(yōu)點(diǎn)，其終端只要在通信衛(wèi)星的波束覆蓋范圍內(nèi)即可與遠(yuǎn)端站進(jìn)行信息交換，解決陸地網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋區(qū)域的通信需求。

本文介紹了機(jī)載衛(wèi)星通信及其在空中交通管理、客艙Wi-Fi 服務(wù)、應(yīng)急救援等領(lǐng)域的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀。探索我國在中低軌高通量衛(wèi)星星座、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等場景下，可開展的新型機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用。根據(jù)中低軌衛(wèi)星星座、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的低時延、信號增益強(qiáng)、動態(tài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，探索我國可開展的機(jī)載衛(wèi)星通信“互聯(lián)網(wǎng)+”、位置服務(wù)、多頻段一體化等新應(yīng)用，促進(jìn)機(jī)載衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展。

二、機(jī)載衛(wèi)星通信簡介

機(jī)載衛(wèi)星通信網(wǎng)由空間段、地面段、用戶端組成，空間段為不同軌道的通信衛(wèi)星，地面段包括中心站、信關(guān)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(jī)載衛(wèi)星地球站（簡稱機(jī)載站）。駕駛艙型機(jī)載站接入衛(wèi)星移動通信網(wǎng)，通常使用L 頻段，以傳輸空中交通管理、飛行監(jiān)測等窄帶信息為主要業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)與空管中心的信令交互?？团撔蜋C(jī)載站接入高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)，使用Ka/Ku 頻段，通過信關(guān)站接入互聯(lián)網(wǎng)。通用航空型機(jī)載站接入寬帶專用衛(wèi)星通信網(wǎng)，主要使用Ku 頻段，承擔(dān)自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、醫(yī)療救護(hù)等突發(fā)事件處置的應(yīng)急通信任務(wù)。

機(jī)載站通常由天線單元、射頻設(shè)備單元、信道設(shè)備單元、終端接口設(shè)備單元、監(jiān)控顯示設(shè)備單元等組成，如圖1所示。駕駛艙型機(jī)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(jī)載站應(yīng)具有低輪廓特征，以減少對飛機(jī)空氣阻力的影響。信道設(shè)備單元與船/車載衛(wèi)星移動地球站有所不同，應(yīng)具備應(yīng)對天線單元口徑受限、功率受限、多普勒效應(yīng)、信道衰落等影響因素的能力，在復(fù)雜無線通信信道下實(shí)現(xiàn)低信噪比條件的信息接收能力。此外，適用于旋翼機(jī)的信道設(shè)備單元還需解決旋翼間歇性遮擋問題。

圖1 機(jī)載衛(wèi)星地球站的組成單元

三、機(jī)載衛(wèi)星通信國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.空中交通管理領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

目前世界各國主要利用國際移動衛(wèi)星公司（Inmarsat）第四代衛(wèi)星通信網(wǎng)（BGAN）、銥衛(wèi)星通信網(wǎng)提供空中交通管理服務(wù)。BGAN 通過提供Classic Aero、Swift-64、Swift-Broadband（SBB） 等服務(wù)來支持駕駛艙內(nèi)語音、傳真和數(shù)據(jù)通信的高安全級別通信?！跋乱淮炐l(wèi)星”通信網(wǎng)支持星載廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）功能，提供全球范圍的民航客機(jī)追蹤服務(wù)。美國霍尼韋爾公司推出可接入銥衛(wèi)星通信網(wǎng)的駕駛艙型機(jī)載站Aspire 300，其提供的駕駛艙語音和安全服務(wù)已獲得國際民航組織批準(zhǔn)。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(jī)載站，可在全球任何地點(diǎn)接入銥衛(wèi)星通信網(wǎng)。

2.客艙Wi-Fi 服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

在民航客機(jī)中，客艙型機(jī)載站作為與互聯(lián)網(wǎng)連接的邊界節(jié)點(diǎn)，通過終端接口設(shè)備連接客艙內(nèi)部Wi-Fi 設(shè)備，為旅客提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。目前，客艙型機(jī)載站已向Ku 頻段、Ka 頻段發(fā)展，具有高速率、高通量、支持星間漫游等特點(diǎn)。近年來，Inmarsat“全球快訊”、國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）Epic NG、衛(wèi)訊-1、衛(wèi)訊-2、亞太6D 等國內(nèi)外多個高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)陸續(xù)開通運(yùn)營。與此同時，衛(wèi)星通信運(yùn)營商之間已簽署漫游接入服務(wù)協(xié)議，允許所屬衛(wèi)星地球站的網(wǎng)間漫游。這些因素可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信波束對民航客機(jī)航線的全程無縫覆蓋，為基于衛(wèi)星通信向民航客艙提供Wi-Fi 服務(wù)的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了便利條件。

美國霍尼韋爾公司作為世界主要客艙型機(jī)載站的供應(yīng)商，擁有JetWave 機(jī)載站系列產(chǎn)品。JetWave MCS-8200 型號支持“全球快訊”機(jī)載衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，提供高速率、全球無縫覆蓋的客艙Wi-Fi 服務(wù)，旅客在機(jī)上可享受與陸地寬帶網(wǎng)絡(luò)相媲美的服務(wù)品質(zhì)，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(jī)中應(yīng)用。JetWave MCS-8420 型號可連接中國的Ka 頻段高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)，在國內(nèi)多家航空公司進(jìn)行應(yīng)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(jī)載寬帶衛(wèi)星通信的應(yīng)用。2019 年，泰勒斯公司與歐洲衛(wèi)星公司（SES）合作，成功地在SES公司高通量通信衛(wèi)星和O3b 中軌道高通量通信衛(wèi)星之間進(jìn)行多軌道衛(wèi)星波束無縫切換，在灣流公司的G-3 飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、穩(wěn)定的4K 視頻流、電子商務(wù)交易、互動游戲和網(wǎng)絡(luò)瀏覽等應(yīng)用，最高下行速率可達(dá)265Mbit/s。日本松下航空電子公司推出“eXConnect”機(jī)載Wi-Fi 系統(tǒng)，利用Ku 頻段通信衛(wèi)星提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，目前已在中國東方航空航班安裝應(yīng)用。

近年來，我國空間基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，中星十六號、亞太6D 高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)已投入運(yùn)營，已經(jīng)具備利用我國自主研制的高通量通信衛(wèi)星提供客艙Wi-Fi 服務(wù)應(yīng)用的條件。2020 年7 月，中國首架高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)飛機(jī)——青島航空QW9771 航班首航成功，機(jī)上搭載中國衛(wèi)通基于中星十六號的客艙型機(jī)載站。2021 年9 月，中國電科航空電子公司發(fā)布國內(nèi)首款基于相控陣天線單元的Ka 頻段客艙型機(jī)載站，最高下行速率超過100Mbit/s，支持視頻會議、VoIP、實(shí)時文件傳輸?shù)瓤盏鼗ヂ?lián)應(yīng)用。與傳統(tǒng)機(jī)械天線相比，該型號機(jī)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(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，具有廣闊應(yīng)用前景。

3.應(yīng)急救援領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

航空應(yīng)急救援作為一種應(yīng)對社會突發(fā)事件的常用處置手段，已經(jīng)成為世界許多國家應(yīng)急救援體系的重要組成部分和主要救援力量。機(jī)載衛(wèi)星通信在航空應(yīng)急救援領(lǐng)域已得到一定規(guī)模的應(yīng)用，有助于提升應(yīng)急事件處置部門事前預(yù)警、事中決策、事后評估的能力。應(yīng)急救援型航空器通過加裝衛(wèi)星地球站，可建立與指揮中心的超視距寬帶通信鏈路，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場圖像向指揮中心的實(shí)時回傳以及與指揮中心的信息交互，進(jìn)一步發(fā)揮航空應(yīng)急救援響應(yīng)速度快、機(jī)動能力強(qiáng)、救援范圍廣等優(yōu)勢。

應(yīng)急救援型航空器在國內(nèi)森林消防、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、抗震救災(zāi)、空中交通巡視等突發(fā)事件的處置中均發(fā)揮重要作用，依托機(jī)載站構(gòu)建空中應(yīng)急通信平臺，將合成孔徑雷達(dá)、光電吊艙、高清攝像機(jī)采集的現(xiàn)場偵察信息，通過機(jī)載站回傳至指揮中心，為突發(fā)事件處置提供有力保障。星展測控作為國內(nèi)直升機(jī)機(jī)載站的主要供應(yīng)商，可安裝在歐直EC130系列、空客小松鼠、貝爾407 等型號直升機(jī)，采用Ku 頻段平板波導(dǎo)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(zhèn)森林火災(zāi)、2019 年山西省長治市森林火災(zāi)、2019 年云南省大理州森林火災(zāi)等森林消防災(zāi)情偵察中得到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。我國大型無人機(jī)已多次參與應(yīng)急救援任務(wù)，利用衛(wèi)星通信搭建空中應(yīng)急中繼通信平臺，例如彩虹-4 無人機(jī)為四川涼山木里森林火災(zāi)、云南地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等事件處置提供信息回傳，翼龍-2H 應(yīng)急救災(zāi)型無人機(jī)在2021 年7 月為河南省鞏義市米河鎮(zhèn)受災(zāi)地區(qū)提供移動通信信號覆蓋。彩虹-4 無人機(jī)搭載的Ku 頻段機(jī)載站，天線單元為低剖面反射面天線，采用INS/GNSS 組合導(dǎo)航+衛(wèi)星信標(biāo)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(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用探索

我國未來將逐漸完善中低軌高通量衛(wèi)星星座、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等新型空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，形成地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星通信與中低軌衛(wèi)星通信共同發(fā)展的格局。在開展傳統(tǒng)機(jī)載衛(wèi)星應(yīng)用的同時，根據(jù)中低軌衛(wèi)星星座、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的低時延、信號增益強(qiáng)、動態(tài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，進(jìn)一步拓展機(jī)載衛(wèi)星通信的應(yīng)用場景，探索機(jī)載衛(wèi)星通信的“互聯(lián)網(wǎng)+”、位置服務(wù)、多頻段一體化等新應(yīng)用，促進(jìn)機(jī)載衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展。

1.“互聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用

中低軌高通量衛(wèi)星星座具有通信鏈路時延短、信號增益強(qiáng)、通信容量高等優(yōu)點(diǎn)，適用于對時延要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用場景，可將“互聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用場景拓展至機(jī)載環(huán)境，實(shí)現(xiàn)5G 移動通信的空地一體化應(yīng)用。但也存在可見波束覆蓋時間短、多普勒效應(yīng)較為嚴(yán)重、波束跟蹤與切換較為頻繁等缺點(diǎn)。

由于中低軌通信衛(wèi)星的動態(tài)性較大，傳統(tǒng)機(jī)械式衛(wèi)星天線單元動態(tài)跟蹤范圍受限，難以有效執(zhí)行波束切換，存在因波束切換而導(dǎo)致通信鏈路中斷的問題，無法在機(jī)載領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。二維相控陣衛(wèi)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(jī)械慣性等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為機(jī)載衛(wèi)星通信的解決方案。機(jī)載二維相控陣衛(wèi)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(wèi)星通信網(wǎng)與中低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)間切換等問題，未來可滿足在不同軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)之間的漫游應(yīng)用需求。

中低軌高通量衛(wèi)星通信能夠帶動沉浸式業(yè)務(wù)、實(shí)時業(yè)務(wù)、互動式業(yè)務(wù)在機(jī)載環(huán)境的推廣應(yīng)用，將陸地5G 應(yīng)用場景拓展至民航客機(jī)客艙內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)與機(jī)載衛(wèi)星通信的融合應(yīng)用。在客艙Wi-Fi 服務(wù)領(lǐng)域，中低軌高通量衛(wèi)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(wèi)生領(lǐng)域，開展機(jī)載遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智慧診療與衛(wèi)星通信的融合應(yīng)用。利用衛(wèi)星通信搭建救護(hù)現(xiàn)場與后方診療中心的生命通道，在航空轉(zhuǎn)運(yùn)途中即可實(shí)施遠(yuǎn)程會診與救治，進(jìn)一步發(fā)揮航空醫(yī)療救護(hù)的時效優(yōu)勢，完善航空醫(yī)療救護(hù)體系，提高救治效率。

2.位置服務(wù)應(yīng)用

航空搜救在搜救過程中需實(shí)時掌握搜救區(qū)域和飛機(jī)自身的位置信息，將搜救現(xiàn)場圖像和位置信息利用機(jī)載站回傳至指揮中心。由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有接收功率較低、抗干擾能力差等天然脆弱性，導(dǎo)致在山區(qū)、峽谷等低空區(qū)域內(nèi)以及復(fù)雜電磁環(huán)境下可能無法提供定位服務(wù)，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(wèi)星星座的衛(wèi)星通信導(dǎo)航融合應(yīng)用，有效提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)拒止場景的航空搜救能力，有助于指揮機(jī)構(gòu)實(shí)時監(jiān)控搜救區(qū)域的動態(tài)信息，及時掌握總體態(tài)勢發(fā)展情況，以便快速、準(zhǔn)確地做出評估與決策。在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，機(jī)載站的信道單元設(shè)備利用單音信號提取多普勒頻移，實(shí)現(xiàn)自身定位，除支持衛(wèi)星通信功能外，還具有不依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能，形成位置服務(wù)的新應(yīng)用形態(tài)。

機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航的融合應(yīng)用有助于擺脫對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的過度依賴，有效應(yīng)對定位服務(wù)可用性、可靠性所面臨的潛在威脅，增強(qiáng)對各類任務(wù)變化的適應(yīng)能力，提升在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障、電磁干擾、復(fù)雜區(qū)域等情況下的搜救能力。

3.多頻段一體化應(yīng)用

針對未來低軌通信衛(wèi)星可搭載支持ADS-B 載荷的特點(diǎn)，探索融合L/S 頻段窄帶空中交通管理業(yè)務(wù)與Ku/Ka 寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)融合的多頻段一體化機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用，未來可適用于航空應(yīng)急救援應(yīng)用場景。通過在應(yīng)急救援型通用航空器搭載多頻段一體化機(jī)載站，實(shí)現(xiàn)窄帶駕駛艙型機(jī)載站與寬帶通用航空型機(jī)載站的融合，解決應(yīng)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(shí)現(xiàn)單個機(jī)載站可同時接入不同衛(wèi)星通信網(wǎng)的應(yīng)用。多頻段一體化機(jī)載站利用窄帶通信鏈路傳輸空中交通管理、語音、飛機(jī)健康監(jiān)測等數(shù)據(jù)，利用寬帶通信鏈路傳輸現(xiàn)場偵察圖像、遙感圖像等信息。

多頻段一體化機(jī)載衛(wèi)星通信在保障航空器安全飛行的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)揮航空應(yīng)急救援機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時借助人工智能、大數(shù)據(jù)、圖像識別等智慧技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對救援現(xiàn)場的實(shí)時研判，提高突發(fā)事件的處置效率。多頻段一體化機(jī)載衛(wèi)星通信將帶動航空應(yīng)急救援的深入發(fā)展，促進(jìn)其在具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AC 系列直升機(jī)、大中型無人機(jī)、大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機(jī)AG600 等通用航空器的應(yīng)用，有效提升我國處置應(yīng)急救援、海上搜救、醫(yī)療救護(hù)等突發(fā)事件的綜合救援保障能力。

五、結(jié)論

隨著全球各類窄帶、高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的開通運(yùn)營，機(jī)載衛(wèi)星通信在空中交通管理、客艙Wi-Fi 服務(wù)、災(zāi)害防治、應(yīng)急救援、醫(yī)療救護(hù)等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，改善“航程信息孤島”的現(xiàn)狀。在我國空間基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善的背景下，探索我國機(jī)載衛(wèi)星通信在中低軌衛(wèi)星星座、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)場景下的“互聯(lián)網(wǎng)+”、位置服務(wù)、多頻段一體化等新應(yīng)用以及與大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等智慧技術(shù)的融合應(yīng)用，豐富機(jī)載衛(wèi)星通信的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用場景，可適應(yīng)未來相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用需求。

未來在發(fā)展機(jī)載衛(wèi)星通信時，應(yīng)加強(qiáng)機(jī)載站標(biāo)準(zhǔn)化與適航認(rèn)證工作，明確每款機(jī)載站的功能與性能指標(biāo)。以民航客機(jī)、專用直升機(jī)、大中型無人機(jī)的機(jī)載站作為重點(diǎn)方向，規(guī)范機(jī)載站的尺寸重量、材料質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、數(shù)據(jù)接口、環(huán)境實(shí)驗(yàn)、電磁兼容、搭載安裝方式、維護(hù)保養(yǎng)等具體技術(shù)要求，解決機(jī)載站專業(yè)化和通用化的問題，實(shí)現(xiàn)即插即用，為機(jī)載站的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。