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        寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用

        2023-07-20 02:01:14趙文強(qiáng)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
        衛(wèi)星應(yīng)用 2023年4期
        關(guān)鍵詞:客艙衛(wèi)星通信寬帶

        文 | 趙文強(qiáng) 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

        智慧客艙是集通信、人工智能、大數(shù)據(jù)和人機(jī)工程學(xué)的復(fù)雜工程,客艙智能化是未來民用飛機(jī)客艙設(shè)計的核心?!盎ヂ?lián)網(wǎng)+”時代,航空公司基于互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式正在發(fā)生改變,智慧客艙將是最好的降低成本和擴(kuò)展增值的服務(wù),將給航空公司帶來全新的商業(yè)模式。未來飛行不僅要具備乘客、乘組、智能終端設(shè)備與飛機(jī)客艙四者之間的信息交互能力,還要實現(xiàn)飛機(jī)和地面通信網(wǎng)絡(luò)之間的高速互聯(lián)。因此,針對寬帶通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用研究具有重要的意義。

        二、客艙寬帶通信技術(shù)概述

        目前,客艙寬帶通信實現(xiàn)方式主要有兩種,如圖1所示:一種是基于4G/5G技術(shù)的ATG通信技術(shù),該技術(shù)是在陸地航線上部署地面基站,實現(xiàn)飛機(jī)與地面基站之間的高速互聯(lián);另一種是衛(wèi)星寬帶接入技術(shù),可以實現(xiàn)跨洋跨洲的寬帶服務(wù)功能,信號范圍可以覆蓋到非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)。從覆蓋范圍和穩(wěn)定性來看,衛(wèi)星通信技術(shù)優(yōu)勢明顯,衛(wèi)星通信可以滿足全天候全天時且不受地域限制的通信需求。

        圖1 航空寬帶通信的兩種實現(xiàn)方式

        航空互聯(lián)網(wǎng)作為衛(wèi)星通信的重要應(yīng)用場景,有著廣闊的發(fā)展前景。國外尤其是歐美區(qū)域航空互聯(lián)市場是客艙衛(wèi)星通信發(fā)展最早也是最為成熟的市場,美聯(lián)航、德國漢莎航空公司、美國西南航空等大型航空公司在歐洲、北美和亞洲等眾多航線上提供基于Ku頻段靜止軌道衛(wèi)星的機(jī)載寬帶通信服務(wù),Gogo公司在2016 年開始提供Ka頻段服務(wù)。相比國外,中國航空公司加裝寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備的速度存在一定的差距,但是勢頭也非常迅猛。東方航空公司和南方航空公司已經(jīng)在部分寬體客機(jī)上加裝了機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng),青島航空公司在2020年7月完成了基于中星16號的首次驗證飛行[1]。從目前來看,各大航空公司已經(jīng)充分意識到加裝寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要性,并且隨著未來高通量衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星和空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,基于寬帶衛(wèi)星的空地信息傳輸能提供充足的帶寬資源,是未來全球航空應(yīng)用發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

        三、衛(wèi)星通信技術(shù)賦能客艙智能化發(fā)展

        民機(jī)客艙存在大量的空地寬帶傳輸需求,寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備滿足客艙寬帶通信需求的獨(dú)特潛力,除本身不受各種自然災(zāi)害的影響,可進(jìn)行全天候、全天時通信的特點(diǎn)之外,還具有地域廣、速率高、服務(wù)類型豐富的特點(diǎn),具體特點(diǎn)如下:

        1)覆蓋地域廣:衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍能達(dá)到全球覆蓋,涵蓋了陸基通信系統(tǒng)如VHF、HF和ATG等無法覆蓋的區(qū)域。

        2)通信速率高:寬帶衛(wèi)星通信的速度可達(dá)每秒數(shù)十兆甚至百兆,能為航空運(yùn)管提供話音和大流量數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),可以滿足智慧客艙的數(shù)據(jù)傳輸需求。

        3)服務(wù)類型豐富:高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持IPv4和IPv6協(xié)議,具備接入互聯(lián)網(wǎng)和ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)能力,從而實現(xiàn)與現(xiàn)有的航空數(shù)據(jù)鏈和互聯(lián)網(wǎng)的融合,在滿足乘客上網(wǎng)需求的同時也可實現(xiàn)航司運(yùn)營數(shù)據(jù)和飛機(jī)健康數(shù)據(jù)的實時傳輸。

        除此之外,寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)還可以與人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣計算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合,為客艙提供豐富的航空信息化服務(wù),真正讓乘客體驗到機(jī)上地面無差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。借助這些先進(jìn)技術(shù),客艙將更加智能、更加舒適和更加安全,主要體現(xiàn)在:

        1)傳統(tǒng)的環(huán)控系統(tǒng)將向綜合感知與控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變,通過溫濕度傳感器、煙霧報警器、可燃?xì)鈭缶鞯戎悄軅鞲衅鳎瑸橹腔劭团撎峁崟r環(huán)境檢測,乘組和航空公司可更加方便了解客艙環(huán)境,同時也能實現(xiàn)客艙環(huán)境智能控制,帶給乘客一個更加舒適的飛行環(huán)境。

        2)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在客艙中得以應(yīng)用:利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)客艙中智能設(shè)備(如座椅、舷窗、椅背顯示屏、行李架等)和乘客可穿戴式智能設(shè)備(如手環(huán)、智能手表、智能旅行箱等)相連接,方便乘客放置和拿取行李。同時也可通過人臉識別和智能AR眼鏡的實時拍攝功能,完成乘客登機(jī)計數(shù)、信息核對、VIP服務(wù)、行為監(jiān)測等功能。

        3)客艙娛樂將更加豐富:智慧客艙為乘客帶來更加流暢的上網(wǎng)體驗,滿足乘客的互聯(lián)網(wǎng)接入需求,還可根據(jù)乘客喜好推送相應(yīng)的服務(wù),使乘客在出行過程中具備和地面一樣的上網(wǎng)體驗。

        四、智慧客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)及組成

        智慧客艙寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)利用衛(wèi)星作為通信中繼,實現(xiàn)飛機(jī)-衛(wèi)星-地面用戶之間的網(wǎng)絡(luò)通信。機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由智慧客艙無線接入子系統(tǒng)、衛(wèi)星傳輸子系統(tǒng)、地面網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)三部分組成,如圖2所示,用于完成機(jī)上個人移動終端和客艙智能終端與地面通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的互聯(lián)互通,實現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、多媒體等通信業(yè)務(wù)。各子系統(tǒng)組成和功能如下:

        圖2 機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本組成框圖

        1)智慧客艙無線接入子系統(tǒng):包括多制式微型基站、交換控制設(shè)備、乘客移動終端、客艙智能終端等設(shè)備,主要完成手機(jī)、平板等乘客移動終端的類型識別與空口對接、移動終端的接入識別和鑒權(quán)認(rèn)證、機(jī)上移動終端的業(yè)務(wù)請求和實現(xiàn)、終端用戶數(shù)據(jù)存儲和計費(fèi)管理,完成與衛(wèi)星傳輸鏈路、地面網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)接和信息交互。

        · 乘客移動終端:指乘客隨身攜帶的支持地面移動通信的手機(jī)、平板電腦、便攜電腦等通信設(shè)備,支持機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)的接入;

        · 客艙智能終端:包括客艙視頻監(jiān)控設(shè)備、客艙娛樂設(shè)備、座椅壓力傳感器以及各種溫度、濕度、壓力和風(fēng)量等智能監(jiān)控傳感器,可以完成對乘客的身份認(rèn)證、登機(jī)指引、機(jī)上娛樂以及客艙安全監(jiān)控等功能;

        · 多制式微型基站:能夠提供2G/3G/4G/LTE/5G/WLAN(WiFi)等不同通信體制的無線信號接入的小型基站,用以完成在飛機(jī)上對乘客移動終端的無線信號識別、空口對接和信息交互,提供話音、短信、多媒體等通信服務(wù);

        · 交換控制設(shè)備:包括處理器、存儲器、服務(wù)器等設(shè)備,用以完成手機(jī)等乘客移動終端和客艙智能終端接入寬帶衛(wèi)星通信所需的設(shè)備識別、鑒權(quán)認(rèn)證、IP地址動態(tài)分配、路由、流量和帶寬控制、計費(fèi)管理以及機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備與機(jī)載基站之間的信號轉(zhuǎn)接與控制等功能。

        2)衛(wèi)星傳輸子系統(tǒng):包括機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備、通信衛(wèi)星、地面信關(guān)站,為飛機(jī)提供接入地面通信網(wǎng)絡(luò)的空中無線鏈路支持,實現(xiàn)在國內(nèi)/國際航線上的全天候全天時的無線信號接入。

        3)地面網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng):包括地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、用戶數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、信息處理與配置單元、計費(fèi)管理設(shè)備和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備,在航空旅客寬帶衛(wèi)星通信中提供移動終端與地面通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入、信息處理配置服務(wù)、位置登記、用戶數(shù)據(jù)管理和計費(fèi)管理等功能。

        五、智慧客艙寬帶通信應(yīng)用場景

        智慧客艙相比于傳統(tǒng)的客艙服務(wù)會引入更多的電子化服務(wù),為乘組提供高效、易用、好用的設(shè)備,為乘客提供愉悅、驚喜、沉浸式的飛行體驗[2]。未來全球互聯(lián)網(wǎng)覆蓋將由地面發(fā)展至空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。屆時,民航出行將與互聯(lián)網(wǎng)深度融合。在這種背景下,智慧客艙的應(yīng)用將成為現(xiàn)實。未來智慧客艙通過集成化的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”,在乘客和飛機(jī)之間建立一個智能化的互動界面,可以實時感知乘客需求并對乘客的需求做出響應(yīng),給乘客帶來不同層次的定制化飛行體驗,乘客可以在飛機(jī)上線上辦公,也可以享受網(wǎng)上沖浪的樂趣??傊瑢拵l(wèi)星通信系統(tǒng)不僅可以為乘客提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù),還能提升航班飛行效率,提升智慧客艙舒適性、便捷性和安全性,具體應(yīng)用場景如下。

        1)提供旅客服務(wù)推送應(yīng)用:通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空地鏈路,配合地面的云計算服務(wù)器,對乘客的個人信息、生活習(xí)慣、出行信息、行為模式等進(jìn)行分析,經(jīng)過人工智能和大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)后,為旅客提供智能推送服務(wù),方便乘務(wù)員為乘客提供潛在需求推送服務(wù),提升乘客的飛行體驗和對航空公司的滿意度。

        2)提供客艙物聯(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,實現(xiàn)對乘客健康的監(jiān)控、出行信息的獲取,再利用寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)將客艙物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連接,提供乘客全出行周期的數(shù)據(jù)服務(wù),真正的實現(xiàn)智慧出行。

        3)提高飛機(jī)的維修預(yù)見性:基于寬帶衛(wèi)星的通信網(wǎng)絡(luò),實時獲取飛機(jī)的健康數(shù)據(jù),提高系統(tǒng)、設(shè)備的維修預(yù)見性,從而減輕航線維護(hù)工作,縮短維修準(zhǔn)備時間。

        4)乘客緊急醫(yī)療:利用高通量衛(wèi)星通信技術(shù)助力乘客緊急醫(yī)療,能夠支持遠(yuǎn)程高清會診和醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的高速傳輸與共享,并讓地面專家能隨時隨地開展會診和提供診療意見和救護(hù)指導(dǎo),對于進(jìn)一步提高保障機(jī)上乘客生命安全能力具有重要意義。

        5)客艙安全監(jiān)控:智慧客艙系統(tǒng)將人、設(shè)備以及客艙環(huán)境融合成統(tǒng)一的整體,從中提取有用信息,針對乘客的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識和建模,利用人工智能、人臉識別等多種專業(yè)技術(shù),對乘客人臉識別監(jiān)控,對旅客身份、行為等特征進(jìn)行預(yù)測和推理,發(fā)現(xiàn)乘客中的危險行為,遇到劫機(jī)危險和緊急情況,乘務(wù)和機(jī)組人員通過寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)第一時間和地面聯(lián)系,提高應(yīng)急響應(yīng)速度,提升客艙安全性,保障乘客生命安全和飛機(jī)飛行安全。

        6)客艙環(huán)控信息實時監(jiān)控:環(huán)控系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)必不可少的保障系統(tǒng),其作用是保證飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)的空氣溫度、壓力、流量、濕度、氣流速度和清潔度等參數(shù)控制在合理范圍內(nèi),確保機(jī)上人員的安全舒適以及機(jī)載電子設(shè)備正常工作。利用寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)將前端傳感器數(shù)據(jù)下傳到航司的地面服務(wù)器,實現(xiàn)對智慧客艙環(huán)境、消防安全情況的實時監(jiān)控,保障飛行安全。

        六、面臨的問題

        1.網(wǎng)絡(luò)安保問題

        寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用雖然滿足了飛機(jī)在飛行過程中和地面間進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的信息交互需求,但是智慧客艙網(wǎng)絡(luò)是一個建立于多種網(wǎng)絡(luò)之上的運(yùn)營網(wǎng)絡(luò),用戶數(shù)據(jù)可能穿越各種接入網(wǎng)絡(luò)及不同廠商提供的網(wǎng)絡(luò)功能實體,可能會導(dǎo)致飛機(jī)的安全信息和用戶隱私數(shù)據(jù)散布在網(wǎng)絡(luò)的各個角落。因此,寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用必須全面考慮數(shù)據(jù)在各種接入技術(shù)以及不同運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)中穿越時所面臨的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險,需要制定周全的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)安保策略和乘客隱私防護(hù)策略,保障飛機(jī)的飛行安全和乘客信息安全。

        2.商業(yè)運(yùn)營問題

        寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的高速、穩(wěn)定和安全是其在智慧客艙成功應(yīng)用的根本,但是乘客和航空公司愿意用、用得起、用得滿意才是寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)快速發(fā)展和成功商業(yè)運(yùn)營的原始動力。因此,客艙寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化服務(wù)的一個關(guān)鍵是解決流量費(fèi)用高的問題,這需要衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、航空公司、機(jī)載設(shè)備供應(yīng)商以及內(nèi)容運(yùn)營商等多方協(xié)同努力,創(chuàng)新商業(yè)模式,擴(kuò)展利潤空間,才能促進(jìn)機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中成功應(yīng)用,保證客艙寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

        七、總結(jié)

        隨著高通量衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星通信的快速部署,寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)將在民航中應(yīng)用越來越廣泛。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備的高帶寬和廣覆蓋特點(diǎn),可以為未來智慧客艙帶來廣泛的應(yīng)用場景,將徹底打破機(jī)上信息孤島局面,實現(xiàn)智慧客艙豐富的信息化服務(wù),增強(qiáng)飛機(jī)的飛行安全,帶給乘客舒適的飛行體驗,同時寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)也面臨著網(wǎng)絡(luò)安保和運(yùn)營問題亟待解決。

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