卫星数字通信技术在民航空管领域的应用与展望

王兆欣

（中国民用航空华北地区空中交通管理局，北京 100015）

自20世纪60年代，地球同步卫星成功发射并首次接收到同步卫星传回地球的信号以来，卫星通信逐步从以军备竞赛、科学研究为目的的活动转变为一种必要的通信手段。在通信系统中使用卫星通信技术已经成为现实生活中非常普遍的现象，从最基本最简单的用于接受卫星电视信号的碟形天线就可以看出卫星通信技术应用的普遍程度非同一般。由于卫星通信有着一些其他通信方式不可比拟的优点，如一颗卫星可以覆盖地球地面很大一片区域，对于远距离通信成本不敏感等特点，卫星通信也作为民航空管“两地一空”中的应急管制手段于2002年正式加入我所在的民航华北空管局这个大家庭。

一般来说，民航空管技术保障包括主要的两大部分，一个是管制员的眼睛，即雷达。航空器上的高频天线（HF）不断与地面工作站（BGS）中心通过地空数据链的方式实时交互数据，将下行的飞行数据（FDR）以飞机标牌的方式呈现给管制员。第二个，便是甚高频语音传输（VHF），目前是通过PCM 技术，点对点的将管制的指令传送到制定的甚高频台站，发送给覆盖区域内的被识别的航空器。通常情况下，这两大管制手段只需要微波技术和传统的敷设线缆通信技术即可实现，而且多为双链路冗余，自动倒切。

但出于民航空管行业的特殊性，航空器上的任何异常都会让管制员、机务员异常紧张，更不可能允许出现雷达、VHF 因传输链路中断而导致的真空期，所以民航空管领域引入了卫星通信技术作为地面路由全部失效后的应急手段。同样，对于国家与国家之间，涉及管制移交沟通的时候，因传统的电话网技术落后，会导致拨号时间较长、呼损率高等问题，且涉及电信运营商等外单位沟通的问题，也使用卫星电话作为主要沟通方式。

卫星通信技术虽然有诸多优点，如上述的一颗同步卫星便可覆盖一大片区域，且通信成本花费与物理位置远近几乎没有线性关系，但卫星通信技术也有着一些标志性的致命缺点，如天气因素、天文因素、大气损耗等对电磁波传输的影响，这些缺点在地面传输中是不存在。卫星是有源的，而卫星的供电只能依靠太阳能，当发生完全日蚀时，太阳能电池板不能接受到太阳能，卫星的工作只能靠本身的蓄电池供电。而如果此时，卫星处理的连接数较多，工作量较大时，就会导致耗电过快，导致卫星蓄电池电压过低等极端情况发生。而在日凌期间，太阳挡住了卫星，就像一个极大的噪声源，完全淹没了卫星传输给地球的信号，也会导致通信中断。同样，卫星天线发出的射频，是以电磁波的形式发射到卫星的接收天线，在此期间的雨雪冰雹等含水量较大的介质，会使大气折射率发生改变，形成雨衰等不利因素，影响通信质量。

北京区域管制中心（简称北京ACC）于2002年建成C 波段卫星通信系统，频段范围4-8GHz 使用中星10号卫星，C 波段卫星通信设备由室内单元、室外单元和一口直径为4.5米的天线三部分组成。室外单元主要由低噪声放大器、功率放大器、变频器、射频线缆、天线几部分组成，主要用于我局所辖华北管制区与外蒙管制进行国境管制移交的C 波段卫星电话，同时也作为外地远端与区管中心之间传输甚高频和雷达信号的备用路由。

图1 C波段上行频率、下行频率、衰减

北京ACCC 波段卫星传输系统采用的是美国Huge 休斯公司旗下的TESHDC2-AC 型号，该型号产品已经停产多年，室外单元中变频器和功率放大器几经保养维修，但效果不佳，目前处于设备疲劳期，面临的最大问题是设备老化导致的上星功率较低，目前技术人员已将上下行衰减均调整为0，但在特殊恶劣天气，如雨、雪、雾，还是会对上星功率产生影响，严重时可导致整个卫星节点下线，从而导致外蒙管制移交卫星电话失效，只能改用其他手段。而地面路由由于存在涉及外单位较多，路由跳数过多导致的延迟加大和与境外外单位部门协调等诸多问题，不容易把控，不利于找到故障点并排障。

图2 北京ACC卫星电话传输路由

从图2中可以看出，一通打到外蒙古管制中心的电话需要经过两次上星，且还需要经过北京网控中心机房交换机的处理，存在单一节点故障导致整条链路失效的可能，且卫星通信可以直接下行到外蒙地面卫星站天线，而由于统一布局等政策问题，北京出局的方向唯一出口目前只设立在北京网控中心，这样无法最大限度利用卫星通信技术的优点，存在冗余与中转路由增加的问题，为排除故障定位故障点带来不便。再加上北京ACC 室外单元高功率放大器年久老化的问题，对C 波段卫星传输系统进行改造成为目前最最迫切的需求！

我认为，卫星MODEM 技术，也就是卫星上网调制解调器的技术，可以更好的解决这个问题。相比于现在的64K 同步卫星链路，卫星MODEM 技术第一个优点就是带宽速度高，最高速度可以达到15Mbps，这对于仅需6.4Kbps 带宽的外蒙卫星电话业务来说是绰绰有余的。同时，卫星MODEM 技术只需要在原有的卫星天线及ODU 基础上，在室内单元加装一个卫星网络PCI板卡，即可完成卫星上网系统的部署，无需重新硬化土地假设额外的天线以及ODU 设备，避免不必要的开销。ComtechEFData 公司生产的CDM-570L 是一台L 波段中频的调制解调器，支持连接LNB 和BUC 射频设备。支持快捕解调，可通过升级支持Turbo Product Codec 编码，也可升级到支持8PSK 和16-QAM 调制。

图3 卫星调制解调器CDM-570L

CDM-570L 的设计是以固件和可编程门阵列为基础，通过串口可容易地对内部闪存进行升级。在1U 的设备封装里提供了高灵活性和出色的性能。CDM-570L 一项特殊的特性是对卫星链路远端站进行监控，通过使用ComtechEFData 享有专利的专用报头通道来实现。这种帧模式叫做EDMAC（内置式远端监控）。用户数据被分割成帧，然后添加额外的比特用来传送控制、状态和自动上行链路控制信息，这个过程对用户是完全透明的。远端站如选择能接受FSK 控制的上变频模块，其远端状态和控制也能通过EDMAC 信道来提供。操作员可以从前面板或通过监控口来配置和监控调制解调器。在调制解调器里可以存储十套完全配置的参数。事件日志把告警和状态信息存储在非易失的RAM 里，同时链路统计日志存储着链路特性信息，用于QoS 报告目的。除传统的串口监控以外，CDM-570L 提供一个10/100BaseT 的以太网接口用于设备管理，可以WebServer，SNMP 代理和Telnet等方式访问。

同样，在配置方面，卫星调制解调器技术也是非常方便，可以选择telnet 或者console 两种登陆方式，只需要像日常配置Vanguard 路由器一样去配置，无需像CISCO 一样的命令行，根据提示选择数字即可。

卫星上网技术需要租用网络服务商的链路，如民航空管等具有行业特殊性的业务，需要租用卫星专线，此外还需重新对卫星天线进行极化和对星调整，从原有的中星10号卫星调整为网络服务商提供的卫星位置。如果卫星上网系统部署成功，对于卫星传输路由的优化也可以进一步加强，管制员摘机后所传输的语音指令会通过专用卫星网络PCI 网卡转换为用于卫星传输的分组信息，经卫星室外单元处理发射到网络服务商的卫星，经过寻址转发到目的地地面卫星站，这之间的链路可以由原来的3跳减少为1跳，大大减少的延迟。

现我局也正在考虑采用卫星MODEM 技术对C 波段卫星传输系统进行升级改造，以解决至外蒙卫星电话设备老化问题，增加保障力度，实现平稳运行。我相信卫星数字通信技术的进步将不断深化到民航空管技术保障领域，为祖国的蓝天护航大放光彩！