机载卫星通信发展现状与应用探索

文│高鑫 刘晓滨 郭辰阳

1.北京航天控制仪器研究所

2.国家发展和改革委员会国际合作中心

3.国家低空经济融合创新研究中心

一、引言

随着经贸往来的频繁与交流合作的增多，民航运输业得到长足的发展，航空出行已呈现大众化趋势。由于移动电子设备与即时通信工具的普及应用，人们已习惯于随时随地访问互联网，在旅程中对航空客舱宽带业务需求强烈。与此同时，低空空域管理改革试点不断推进，通用航空业进入快速发展阶段，发展潜能得到释放，承担突发事件处置与公益性服务的飞行架次显著增加。在依托通用航空器执行森林防火、灾害防治、医疗救护、遥感测绘等任务时，相关指挥机构与现场人员对机载应急通信需求迫切，以达到提高指挥调度反应速度，增强公共安全保障能力，维护社会安全稳定等预期目标。

空中仍然是一座信息孤岛，难以利用陆地移动通信网络实现空中全覆盖，可利用卫星通信解决航空通信的问题。通过加装卫星地球站，实现机载环境的实时通信，告别“航程信息孤岛”的现状。卫星通信是利用人造地球卫星作为空间中继站来转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行信息交换的通信方式。卫星通信因具有传输距离远、覆盖范围广、不受地形地貌限制等优点，其终端只要在通信卫星的波束覆盖范围内即可与远端站进行信息交换，解决陆地网络无法覆盖区域的通信需求。

本文介绍了机载卫星通信及其在空中交通管理、客舱Wi-Fi 服务、应急救援等领域的国内外应用现状。探索我国在中低轨高通量卫星星座、卫星互联网等场景下，可开展的新型机载卫星通信应用。根据中低轨卫星星座、卫星互联网的低时延、信号增益强、动态性强等特点，探索我国可开展的机载卫星通信“互联网+”、位置服务、多频段一体化等新应用，促进机载卫星通信产业的新发展。

二、机载卫星通信简介

机载卫星通信网由空间段、地面段、用户端组成，空间段为不同轨道的通信卫星，地面段包括中心站、信关站、测控站等，用户段分为驾驶舱型、客舱型、通用航空型等三类机载卫星地球站（简称机载站）。驾驶舱型机载站接入卫星移动通信网，通常使用L 频段，以传输空中交通管理、飞行监测等窄带信息为主要业务，实现与空管中心的信令交互。客舱型机载站接入高通量卫星通信网，使用Ka/Ku 频段，通过信关站接入互联网。通用航空型机载站接入宽带专用卫星通信网，主要使用Ku 频段，承担自然灾害、事故灾难、医疗救护等突发事件处置的应急通信任务。

机载站通常由天线单元、射频设备单元、信道设备单元、终端接口设备单元、监控显示设备单元等组成，如图1所示。驾驶舱型机载站由于速率较低，可采用全向天线单元，而客舱型和通用航空型机载站应具有低轮廓特征，以减少对飞机空气阻力的影响。信道设备单元与船/车载卫星移动地球站有所不同，应具备应对天线单元口径受限、功率受限、多普勒效应、信道衰落等影响因素的能力，在复杂无线通信信道下实现低信噪比条件的信息接收能力。此外，适用于旋翼机的信道设备单元还需解决旋翼间歇性遮挡问题。

图1 机载卫星地球站的组成单元

三、机载卫星通信国内外应用现状

1.空中交通管理领域应用现状

目前世界各国主要利用国际移动卫星公司（Inmarsat）第四代卫星通信网（BGAN）、铱卫星通信网提供空中交通管理服务。BGAN 通过提供Classic Aero、Swift-64、Swift-Broadband（SBB） 等服务来支持驾驶舱内语音、传真和数据通信的高安全级别通信。“下一代铱卫星”通信网支持星载广播式自动相关监视（ADS-B）功能，提供全球范围的民航客机追踪服务。美国霍尼韦尔公司推出可接入铱卫星通信网的驾驶舱型机载站Aspire 300，其提供的驾驶舱语音和安全服务已获得国际民航组织批准。Aspire 300 的体积比其他型号小75%，天线单元尺寸小90%。Garmin 国际公司推出的一款高4 英寸、宽2 英寸、重3.5 盎司的驾驶舱型机载站，可在全球任何地点接入铱卫星通信网。

2.客舱Wi-Fi 服务领域应用现状

在民航客机中，客舱型机载站作为与互联网连接的边界节点，通过终端接口设备连接客舱内部Wi-Fi 设备，为旅客提供互联网接入服务。目前，客舱型机载站已向Ku 频段、Ka 频段发展，具有高速率、高通量、支持星间漫游等特点。近年来，Inmarsat“全球快讯”、国际通信卫星公司（Intelsat）Epic NG、卫讯-1、卫讯-2、亚太6D 等国内外多个高通量卫星通信网陆续开通运营。与此同时，卫星通信运营商之间已签署漫游接入服务协议，允许所属卫星地球站的网间漫游。这些因素可实现卫星通信波束对民航客机航线的全程无缝覆盖，为基于卫星通信向民航客舱提供Wi-Fi 服务的大规模应用创造了便利条件。

美国霍尼韦尔公司作为世界主要客舱型机载站的供应商，拥有JetWave 机载站系列产品。JetWave MCS-8200 型号支持“全球快讯”机载卫星通信业务，提供高速率、全球无缝覆盖的客舱Wi-Fi 服务，旅客在机上可享受与陆地宽带网络相媲美的服务品质，已在德国汉莎航空、新西兰航空、新加坡航空等多家航空公司的民航客机中应用。JetWave MCS-8420 型号可连接中国的Ka 频段高通量卫星通信网，在国内多家航空公司进行应用，最高下行速率为180Mbit/s。

法国泰勒斯公司、日本松下航空电子公司等同样开启机载宽带卫星通信的应用。2019 年，泰勒斯公司与欧洲卫星公司（SES）合作，成功地在SES公司高通量通信卫星和O3b 中轨道高通量通信卫星之间进行多轨道卫星波束无缝切换，在湾流公司的G-3 飞机上实现高质量、稳定的4K 视频流、电子商务交易、互动游戏和网络浏览等应用，最高下行速率可达265Mbit/s。日本松下航空电子公司推出“eXConnect”机载Wi-Fi 系统，利用Ku 频段通信卫星提供互联网接入服务，目前已在中国东方航空航班安装应用。

近年来，我国空间基础设施逐渐完善，中星十六号、亚太6D 高通量卫星通信网已投入运营，已经具备利用我国自主研制的高通量通信卫星提供客舱Wi-Fi 服务应用的条件。2020 年7 月，中国首架高速卫星互联网飞机——青岛航空QW9771 航班首航成功，机上搭载中国卫通基于中星十六号的客舱型机载站。2021 年9 月，中国电科航空电子公司发布国内首款基于相控阵天线单元的Ka 频段客舱型机载站，最高下行速率超过100Mbit/s，支持视频会议、VoIP、实时文件传输等空地互联应用。与传统机械天线相比，该型号机载地球站总重量减轻50%、高度降低80%，气动阻力降低80%，未来可适用于卫星互联网，具有广阔应用前景。

3.应急救援领域应用现状

航空应急救援作为一种应对社会突发事件的常用处置手段，已经成为世界许多国家应急救援体系的重要组成部分和主要救援力量。机载卫星通信在航空应急救援领域已得到一定规模的应用，有助于提升应急事件处置部门事前预警、事中决策、事后评估的能力。应急救援型航空器通过加装卫星地球站，可建立与指挥中心的超视距宽带通信链路，实现现场图像向指挥中心的实时回传以及与指挥中心的信息交互，进一步发挥航空应急救援响应速度快、机动能力强、救援范围广等优势。

应急救援型航空器在国内森林消防、地质灾害监测、抗震救灾、空中交通巡视等突发事件的处置中均发挥重要作用，依托机载站构建空中应急通信平台，将合成孔径雷达、光电吊舱、高清摄像机采集的现场侦察信息，通过机载站回传至指挥中心，为突发事件处置提供有力保障。星展测控作为国内直升机机载站的主要供应商，可安装在欧直EC130系列、空客小松鼠、贝尔407 等型号直升机，采用Ku 频段平板波导喇叭阵列天线，最高上下行速率均为4Mbit/s，在2021 年衢州市开化县池淮镇森林火灾、2019 年山西省长治市森林火灾、2019 年云南省大理州森林火灾等森林消防灾情侦察中得到实战应用。我国大型无人机已多次参与应急救援任务，利用卫星通信搭建空中应急中继通信平台，例如彩虹-4 无人机为四川凉山木里森林火灾、云南地质灾害监测等事件处置提供信息回传，翼龙-2H 应急救灾型无人机在2021 年7 月为河南省巩义市米河镇受灾地区提供移动通信信号覆盖。彩虹-4 无人机搭载的Ku 频段机载站，天线单元为低剖面反射面天线，采用INS/GNSS 组合导航+卫星信标极值跟踪的组合跟踪策略，最高上下行速率均为8Mbit/s。

四、我国机载卫星通信应用探索

我国未来将逐渐完善中低轨高通量卫星星座、卫星互联网等新型空间信息基础设施，形成地球静止轨道（GEO）卫星通信与中低轨卫星通信共同发展的格局。在开展传统机载卫星应用的同时，根据中低轨卫星星座、卫星互联网的低时延、信号增益强、动态性强等特点，进一步拓展机载卫星通信的应用场景，探索机载卫星通信的“互联网+”、位置服务、多频段一体化等新应用，促进机载卫星通信产业的新发展。

1.“互联网+”应用

中低轨高通量卫星星座具有通信链路时延短、信号增益强、通信容量高等优点，适用于对时延要求较为严格的应用场景，可将“互联网+”应用场景拓展至机载环境，实现5G 移动通信的空地一体化应用。但也存在可见波束覆盖时间短、多普勒效应较为严重、波束跟踪与切换较为频繁等缺点。

由于中低轨通信卫星的动态性较大，传统机械式卫星天线单元动态跟踪范围受限，难以有效执行波束切换，存在因波束切换而导致通信链路中断的问题，无法在机载领域进行应用。二维相控阵卫星天线单元采用电子波束扫描跟踪方式，具有跟踪速度快、轮廓低、体积小、无机械惯性等优点，已逐步成为机载卫星通信的解决方案。机载二维相控阵卫星天线单元可解决多波束切换管理、多星信号灵活接收以及GEO 卫星通信网与中低轨卫星通信网的网间切换等问题，未来可满足在不同轨道卫星通信网之间的漫游应用需求。

中低轨高通量卫星通信能够带动沉浸式业务、实时业务、互动式业务在机载环境的推广应用，将陆地5G 应用场景拓展至民航客机客舱内部，实现虚拟现实（VR）、人工智能（AI）、大数据等现代信息技术与机载卫星通信的融合应用。在客舱Wi-Fi 服务领域，中低轨高通量卫星通信能够使旅客享受在线直播、线上观展、沉浸式VR 直播、VR沉浸式互动游戏等娱乐活动所带来的视听盛宴，丰富旅客的精神文化生活，避免长时间旅途所引起的精神疲劳。在公共卫生领域，开展机载远程医疗应用，实现智慧诊疗与卫星通信的融合应用。利用卫星通信搭建救护现场与后方诊疗中心的生命通道，在航空转运途中即可实施远程会诊与救治，进一步发挥航空医疗救护的时效优势，完善航空医疗救护体系，提高救治效率。

2.位置服务应用

航空搜救在搜救过程中需实时掌握搜救区域和飞机自身的位置信息，将搜救现场图像和位置信息利用机载站回传至指挥中心。由于卫星导航系统具有接收功率较低、抗干扰能力差等天然脆弱性，导致在山区、峡谷等低空区域内以及复杂电磁环境下可能无法提供定位服务，制约其在特殊场景的航空搜救能力。积极探索基于高通量低轨卫星星座的卫星通信导航融合应用，有效提升卫星导航系统拒止场景的航空搜救能力，有助于指挥机构实时监控搜救区域的动态信息，及时掌握总体态势发展情况，以便快速、准确地做出评估与决策。在低轨卫星通信系统中，机载站的信道单元设备利用单音信号提取多普勒频移，实现自身定位，除支持卫星通信功能外，还具有不依赖于卫星导航系统的定位功能，形成位置服务的新应用形态。

机载卫星通信导航的融合应用有助于摆脱对卫星导航系统的过度依赖，有效应对定位服务可用性、可靠性所面临的潜在威胁，增强对各类任务变化的适应能力，提升在卫星导航系统故障、电磁干扰、复杂区域等情况下的搜救能力。

3.多频段一体化应用

针对未来低轨通信卫星可搭载支持ADS-B 载荷的特点，探索融合L/S 频段窄带空中交通管理业务与Ku/Ka 宽带数据业务融合的多频段一体化机载卫星通信应用，未来可适用于航空应急救援应用场景。通过在应急救援型通用航空器搭载多频段一体化机载站，实现窄带驾驶舱型机载站与宽带通用航空型机载站的融合，解决应急救援型通用航空器安装空间、载荷重量、功耗等受限问题，实现单个机载站可同时接入不同卫星通信网的应用。多频段一体化机载站利用窄带通信链路传输空中交通管理、语音、飞机健康监测等数据，利用宽带通信链路传输现场侦察图像、遥感图像等信息。

多频段一体化机载卫星通信在保障航空器安全飞行的基础上，进一步发挥航空应急救援机动性强的特点，同时借助人工智能、大数据、图像识别等智慧技术，实现对救援现场的实时研判，提高突发事件的处置效率。多频段一体化机载卫星通信将带动航空应急救援的深入发展，促进其在具有自主知识产权的AC 系列直升机、大中型无人机、大型灭火/水上救援水陆两栖飞机AG600 等通用航空器的应用，有效提升我国处置应急救援、海上搜救、医疗救护等突发事件的综合救援保障能力。

五、结论

随着全球各类窄带、高通量卫星通信系统的开通运营，机载卫星通信在空中交通管理、客舱Wi-Fi 服务、灾害防治、应急救援、医疗救护等领域得到大量应用，改善“航程信息孤岛”的现状。在我国空间基础设施不断完善的背景下，探索我国机载卫星通信在中低轨卫星星座、卫星互联网场景下的“互联网+”、位置服务、多频段一体化等新应用以及与大数据、虚拟现实、人工智能等智慧技术的融合应用，丰富机载卫星通信的应用领域与应用场景，可适应未来相关行业的应用需求。

未来在发展机载卫星通信时，应加强机载站标准化与适航认证工作，明确每款机载站的功能与性能指标。以民航客机、专用直升机、大中型无人机的机载站作为重点方向，规范机载站的尺寸重量、材料质量、生产工艺、数据接口、环境实验、电磁兼容、搭载安装方式、维护保养等具体技术要求，解决机载站专业化和通用化的问题，实现即插即用，为机载站的大规模应用创造条件。