卫星通信在航空互联网中的应用

文｜何文婷 段启云 时紫剑 毛孝峰

星航互联（北京）科技有限公司

一、引言

在航空领域为乘客提供机上通信服务已逐渐成为流行趋势，不论在地面还是在空中，大多数乘客都希望能保持互联网的连接。到目前为止，航空互联网的连接方式主要有三种：地空通信（ATG）、卫星通信以及混合式通信（同时使用ATG 和卫星通信）。而卫星通信在全球覆盖、服务可靠性等方面具有相对优势，对于跨洋航线也可以使飞机保持无缝连接，因此卫星通信成为航空公司提供航空互联网服务的主流选择。

二、航空互联网所用卫星演进过程

1. 频率使用及特点

卫星通信在航空领域的应用按工作频段可分为L 频段、Ku 频段和Ka 频段。在世界范围内，无线电频谱的使用均由国际电信联盟（ITU）管理分配。

在机载通信领域，L 频段的移动卫星通信服务第一个进入航空市场，其主要优点在于其全球覆盖和高可靠性，然而缺点在于数据速率低和服务价格高，目前在航空领域L 频段主要定位于低数据速率服务。由于L 频段可提供的带宽有限，到目前为止，机载卫星通信服务主要是通过Ku 频段提供的。而Ku 频段普遍存在剩余频谱资源有限的问题，其中Ku频段大波束卫星通信系统还有区域覆盖的劣势，提供航空互联网服务的提供商需要从不同的卫星或不同的运营商租用容量来建立网络，整体来说会导致通信系统功能、性能存在差异，也会存在频繁的波束切换，可能会造成用户业务中断。其实对于Ku/Ka高通量卫星系统来说也是如此，其窄点波束架构能够提供更高的容量，却导致了覆盖范围减小。

根据欧洲咨询报告，航空互联网用户体验对带宽预估值为[1]：

最小的浏览带宽：250kbit/s

可接受的浏览带宽：500kbit/s

流畅的浏览带宽：1Mbit/s

可接受的低质量视频流带宽：500kbit/s

高清晰度视频流期望值：不少于1.1Mbit/s单独看每个航空互联网用户体验对带宽的预估值并不是很难满足，但实际上对于单架飞机而言，航班所有乘客共享一个卫星通信终端的容量，而运输航空窄体机载客量为100～200 人，宽体机载客量在300 人以上。2021 年一架宽体飞机平均在中/长途航班中消耗约18GB 流量，其中大多数需求都来自视频流，在航程中，当多个用户播放视频时，流量的需求会急剧增加。此外，对于卫星运营商而言，所设计和发射运营的卫星通常业务类型广泛，每个波束只有部分容量会分配给航空业务，同一波束中同样存在多个航班的并发，随着航空互联网的发展，越来越多的飞机装备机载通信设备，采用同一连接平台的飞机则需共享特定波束中的可用容量。因此，对于高业务流量地区，卫星系统常存在覆盖不全、带宽不足的问题，国内90%以上的航线分布在中国东南部区域，东南部区域对于带宽的需求也更高。当然航空互联网业务对于卫星带宽的容量需求实际有多方面的影响因素，例如定价策略、服务等级等，包括是否有额外的带宽。因此，对于宽带卫星的未来规划设计方面，需要综合考虑覆盖区域和吞吐量之间的关系。

2. 国外发展情况

在过去的几十年里，L 频段在航空领域的应用主要是导航系统、无线电通信、空中交通管制、雷达系统，在提供飞机位置、速度、航向信息和航空公司、飞行员之间的通信服务上有着重要作用。在1960—2020 年间，从L 频段被引入航空通信，成为飞行员与航空公司之间通信的主要频段开始，到L频段通过持续改进和扩大，在飞行员与航空公司之间提供了更多的数据通信业务，如飞行计划、气象数据、飞行数据等，受到L 频段本身的速率低和价格高的影响，其本身并没有用于互联网服务的案例。虽然窄带Classic Aero 通信服务目前也正在向宽带SB-B、SB 通信服务过渡，但三者在频段上殊途同归，SB-B、SB 通信服务最大带宽仅为数百千赫兹，无法完全满足航空互联网的业务需求。

由于Ku 和Ka 频段的高通量卫星可为飞机提供更大的带宽，且用户体验更好，因此高通量卫星网络应用发展势头更强劲，其中Ka 频段高通量卫星有更多可用频谱资源，每MB 的成本要低于Ku HTS 系统，数据速率更高，Ka 卫星通信必将成为未来航空互联网行业的主流选择，预计未来十年内，航空互联网业务的Ka 频段容量将超过Ku 频段。目前在国际上，工作在Ka、Ku 频段的宽带卫星通信系统主要有Viasat Ka、Inmarsat GX Ka、Panasonic Ku、GEE ROW44 Ku、GOGO Ka/Ku 等。经过2021年机载通信市场的大规模并购，Intelsat、Anuvu 等主要服务提供商成功从重组中脱颖而出。在全球范围内，Intelsat 作为领先的服务提供商通过新收购GOGO 拿到了全球29%的机载通信市场，主要为商业航空公司客户提供Ku 频段和ATG（仅在北美）的机载通信解决方案。Panasonic 在2021 年度占据25%的机载通信市场。Viasat 在美国为其排名前五的航空公司（包括JetBlue、United、American、Delta 和Southwest）提供机载通信服务，在2021 年Viasat 占据机载通信市场的18%（含增值服务）。Inmarsat 为机载通信领域提供ATG、L 频段和Ka 频段多种解决方案，在2021 年，Inmarsat 的总市场份额为14%（含增值服务）。Anuvu 经过金融重组后，成为领先的机载通信服务提供商，截至2021 财年，Anuvu 的总市场份额为11%[1-2]。

越来越多的运营商计划发射HTS 系统以覆盖最繁忙的航线，在未来三年内，预计重点关注航空市场的HTS 系统包括Inmarsat-6 F2，Inmarsat-7F1/F2/F3，Eutelsat-10B，Viasat-3（ 舰 队） 和Anuvu-1、2 等。

目前，全世界的卫星运营商提供的在轨及未来规划的非地球同步轨道卫星（NGSO）星座和地球同步轨道卫星（GEO） HTS/VHTS 系统高通量网络带宽十分充足，将有效提升机上用户体验，推动航空互联网应用的发展。GEO 中，Ku-HTS 可以提供360Gbit/s 的容量，Ka-HTS 可以提供2135Gbit/s。在建设中的Ku-HTS 容量达到557Gbit/s，Ka-HTS 容量更是高到5026Gbit/s。此外，计划在NGSO 上，包括高椭圆轨道、中轨道和低轨道，有接近600Tbit/s的卫星正在设计论证中。

3. 国内发展情况

在国内民航领域，目前仅有11 家航空公司的二百多架飞机具备了空中接入互联网能力，仅占民航飞机的5%；空中互联网仅服务过130 多万人次，仅占民航近5 年平均旅客运输量的0.24%。2018 年初民航局发布了《机上便携式电子设备（PED）使用评估指南》，逐步开放了便携式移动电子设备的使用权限。2022 年1 月民航局发布《智慧民航建设路线图》,到2025 年新一代航空宽带通信等先进技术装备实现规模化应用，空中互联全面推广,其中关于航空互联网的总体目标为：“高速、经济的空中互联网服务”和“丰富的线上应用和服务内容”。2022年，民航局在开展“民航服务规划实施年”主题活动中，提出加大新技术在航班运行中的应用力度，推进前后舱协同（基于高通量卫星通信的前后舱数据传输 ）应用试点，构建基于数据驱动的安全风险防控体系。2023 年1 月，工信部发布了《关于调整机载动中通地球站开机使用规定的通知》，不再禁止机载地球站在飞机达到3000m 以上高空方可开机使用的限制。在多种政策逐步放开的环境下，在智慧民航战略的引领下，国内民航机载互联网领域将迎来高速发展的时代，卫星通信技术必将助力民航数字化发展，满足人民群众对美好出行的必要需求。

国内航空领域推广应用的Ku/Ka 频段以国内自主建设的通信卫星为主流选择，已投入运营的Ku卫星通信系统和服务包括亚太6C、中星10 号和亚洲7 号卫星[3]。通常，Ku 区域波束需要根据业务的服务能力来设计波束。

在高通量卫星方面，Ku 高通量主要由亚太6D 卫星支持航空业务，覆盖亚太区域。而Ka 高通量舰队以中星16 号、中星19 号以及2023 年2月发射的中星26 号和已立项的中星27 号卫星为主，具备增强国土、海洋覆盖和“一带一路”沿线的基本覆盖能力，在轨高通量卫星系统容量近500Gbit/s。此外，国内主要运营商中国卫通通过国际合作，实现了国际漫游合作，为国内航空器在国际长航线上提供网络服务。

三、“智慧飞机”客舱互联网应用

1．智慧飞机应用发展情况

最新的网络通信技术和大数据已成为航空业竞争的重要领域，智慧飞机的概念应然而生，智慧飞机不仅可为航空公司提高运行效率、航班安全性和航班准点率，为乘客提供更便捷和舒适的航行服务；同时还可以向航班机组人员、机舱服务人员以及地面人员之间提供数据通道，通过实时收集和分析飞机的运行数据，更加精准地预测飞机故障和维护需求，及时维修飞机，降低维修成本和飞机停飞时间，最终提高飞机的运营效率和经济性。国际上对于智慧飞机的研究、应用起步较早，目前随着高通量卫星网络的应用推广，联网飞机数不断增加，智慧飞机应用也在各航空公司机队不断普及。2017 年，澳洲航空公司QANTAS 在波音737 机队（约75 架）应用Viasat 的Ka 高通量卫星网络，形成空地一体解决方案，使飞行期间的航空器通信寻址报告系统（ACARS）、电子飞行包（EFB）、快速存取记录器（QAR）等飞机驾驶舱大流量数据的实时传输成为可能。

除驾驶舱的智慧飞机应用外，国际上客舱互联网的应用也有很多案例。以机上多媒体业务为例，美国GoGo 公司是市场上最早且拥有众多具备交互式网络电视（IPTV）商业飞机的航空互联网服务商，在2019 年推出了新一代机载网络产品支持IPTV 业务。泰雷兹作为第二大IFE 系统制造商，具备利用高通量Ka 卫星网络作为基础设施向用户提供互联网娱乐、IPTV 等服务的能力。借助Viasat 的超高容量卫星网络，捷蓝航空（JetBlue）在纽约和伦敦之间运营的空客A321 远程飞机，配备国际直播电视节目为特色的椅背娱乐系统，节目包括BBC、CNBC、Sky News、CNN International 以及体育赛事直播内容。

我国卫星航空互联网的应用发展还处于起步阶段，航空互联网的应用主要以客舱提供互联网接入服务为主。2014 年7 月东航空客A330-200利用Ku 频段卫星传输的信号实现了空地互联，进入商业测试阶段，随后，东航约100 架宽体机利用Ku 频段卫星开通了机上互联网。2020 年7月，国内首架Ka 频段高速卫星互联网飞机青岛航空QW9771 航班成功首航，成为中国民航互联网宽带化应用的新起点。国内民航客运总量呈逐年增长趋势，2020 年起受新冠疫情影响，国内民航客运总量有所下降，据2021 年民航行业发展统计公报显示，2021 年客运总量达44055.74 万人次，比上年增长5.5%[4]。目前，民航业也在逐步复苏，随着飞行时间的增长也增加了乘客对联网的需求，更多的航空公司开始考虑为飞机配备联网解决方案，客舱互联网的应用除了为旅客提供高速、经济的空中互联网接入服务以外，融合出行上下游及互联网资源，可构建更加丰富多元化的机上互联应用及服务，打造全方位、高品质的航空服务新产品，丰富旅客的乘机体验。

2．智慧飞机应用未来发展模式的探索

基于航空互联网的前舱应用，可实现远程客舱空防安全监控、远程空中突发事件处置、远程机务技术支持、远程服务监督等各类应用，使飞行运行更加合理、高效；可为飞机提供实时位置和天气信息，进行航班跟踪，减少燃油消耗，优化飞行效率；而通过数据的监控和大数据分析，分析数据可用于预防性和预测性维护，提前做出决策，优化航司运行流程和运行效率。

航空互联网同时可赋予客舱服务的创新应用。例如精准推送、机上医疗和机上互联网多媒体客舱服务等。通过大数据技术可以有效提升客舱服务，通过对飞行中乘客的分析和定位，开展精准化推送和营销，可以帮助航空公司构建直接触达乘客的新渠道，在乘客空中飞行时间内，为乘客提供个性化服务，同时可以通过电商、广告、内容、目的地服务等方式获得收益，为航空数字化转型打下基础。而航空公司也可在航前和航后提供个性化服务，将机上网络与机票销售、航空餐食、升舱服务、机上广播、VIP 服务等结合，进一步提升航空公司的服务品质。通过卫星通信实现飞机联网，可有效支撑机上救援工作，在机上发生紧急医疗事件时，通过机载设备与地面医疗专家创建沟通渠道，同步可以将必要的身体指标参数传递给地面医务人员，方便第一时间开展专业救护工作，为挽救生命争取黄金时间，同时避免耽误同航程其他乘客的行程和减少航司的经济损失。航空互联网的应用也使机上互联网多媒体服务成为可能，利用高通量卫星网络，可以向机上乘客提供包括电视节目在内的多种数字媒体服务，乘客不必再因为飞行而错过精彩的体育赛事或其他重要活动直播。智慧飞机引入互联网多媒体服务同样可为航司带来巨大优势，可为乘客在客舱内提供海量的、优质的信息服务，为广告宣传、内容制作等产业提供横向延展的能力，衍生出新的互联网应用，提升航司客舱运营的多样性，带来新的辅营收入（图1）。

图1 智慧飞机互联网应用

国内对智慧飞机互联网发展模式也在逐步探索中，空中互联网与地面互联网最大的差异性是在数据总量上，无论是人员流动量、有效占比量还是最终的转化量，单一航司都无法直接将地面互联网的模式进行复制。航空公司可以通过自建或第三方建立航空互联网综合信息服务平台，用平台将航空公司、网络运营商、地面互联网第三方结合起来，共同推进智慧飞机航空互联网业务的应用。面向机上乘客，客舱互联网的WiFi 场景的旅客具备高净值用户特点，具有一定空中上网刚需性、标签化特性、高消费特性等，可将空中上网、广告渠道分成、电商分成和预定机场/目的地服务作为重点发展方向。面向企业用户，可将软件服务、运营服务、集成服务作为重点发展方向，由航空互联网综合信息服务平台向航空公司提供标准化的软件服务、运营服务和集成服务，在满足运营需求的同时向乘客提供更好的服务（图2）。

图2 智慧飞机互联网发展模式探索

四、结束语

卫星通信可以满足飞机大量的实时数据传输需求，支撑全舱旅客丰富的航空互联网信息服务应用，全球市场规模潜力大。目前基于卫星通信的航空互联网业务还在加快推进网络基础能力建设阶段，其中Ka 频段的宽带通信系统因其能力更强、成本更低、面向用户的服务体验更佳，成为航空互联网发展的主流选择。随着基础网络能力的提升与普及，面向乘客提供个性化的综合信息增值服务将是航空互联网未来的主要发展方向，助力航空业数字化转型。