国产卫星通信在民航领域应用的前景与思考

文｜左晶 唐剑 张展 蒋欣 冯剑锋

中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心

一、引言

随着民用航空市场的快速发展，航空运输领域空中交通服务、航空公司运营、乘客宽带通信等航空应用需求不断增长，未来飞行不仅要满足驾驶舱高安全通信要求，还要实现飞机和地面通信网络之间的高速互联。传统的航空通信系统受制于通信速率不足、带宽狭窄、成本高昂等因素，使得飞机上仍有大量有价值的数据无法做到充分发掘和利用。而卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大、频带宽、传输容量大等优点，在民航应用中发挥着重要的作用。

目前国外海事卫星、铱星、Viasat 卫星等成熟星座已广泛应用于国内外民航市场，并产生了显著的经济与社会效益，同时低轨星链卫星也在加速组网部署中，在轨道资源、卫星频谱抢占中优势明显。国产通信卫星在我国民航运输领域的应用尚处于起步阶段，如何抓住当前有利时机，全面推进国产卫星在我国民航领域的应用创新，是我国民航强国建设中的重要任务。本文从国产卫星通信系统在民航领域的应用需求、应用现状及国内外星座存在的差距等方面进行阐述与分析，为推进我国卫星航空通信服务发展以及后续星座建设提供参考。

二、未来航行体系对卫星通信链路的需求

1. 全球空中航行系统发展需求

自21 世纪以来，全球航空运输量的快速增长，为应对传统空管系统面临的挑战，多个国际组织和国家制定了一系列未来航行系统发展规划，旨在构建更为安全、更有效率、更加灵活、更可持续的新一代航空运输系统。国际民航组织（ICAO）制定了全球空中航行计划（GANP），发布并持续更新航空系统组块升级计划（ASBU），提到了卫星通信技术在早期（2018 年前）、中期（2018—2028 年）、远期（2028 年后）的发展路线，总结了卫星通信技术现状和发展目标[1]。欧洲发布了“单一欧洲天空空管研究计划”（SESAR）及美国发布了“下一代航空运输系统计划”（NextGen），指出基于航空电信网（ATN）的空地数据链及卫星通信技术将是未来发展的主要趋势，明确了星基数据链路的应用策略和发展规划。

中国民用航空局根据ASBU 规划与国内民航总体发展战略与规划，于2015 年发布了《中国民航航空系统组块升级（ASBU）发展与实施策略》，针对卫星通信制定了相应的实施方案与指南，用于推动卫星通信技术在民航领域的应用，提升中国民航在ICAO 及相关航空工业界的国际竞争力，中国民航ASBU发展路线图（通信部分）如图1所示[2]。2018年，中国民用航空飞行标准司发布《航空承运人使用地空数据通信系统的标准与指南》，建议借助卫星通信地空数据链提供飞机和地面系统间的数据传输[3]。2021 年，民航局组织发布了《中国民航新一代航空宽带通信技术路线图》，路线图依托民航“十四五”发展规划，旨在推动包括卫星通信的新一代航空宽带通信技术研究，助力智慧民航的发展[4]。

图1 中国民航ASBU 发展路线图（通信部分）

2. 民航安全通信应用需求

针对民机驾驶舱安全通信服务，传统航空通信中的甚高频（VHF）、高频（HF）窄带模拟语音通信面临瓶颈。很多高密度飞行区域VHF 频段即将趋于饱和，用于支持跨洋和偏远地区的HF 通信也存在干扰严重、数据传输正确率低等问题，同时民航交通管制由于扇区划分变细，飞机在扇区停留时间变短，容易出现管制信息遗漏的现象，为民机飞行安全带来较大的威胁。2014 年，马来西亚航空公司MH370 客机失联事件备受世界关注，由于飞机缺乏航空器全球定时跟踪监控手段，为搜寻工作带来巨大的困难。

为促进航行安全，解决民机与航空公司运行控制中心之间语音通信联系和实时监控问题，中国民航局于2013 年制定了《航空公司运行控制卫星通信实施方案》，要求航空公司应充分利用现代卫星通信技术，使所有运输类飞机与AOC 在4 分钟内建立及时、可靠的语音通信联系[5]；2015 年，ICAO 提出航班15 分钟追踪新标准，随后，国际电信联盟（ITU）在世界无线电大会上表示对该标准的支持，并明确留出一个专用无线电频率供卫星跟踪飞机航线线路系统使用；2016 年，民航局发布了咨询通告《航空承运人航空器追踪监控实施指南》，对中国情报区外运行的航空器提出4D/15 追踪要求，即以15 分钟或更短的时间间隔，在地面对飞行中的每架航空器进行记录并更新航空器4D（经度、纬度、高度、时刻）位置信息，并明确外部通信系统是可接受的链路之一[6]。

基于现有卫星移动通信能力，飞行员可以实现与空中交通管制员（ATC）、航空运行指挥中心（AOC）的标准话音通信，并以数据链的形式交互航迹位置、管制指令、气象报文、飞行品质等信息，同时利用卫星网络提供的“云端黑匣子”服务，可将驾驶舱内的实时视频连同语音、飞行数据和位置等信息通过卫星传输给地面管理中心，以弥补传统“黑匣子”只能记录最后几小时飞行状态的不足。

3. 航空互联网宽带通信应用需求

随着信息技术的发展，互联网通信已经成为目前人们生活中必备通信方式，国际海事卫星组织相关调查显示，空中上网服务现已成为继机票价格、航班时刻后影响乘客选择航空公司的第三大因素，空中互联网业务潜在市场规模巨大[7]。同时随着民航市场的扩大，飞机运行产生的大量健康管理、视频监控等数据回传对通信传输速率也提出了更高的要求。空中互联网成为航空公司提升服务品质、推动产品转型的重要抓手，客舱宽带通信技术也将是航空公司未来业务最具潜力的利润增长点。

为了更好地应对航空公司数据传输及乘客机上上网需求，2018 年，民航局发布《机上便携式电子设备（PED）使用评估指南》，允许在飞行全程使用具有飞行模式的电子设备[8]。同年，民航局通过中航协下发互联网接入实施意见，明确推动空中互联网接入业务。2022 年1 月，中国民航局发布智慧民航建设路线图，提出到2025 年，80%国内主要航线航班提供空中互联网服务，到2030 年，国内航线全面实现高速、经济的空中互联网服务[9]。

乘客在飞机上接入互联网主要有两种渠道，即地空宽带通信系统（ATG）与空间宽带卫星通信，如图2 所示。由于ATG 在地面沿航路定点部署通信基站，仅能对陆地航路区域进行覆盖，而卫星通信因其广覆盖、传输容量大、灵活性强的特性，逐渐成为航空机载行业选用的主流方案。宽带卫星通信的典型系统包括国外第五代海事卫星GX 系统、Viasat 系统以及国内中星16 号、亚太6D 系统等，均工作在Ku 或Ka 频段[10]。目前国际航空互联网市场已渐趋饱和，随着我国民航业机队规模数量的不断增长以及高通量卫星的快速部署，国内卫星航空互联网发展潜力巨大。

图2 ATG 与卫星通信链路示意

三、国产通信卫星在民航领域的应用现状

1. 驾驶舱安全通信

目前民航运输领域仅有基于海事和铱星系统的高安全驾驶舱卫星通信业务获得ICAO 认可，还未有成熟的国产卫星星座应用于民机前舱安全通信。我国航空公司运行的飞机基本上安装的是传统海事卫星Aero H+系统，部分飞机加装新一代海事卫星SB-S 系统，少量飞机加装了铱星系统。

由于海事卫星通信系统存在装机和数据传输费用昂贵的问题，铱星具有比海事卫星机载设备价格更低和安装更方便等优势，但由于铱星和我国北斗卫星导航系统频率重叠，因而中国电信主管部门仅在航空部分领域开放铱星系统，以满足西部地区VHF 覆盖不足的问题。卫星通信系统过分依赖国外星座对我国的民航运行自主可控带来较大的风险，因此加快国产卫星通信系统建设，实现飞机数据传输的安全性是近年来要解决的重要任务。

国产天通一号卫星作为前舱安全通信应用的潜在选择，已在我国通航领域的应急通信保障中发挥了重要的作用。天通一号卫星是我国第一代具有自主产权的S 频段卫星移动通信系统，由3 颗高轨卫星组成，01/02/03 星已分别于2016 年、2020 年、2021 年成功发射，可为中国及周边地区提供卫星语音、短信息和数据业务。

2. 客舱宽带通信

（1）中星系列

中星16 号卫星是中国首颗高轨道Ka 频段高通量宽带通信卫星，于2017 年4 月成功发射，覆盖范围为我国大部分陆地和近海区域。

2020 年7 月，基于中星16 号通信卫星的高速互联网飞机在青岛航空QW9771 航班线上首航，该航班适配的高速互联系统XstreamSAT 由青岛航空公司、中国卫通、飞天联合、天地互联四家公司联合打造，是国内首个获得FAA、EASA、CAAC 适航认证的卫星互联系统，为旅客提供互联网接入、视频直播等机上娱乐体验。2021 年5 月，青岛航空与天地互联签署合作协议，全面推动青岛航空自有机队的高速机上互联网建设项目。

中星系列卫星中，中星19 号卫星已于2022 年11 月发射，主要覆盖中美航线；中星26 号卫星已于2023 年2 月发射，对中国全境、东南亚及澳大利亚航线进行全面覆盖，为实现我国卫星航线互联网通信业务向国际拓展提供重要保障。

（2）亚太系列

2020 年7 月，亚太6D 通信卫星成功发射，该卫星是一颗地球轨道高通量Ku 频段通信卫星，主要面向亚太区域用户提供全地域、全天候的卫星宽带通信服务。

2021 年8 月，东方航空公司在MU5101 航班B777-300ER 宽体飞机上首次开通了基于亚太6D 的卫星宽带通信服务，为旅客提供包括高速互联网通信、VoIP 等应用。到目前为止，中国东航已实际投入运行具备空地互联网服务能力机队规模达96架，其中包括A350、B787 等机型。之后，吉祥航空波音787 机队、南方航空也陆续升级了基于亚太6D的卫星网络来提供空中互联网服务。此外，2023 年1 月，山东航空加装有基于亚太6D 卫星的机载宽带卫星通信终端在波音737-800 客机上试飞成功，该机载终端由航天恒星科技有限公司研制，实现了机载卫星通信业务的端到端自主可控，后续商用后将为乘客提供空中互联网接入等服务。

同时在亚太系列卫星中，亚太6E 卫星已于2023 年1 月发射成功，旨在为东南亚地区提供高通量通信服务。基于亚太6E 卫星的民航运输通信服务正在逐步开展中。

四、国产卫星通信系统在民航领域应用的差距分析

国外卫星星座在资费、信息安全、资源可控方面远不及国产卫星星座，卫星通信国产化是大势所趋。以下从卫星频率及覆盖范围、星座能力验证、关键技术及自主产品研发能力、以及民航运输类飞机空中互联网接入能力几个方面分析了国内外卫星星座在民航应用中存在的差距。

1. 卫星频率及覆盖范围

用于驾驶舱安全通信的星座系统主要有国外第四代海事卫星、铱星以及国产潜在星座天通一号，均为窄带移动卫星系统，系统参数对比如表1 所示。

表1 应用于驾驶舱安全通信的星座系统参数对比

运输类飞机驾驶舱安全通信业务频谱需满足ITU《无线电规定》的要求，海事卫星1545～1555MHz 和1626.5～1656.5MHz 频段以及铱星所有航空业务频段均已在《无线电规则》中获得许可。针对天通一号卫星，我国在2015 年就开始开展S 频段卫星系统与地面系统的兼容研究工作，积极与ITU 沟通协调，目前正在逐步推进天通卫星频率使用权益得到国际规则保护。此外，国产卫星航空移动业务还未得到国际相关标准的认证，标准体系建设有待加强。

总之，相比于海事卫星、铱星，天通一号卫星在ITU 频率协调、覆盖范围、标准体系建设等方面还存在较大的差距。

应用于客舱宽带通信的星座系统主要有第五代海事卫星、Viasat、OneWeb 以及国产亚太6D 卫星、中星16号、中星26号卫星系统等，系统参数对比见表2。国内外宽带通信卫星工作频率均为Ka/Ku 频段。对比于国外星座，国产卫星的覆盖范围有待完善，而未来随着我国低轨星座的组网部署，将有望实现全球覆盖。

表2 应用于客舱宽带通信的星座系统参数对比

2．星座能力验证

为保障航空运行安全，任何应用于驾驶舱安全通信的卫星通信系统空间部分、地面站和配套设施的可靠性、连续性和完整性服务性能均要符合ICAO 制定的卫星航空移动（航路）业务标准和建议措施（SARPs）要求。满足SARPs 的依据主要包括卫星通信子系统测试验证数据、飞行测试数据及最低运行性能标准（MOPS）等。

2010 年，航空通信专家组审查并通过了国际海事卫星、铱星卫星航空移动业务系统SARPs 及相关指导材料，发布ICAO Doc 9925《卫星航空移动（航路）业务手册》，明确了国际海事卫星Classic Aero 系统与铱星系统可应用于民航运输类飞机安全通信服务[11]。此外，新一代海事卫星SBB 系统在经过五年的测试验证和数据分析后，于2017 年获得ICAO 批准，作为航空安全通信系统被列入Doc 9925、SVOM、GOLD 等相关文件中。

而与已拥有十多年航空应用历史、早已被纳入国际民航组织标准的海事卫星与铱星通信系统相比，天通一号卫星涉足民航运输领域相对较晚，星座系统的可用性、连续性等性能是否满足ICAO SARPs 还需开展一系列试验验证，从而为国产星座在民航运输领域的大规模推广应用奠定技术基础。

3. 关键技术及自主产品研发能力

卫星通信产品方面，国外航空工业起步早，已在卫星通信技术传输体制、核心协议开发、系统架构、产品运营等方面抢先申请了大量专利，在关键技术知识产权上也处于高度垄断地位。目前国内民机上的卫通设备大多由Honeywell、Collins 等国外供应商提供，随着国产卫星星座的发展，国内一些公司也在积极推动机载卫通产品国产化，如华力创通、盟升电子、多尼卡等。但由于部分卫星通信系统的核心板卡主要被国外Newtec、Viasat、Gilat、Idirect 等 公 司 掌 控，例如国内中星16 号卫星地面关口站中采用Gilat 和Idirect 的核心协议，因此相关机载卫星通信设备的开发存在较高的壁垒。

在卫星通信自主产品研发方面，中国目前正处于赶超阶段，已有部分产品问世，但技术成熟度普遍较低，同时由于国内没有成熟的卫通核心协议及传输体制，容易受到国外厂商断货或抬价影响。

4. 民航运输类飞机空中互联网接入能力

从全球范围内看，早在2016 年就有超过36%的飞行里程可提供空中互联网服务，其中美国与欧洲普及度较高，分别高达80%以上及50%以上[12]。截至2021 年底，中国具备空中互联服务能力的航空公司约23 家，842 架飞机具备空中接入互联网能力，包括国航、东航、南航三大航以及山航、海航、吉祥航空、厦门航空、青岛航空等，而我国民航运输业运输飞机在册架数为4054 架，机上WIFI 覆盖率约为20%。总体来看，我国空中互联网普及率仍然较低，航空公司各机型的空中互联网接入能力及国产宽带星座在民航运输机上的利用率有待提高。

五、国产卫星民航应用发展展望

1. 天通一号具备前舱应用潜力，需要多方合力推动

从国内卫星资源现状来看，随着我国S 频段天通一号卫星的陆续发射及组网，天通一号未来有提供区域航空前舱服务的潜力。对比海事卫星进入民航前舱应用的发展历程来看，目前比较紧迫的工作在于推动天通一号航空应用验证与数据积累。从民航运行监管机构的角度，天通一号进入民航服务，其机载系统需要取得适航批准，适航需要响应的标准做支撑。从天通一号运营者的角度，建立天通一号航空服务标准需要在航线飞机装备天通一号机载卫星通信系统，积累实际测试数据作为支撑。这种互相耦合的结构性矛盾，不可能通过单方面让步来解决。因此，卫星运营单位、航空公司、民航监管机构、机载设备制造商等各家单位需要通过沟通协调，建立联络机制，共同推动天通一号民航应用落地。

2. 国产高通量卫星航空服务迎来春天

近年来我国高吞吐量Ka 频段宽带卫星逐步投入商用，航空卫星宽带服务正在从传统的Ku 频段转换为新一代Ka 频段服务，未来低轨Ka、高轨Ka 融合的宽带卫星通信系统将为飞机提供大容量、高速的宽带数据通信。伴随着疫情的结束，以及民航业的强劲复苏，基于高通量卫星的飞机实时健康管理、客舱安全监控、客舱物联网及乘客互联网接入等应用场景将逐步落地，随之而带来的新一代互联网入口流量或许会颠覆传统民航客舱服务与运营模式。