天通一号卫星通信在民航领域中的应用分析

文 | 赵文强 左晶 武瑞 张展 冯剑锋 蒋欣

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

目前，我国民用客机中的卫星通信系统主要采用海事卫星或铱星卫星通信系统，不仅价格昂贵，而且通话和数据传输安全性没法做到自主可控。随着我国移动卫星通信技术的发展，具有我国自主知识产权的卫星通信系统已初具规模。2016 年8 月我国发射了首颗可以应用于民用航空的S 频段卫星通信系统——天通一号[1]。天通一号卫星移动通信系统，是中国自主研制建设的卫星移动通信系统，也是中国空间信息基础设施的重要组成部分，其通信性能与国际海事卫星SBB 通信能力相当。因此，针对天通卫星在民航中的应用研究具有重要的意义。

二、民航前舱卫星通信现状

卫星通信在民用航空的应用主要划分为前舱（驾驶舱）通信和中后舱（客舱）通信。前舱通信需要高度完整性和快速响应的安全通信，中后舱通信是为航空承运人提供通信服务，以及乘客公众通信服务[2]。目前，卫星通信系统已经在航空领域中得到广泛应用，正在运行的、新引进的飞机以及生产线上的飞机均具备安装卫星通信的基本条件，国内外卫星通信服务商根据不同机型也提供了多样化的经过适航认证的机载通信产品，并根据航空用户要求制定适用解决方案。

目前，应用在民航领域的主流卫星通信系统包括铱星和国际海事卫星、Viasat 等系统。其中，铱星系统和国际海事卫星系统广泛应用于民航前舱安全通信领域，为飞机的空中交通服务、空中交通管理、应急通信、定位追踪等应用提供空地链路。铱星的频率与我国北斗卫星系统的频率存在冲突，目前在国内仅装备少量飞机。国际海事卫星通信系统的安全相关服务SBB 已通过FAA 认证，可进入前舱进行飞机安全相关信息传输，但是存在装机和数据传输费用昂贵的问题。

与国际先进水平相比，国内民用飞机卫星通信系统及设备研制水平仍存在较大差距，面临世界航空巨头的高度垄断，机载卫星通信设备均由国外供应商提供，缺少独立自主可控的能力。我国卫星移动通信起步晚，但发展迅速。2016 年8 月，我国首颗移动通信卫星天通一号01 星在西昌卫星发射中心发射成功，2020 年11 月和2021 年1 月，随着天通一号02 星和天通一号03 星相继成功发射，至此我国完成了三颗天通一号卫星的合作组网，实现了天通一号卫星天地一体化运行。天通一号卫星移动通信系统可为亚非等地区以及太平洋、印度洋大部分海洋地区的用户提供全天时、全天候、高稳定高质量的语音、短信数据等移动通信服务，不仅具有与国际海事卫星相当的数据通信能力，而且从星上载荷到核心通信芯片再到终端设备全部自主可控，在民航中的应用潜力巨大。

三、天通一号卫星航空系统组成

天通一号卫星移动通信系统，是我国自主研制建设的卫星移动通信系统，填补了我国在卫星移动通信领域的空白，它不仅是国家应急指挥通信的重要组成部分，也是我国空间信息基础设施的重要组成部分，在行业应用上也发挥了重要的作用。基于天通一号移动卫星的航空系统由空间段、地面段和用户终端组成，如图1 所示。其中空间段由3 颗地球同步轨道移动通信卫星组成；用户段由机载卫星通信终端组成；地面段由卫星运控中心、网络运控中心、信关站、地面支持专用网络组成。通过信关站的网关功能，天通一号卫星移动通信系统可以和固定电话网络、移动电话网络、Internet 网络互联互通。

基于天通一号卫星的用户链路工作于S 频段，收发频段各30MHz 带宽，上行（地对空）工作频段1980～2010MHz，下行（空对地）工作频段2170～2200MHz。30MHz 工作频段被划分为1388 对信道，信道间隔21.6kHz，可同时支持100 万用户使用，可为航空用户提供“天地空一体”的全方位通信保障服务：

· 语音，可拨打全球任意地面固定和移动电话；

· 短信，支持网内和出网短信息，可与地面公网移动终端互联互通；

· 传真，速率9.6kbit/s；

· 数据传输/互联网接入/视频回传，数据传输速率9.6 ～384kbit/s，互联网接入速率64 ～384kbit/s。

四、天通一号卫星在民航中应用可行性分析

1.政策要求建立4 分钟内空地通信联络

政策方面，中国民航局AC-121-FS-2011-004R1《航空承运人运行中心（AOC）政策与标准》[3]要求：在整个航路上，航空承运人必须确保在每架飞机与相应的AOC 之间，能够建立可靠迅速的通信联络（不超过4 分钟）。天通卫星通信系统可以为大型民机提供空地数据链和空地语音通话功能，具备满足局方4 分钟建立通信要求的能力。

2.天通一号系统可实现与ATN/IPS 网络的交联

技术方面，国际民航组织（ICAO）一直致力于研究新一代航空电信网的体系结构，航空界开始考虑从整体思路上向IP 转型。ICAO 已经同意将ATN/IPS 作为下一代ATN 的协议标准，用于指导ATN 的建设。在北美地区、加勒比海/南美地区、北大西洋/欧洲地区已经选择采用IPS 技术来实现其航空消息处理系统（AMHS）应用。亚太地区已经计划采用ATN/OSI 和ATN/IPS 双栈方式来实现AMHS。天通一号卫星移动通信系统支持IPv4 和IPv6协议，具备接入ACARS/IP或ATN/IPS网络能力，从而可实现与ATN/IPS 网络的交联，提供航空数据的传输。

3.天通一号系统可实现自主可控

安全方面，天通一号卫星通信系统是由我国自主设计、生产、运营的S 频段卫星移动通信网络，从星上载荷到核心通信芯片再到终端设备全部自主可控，彻底杜绝了后门、窥视等威胁我国通信安全的隐患，提高了系统的安全性。

4.天通卫通设备成本低于国外设备

经济方面，海事卫星和铱星通信系统存在装机和数据传输费用昂贵的问题，目前铱星系统的装机成本约15 万美元/套，海事卫星约20 万美元/套。使用成本方面，铱星为6.4 元/分钟，0.6 元/kbit；海事卫星约1.1 美元/分钟，7 美元/MB。天通卫星使用成本1.6 元/分钟，短信0.4 元/条，流量16 元/MB。天通卫通设备的装机成本和使用成本明显低于铱星和海事卫星。

五、天通一号卫星在民航应用前景

天通一号卫星通信系统在民航中的应用是其重要的应用方向之一，可提供安全等级高的保密语音通话，可以提供相比传统窄带甚高频数字通信系统更高的传输速率，可以为飞行员提供更多的数字信息，提高飞行员的综合判断能力和周边态势感知能力，还可以将飞机关键信息及时下传，提高飞机状态的实时监控能力，提高飞行效率和飞行安全性能。

借助于天通一号卫星通信系统在飞机上的应用，飞机能够与地面建立下列几种通信联系。

1.建立4 分钟内空地语音通信

中国民用航空局《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》（CCAR-121 部）第97 条规定“每架飞机与签派室之间的通信应当是空中交通管制通信系统之外的独立系统，能够满足在正常运行条件下，在4 分钟内建立迅速可靠语音通信联系”[4]，借助天通一号卫星通信系统，可实现每架飞机与运行控制中心之间在4 分钟内建立及时、可靠的语音通信联系。

2.正常状态航迹追踪

对于正常运行的航空器通过自动位置报告实现例行航迹追踪。《航空承运人航空器追踪监控实施指南》强制要求航空承运人实现对其海洋区域运行至少每15 分钟通过自动报告对航空器位置进行追踪（4D/15 追踪）[5]，借助天通一号卫星通信系统，可以落实国际民航组织对4D/15 的要求。

3.航路气象及情报服务

利用天通一号卫星通信链路作为飞机通信寻址与报告系统（ACARS）传输链路或者电子飞行包（EFB）传输链路，由航空公司、空管部门和机场将整理好的气象及情报信息通过ACARS 或者EFB传输给飞行机组，让飞行员提前得到影响飞行安全的灾害天气预警，获得提前采取应对措施的宝贵时间，避免飞行安全事故的发生。

4.客舱物联网服务

通过在客舱内部署智能无线物联网硬件设备，可以和乘客的穿戴设备（包括手环、智能手表、智能旅行箱等）进行连接，实现对乘客健康的监控、出行信息的获取。再利用天通卫星互联网业务将客舱物联网与互联网相连接，实现乘客全出行周期的数据服务。

六、天通一号卫星在民航应用思考

1.健全政策法规保障天通一号系统民航应用

政策法规方面，海事卫星系统、铱星系统等通过ICAO 适航认证的卫星系统都经历了大量试验试飞和演示验证来证明其适航性，并制定了完善的政策法律及规章制度来规范基于卫星通信系统的民航应用。因此，针对天通一号卫星移动通信系统在民航中的应用，需通过大量的试飞试验验证其适航性，同时要建立健全的政策法律及规章制度，从政策法规层面解决天通一号卫星数据“落地权”以及“安全”“开放”等问题，保障天通一号卫星移动通信系统在民航中的应用。

2.完善天通一号卫星民航应用的标准体系

适航标准方面，民机机载卫星通信系统主要依赖国外相关标准体制，缺乏基于天通一号卫星的机载卫星系统设备研制依据。目前国外针对前舱卫星通信服务，分别有基于铱星和海事卫星的ARINC 741 和ARINC 781 机载卫星通信系统设备规范。针对天通一号卫星移动通信系统在民航中的应用适航技术标准方面，建议结合国外已有技术标准，采用设备研制与标准论证并行的方式，联合民航局、工业界、航司用户逐步完善天通一号卫星在民航中应用的标准体系。

3.突破关键技术以适应民机的数据链系统

关键技术方面，传统的ACARS 系统进行空/地通信执行的ARINC 618 协议是一种面向字符协议，它和目前天通一号卫星基于IP 的网络不兼容，导致天通一号卫星系统无法直接接入前舱航电系统，在民航中的应用仍存在一定技术门槛。因此，需要突破ACARS over IP 技术或者ATN/IPS 关键技术以适应现在和将来民机的数据链系统。

七、结语

“通信自主”是民航强国的基石。天通一号卫星作为我国自主建设的卫星移动通信系统，具备话音、数据和短消息通信能力，可以满足民航4 分钟内语音通信、4D/15、EFB 等应用场景的通信需求，但同时面临的政策法规、适航标准、关键技术等问题也亟待解决。总之天通一号卫星移动通信系统在民航领域的应用对于打破国外供应商的技术封锁和垄断，提高民用飞机数据传输的安全性，实现民用飞机卫星通信设备国产化、自主化和可控化具有重要意义。