讓衛星通信填補民航交管的盲區

□ 遲惑

馬航370事件發生以后，人們對于民航客機衛星通信有了新的認識。在以往，民航客機只需要和空中交通管制部門保持聯系就可以了。但在多數國家，空中交通管制部門和航空公司是兩個不同的概念。在很多國家、在很多情況下，空中交通管制是由空軍負責的。也就是說，航空公司如果想知道自己的某一架飛機在什么地方？處于什么狀態？往往要向空中交通管制部門去查詢。

在體制機制比較完善的國家，空中交通管制部門對領空內的所有航空器保持著嚴密的監視，一般不會發生失聯。但是在一些經濟社會并不發達的國家，連空軍的雷達網都存在著漏洞，空中交通管制并不是很嚴密的。就造成了這樣一種可能性，民航客機在相當長的一段航線上都是在靠自己的導航儀器飛行，地面并不知道他在哪里，也無法和他聯系上。例如馬航事件中，飛機失蹤以后沒有人知道它在哪里，無論是航空公司還是地面管制部門，連基本的方向都無法給出一個確切的消息。最終竟然要靠通信衛星的多普勒效應來模糊地推測飛機最后的位置。

實際上，中國的有關民航管理部門在兩年以前就要求民航飛機除了要能與空中交通管制部門通信，必須具有另外一套系統，保持和本航空公司航班調度部門（也就是簽派室）的直接聯系。這兩套通信系統必須是相互獨立，任何一套系統的故障與否都不能影響另外一套系統的工作，任何一架飛機如果具備了這樣的系統，就不會失聯。

多普勒效應現象：遠方急駛過來頻率變高，而離我們而去頻率變低

從機載海事衛星（國際移動衛星）設備上獲取的7個時間點的握手信息及其多普勒頻移數據，成為鎖定MH370航班最終“失聯”時間、判斷客機“終結”于南印度洋的重要線索

當然，民航客機與航空公司簽派室保持通信聯系，并不是僅僅為了避免失聯，也是為了能有效管理提高航空飛行的安全性，改善航空運輸的效率。民航的有關領導指出，由于中國民航運輸業迅速發展，航空公司的航班正點率，面臨著極大的挑戰，僅僅依靠空中交通管制部門是無法充分滿足旅客需求的，航空公司的積極介入和技術支持，能有效地改善局面。但是，航空公司能不能介入、能不能支持，取決于簽派室能否和飛機保持通信聯系，特別是實時的話音聯系。

相關鏈接

新聞背景

為有效促進民航衛星應用的發展，6月5日，由中國通信學會衛星通信委員會主辦的2014民航衛星應用研討會在京召開。來自國家相關部委、各航空公司、相關科研院所及衛星通信運營商、機載設備供應商等企業的160余位代表參加了此次研討會。

圍繞“衛星應用助推民航飛行安全與信息互通”這個主題，與會各方就民航在飛行安全和信息互通中衛星應用的市場需求、技術體制、運營模式、監管政策及產業發展方向等內容進行了探討和交流。

民航局飛標司副司長楊洪海在會上介紹了民航應用衛星通信的實施政策。他說，目前，國內許多航空公司在國際航線、高原機場運行的和部分新引進的飛機上安裝了衛星通信系統，為推進衛星語音通信在運行控制中的使用奠定了基礎。隨著我國航空運輸量和機隊數量的快速增長，安全壓力越來越大，為有效解決飛機與航空公司運行控制中心之間語音通信聯系和實時監控問題，民航局早在2012年12月就出臺了《航空公司運行控制衛星通信實施政策》，并于2013年初印發至各航空公司，提出在2017年底前實現所有運輸類飛機使用衛星通信系統與運行控制中心在4分鐘內建立語言通信聯系的目標。希望各航空公司努力推動衛星通信工作的發展，提升對飛行運行的風險控制能力，政府部門也將秉持公開、公平、透明的原則，積極引導并推進航空公司衛星通信的實施。

據介紹，航空公司的飛機與地面之間的語音通信主要通過高頻、甚高頻和衛星來實現，目前，我國航空公司主要采用的是高頻和甚高頻，衛星通信與之相比，具有通信質量高、保密性強、干擾小、容量大、覆蓋范圍廣以及運行穩定等優點。衛星通信技術在國際上已日臻成熟，并被發達國家航空公司普遍應用于運行控制。當前絕大多數在役機型以及新機型均具備安裝衛星通信的基本條件。國內外衛星通信服務商能夠根據不同機型提供經適航認證的、多樣化的機載衛星通信產品，并按照用戶要求制定適用的解決方案。

大會會場

中國民航規章《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》CCAR-121-R4第97條規定：“合格證持有人應當證明，在正常運行條件下，在整個航路上，所有各點都具有陸空雙向無線電通信系統，能保證每一架飛機與相應的簽派室之間，每一架飛機與相應的空中交通管制單位之間，以直接的或者通過經批準的點到點間的線路進行迅速可靠的通信聯系。”

并規定“除經局方根據所用機型和運行情況做出的特殊批準外，對于合格證持有人的所有運行，每架飛機與簽派室之間的通信系統應當是空中交通管制通信系統之外的獨立系統。”這里的合格證持有人指的是航空公司。

那么所謂迅速可靠的通信聯系，它的概念是什么呢？民航管理部門在另一份規章《航空承運人運行中心（AOC）政策與標準》中給出了明確的數字，不超過4分鐘。

那么飛機應該用什么手段來實現這4分鐘的要求?如果一架飛機，僅僅是運行在北京到上海，或北京到廣州的航線，這似乎不是什么問題。中國的東部比較平坦，城市密集，有足夠的條件來構建密集的地空通信網。但是，如果離開這個區域，飛機飛行在青藏高原、戈壁灘或者雪山之上，是很難構建地空通信網的。又如果飛機向東跨越太平洋前往美國，在茫茫大海之上，到哪里去設立通信基站呢?對于長途飛行的客機，尤其是對于需要越洋飛行的洲際客機來說，采用衛星通信是滿足民航管理部門有關規章要求的唯一手段。

美國國防衛星通信系統

美國“軍事星”系統

B-2飛機

美國海軍“移動用戶目標系統”(MUOS)將建立一個安全的全球性3G通信網絡

航空衛通的先行者——軍用飛機

人類最早規模化使用航空衛星通信的，不是民航，而是美國的戰略轟炸機部隊和美國總統的空軍一號專機。

當年，美國一直準備著和蘇聯打一場大規模的、全球化的核戰爭，如果真的發生了這樣的戰爭，軍事通信系統肯定是蘇聯的重點打擊對象，無論是無線通信基站，還是有線電話的交換機，都會在第一輪核打擊中被摧毀殆盡，而且會引發強烈的電磁脈沖，會使地面上的無線電通信受到強烈的干擾，在這種時刻，只有衛星通信，才是靠得住的。

在人類所使用的無線電通信頻率中，有一部分頻段是專門劃分給軍事衛星通信的，例如美軍使用的UHF、EHF頻段等。因為事關最高指揮當局和核力量，美軍的航空衛星通信一直都很神秘。我們所能查到的案例并不多。

第一個是在90年代，美國為“軍事星”和“全球廣播系統”研制了一種多個天線組成的陣列式機載終端，具有自動指向衛星的能力。終端在美國空軍的C-135（也就是波音707）試驗平臺上做了飛行試驗。衛星通信的上行頻率是20GHZ，下行頻率是40GHZ。試驗取得了不錯的效果。項目組建議把成果應用在各種戰斗機、特種作戰飛機、無人機和B-2轟炸機上。“軍事星”退役后，美國發射了“先進極高頻”（AEHF）通信衛星。2009年，媒體報道說，諾斯洛普·格魯曼公司已經在為B-2加裝AEHF的通信終端了。B-2在服役之初，裝備的是UHF頻段的衛星通信終端，而AEHF系統具有更大的帶寬、更好的保密性能。需要注意的是，B-2作為隱身轟炸機，在無線電通信問題上進行了精心設計。要知道，隱身飛機并不是在每個方向上都不能被雷達看到。它主要是躲避前下方的雷達。因此，隱身飛機一般不在機身下方安裝無線電發射天線，以防所發射的電波被敵方探測到。從美國空軍提供的圖片可以看到，B-2的幾乎所有天線都裝在機背上，包括與“軍事星”通信的超高頻（SHF）天線、與“軍事星”或AEHF通信的EHF天線、與“國防通信衛星系統”、“移動用戶目標系統”等通信的UHF天線，還有GPS天線。

UHF頻段的使用相對普及一些。著名的美國航空電子廠商羅克韋爾·柯林斯研制的AN/ARC-210型UHF航空型終端是最主要的機載型號，據說美軍已經采購了3萬多臺。美國海軍發起的“移動用戶目標系統”新型UHF移動通信星座上天后，AN/ARC-210已經實現了和這種衛星的通信。美國正在采購的新一代F-35戰斗機將普遍裝備“移動用戶目標系統”終端。

航空衛星通信為美國軍隊航空力量的日常運行、演習和作戰提供了有力支持，證明了航空衛星通信的意義。那么，民航客機是不是也可以使用衛星通信呢？

銥星和國際移動衛星的對比

銥星系統

國際移動衛星系統（原海事衛星系統）

民航能用什么衛星？

理論上說，任何通信衛星都能和客機通信，但是不同無線電頻段需要配用不同尺寸的天線。例如傳統C頻段的天線就相當大，直徑數米就算比較小的了，因此很難裝到飛機上。而更高頻段的Ku和Ka頻段，天線尺寸比較小，但對飛機來說也不是能輕易裝上的，畢竟飛機上的空間非常有限。而且，Ku和Ka頻段的天線都需要精確地對準衛星才能工作，相應地要有一套復雜的機構來控制天線，包括測量位置和方向的GPS接收機和陀螺儀，來驅動天線的電機和傳動機構等，還有相應的電子設備。這種天線叫做動中通，它的關鍵技術是近些年才取得突破的。而且最小型的“動中通”直徑也有幾十厘米的直徑，這還沒有算上用來處理信號的終端。

具體到前艙也就是駕駛艙，駕駛艙里被大量的儀表所占據，這些儀表用來顯示飛機各個分系統的各種參數，還有無數的開關手柄，操縱桿，如果衛星通信終端的體積太大，多數航空公司都不會同意安裝，因此，因此必須為前艙尋找一種天線更小的頻段，而且只需要把天線大概對準衛星就可以工作，省去控制機構。這樣的頻段就是如今人們常常用于移動通信的L頻段。當今使用L頻段的移動通信衛星中最出名的是國際移動通信衛星，也就是曾經的國際海事衛星。

海事衛星的歷史悠久、性能穩定，背后得到了幾乎全世界政府的支持，為海事衛星開發的終端種類不計其數，其中當然也包括很多種航空型。這些終端的天線可以做成流線型，裝在飛機背上只有一個不大的突起。個別天線為了彌補外形改變對飛行平穩性的影響，還特意做出垂尾樣子的氣動穩定面。國際移動衛星支持話音、數據等業務，對于一般的航空通信來說已經足夠了。本次馬航370失聯事件，飛機上的國際移動衛星終端雖然沒有實際通話，但是衛星終端的Ping功能仍然為人們提供了一種方式來查找飛機的大概飛行方向和失去蹤跡的大概位置。

第5代國際移動衛星INMARSAT I-5

飛機通信解析圖

民航衛星通信系統原理示意圖

國際移動衛星北京地面站

不過海事衛星存在以下幾個問題：

一是存在比較大的時延。海事衛星運行的地球靜止軌道上，每次通話一來一回，至少要經過72000千米，電磁波要跑0.3秒左右、如果兩個通話地點之間的跨度比較大，這個時間延遲可能會更長，這會讓通話的雙方都感到有些不自然。

海事衛星的另一個問題就是費用高，每分鐘通話的費用是8美元，實在是有點小貴。在航空市場競爭激烈的今天，航空公司對此還是挺算計的。

更為重要的一個問題是，國際移動衛星是很難為高緯度地區提供服務的。這是因為緯度高，新地通信鏈路和地面的夾角就變得非常小。如果終端放在地面，那么一棵樹一座房子就會把鏈路徹底擋住。如果緯度再高一些，進入了南極圈或者北極圈，那么地球本身的曲率就會讓飛機徹底看不到衛星。這個問題對于中國而言尤其嚴重。中國前往美國的航班，一般是從北冰洋上空飛過的，也就是所謂的北極航線，這是飛行距離最短的一條航線。然而當飛機進入極區，在北冰洋上空飛行的時候。即使采用國際移動衛星，通信也是完全斷絕的，這就帶來了巨大的隱患。而國際移動衛星所采用的地球靜止軌道，是無論如何也不能解決這個問題，

而低軌道的銥星系統，就不存在這樣的問題。銥星采用了極地軌道，也就是說，衛星軌道的每一圈都要從南極和北極上空飛過。飛機在北極圈上空所能看到的衛星數量，比在其他地區一點都不少。

銥星所能支持的數據通信速度略微慢一點，但話音通信完全不存在問題。另外，銥星運行在不到1000千米的軌道上，傳輸時延的問題可以忽略不計，通話更加自然。銥星的終端價格和通話費用，曾經相當昂貴，因此也導致了這個系統的一度破產。但經過重組，銥星系統的通話費用已經大幅度降低，如今已經達到了航空業能普遍接受的程度。根據國內代理商提供的數據，中國銥星用戶在國內的通話費是6.4元/分鐘，境外是12元/分鐘，顯然比海事衛星便宜。因此，航空公司普遍比較傾向于使用銥星。

但銥星也有自己的問題。首先，它采用了星上交換的方式，不需要地面樞紐就可以實現全球通信。從通信技術的角度來說，這當然是比較先進的，但是這使銥星用戶可以逃脫各國政府的監管。如果有人用銥星終端討論一些非法行為，政府可能是完全不知道的。另外正如前文所述，銥星所使用的頻段，在部分地區和某些導航系統存在著干擾。這就限制了銥星在民航上的使用。

世界上還存在著一個低軌道衛星系統，也就是“全球星”。它的系統比銥星更簡單，并且采用了地面站交換的方式，各國政府可以比較容易地監控通話內容。但也正是因為如此，在沒有地面站支持的大海上，全球星是不能通信的。因此這個系統第一時間就被排除在民航通信之外了。

因此，如果要充分滿足民航客機對于衛星通信的需求，當前所能使用的這兩個系統都是存在缺陷的。恐怕人們還要啟動新的總體設計，在頻段軌道等問題上進行全球性的協調，真正找到一個能為民航客機服務的全球覆蓋的衛星通信系統。

通信導航能一體化嗎？

通信和導航雖然在頻段上有沖突，但對用戶來說卻是可以合二為一的。其實要實現民航飛機監控，機載無線電通信設備也應當同時具備通信和導航功能（衛星通信終端也是一種無線電臺）。如果電臺本身帶有衛星導航功能，與空管部門簽派室通信的時候，就能發回自己的位置數據。這樣后方在與飛機通話的同時，就可以把飛機的位置顯示在電子地圖上。這其實就是國內外最近很流行的資產跟蹤。很多衛星終端已經集成了GPS功能，由于移動通信衛星和導航衛星都工作在L頻段，只要在天線設計中采取一定的措施，就可以實現一體化。

其實，世界上已經存在的一種通信導航一體化的系統，就是中國的北斗雖然只能進行短報文通信，不能向海事衛星或銥星那樣支持話音甚至寬帶，但畢竟為人們提供了一種選擇，早期的北斗必須依靠接收機、衛星和總站的三方通信來定位，時延比較長，不適合高速運動的飛機使用。新一代北斗只需要衛星發射信號給接手機就可以導航或者定位，但是短報文功能保留了下來，只要在系統中開通功能，只需要北斗系統就可以實現跟蹤了。

大型客機有充足的預算和空間來安裝衛星移動通信終端，對單一系統的需求并不強烈，而對中小型飛機來說這可能就比較重要了。如果讀者去過馬爾代夫、塞班島這樣的海濱旅游勝地，乘坐過那里的水上飛機，就能體會到這一點。這種載客不過十余人，飛行不過百余千米的小飛機，是沒有預算也沒有空間安裝移動衛星終端的。但它們同樣需要保持實時通信，需要被實時監控，北斗就是個好的選擇。

有了衛星通信，在飛機上也能海聊

7月23日，中國東方航空公司MU5108航班測試空中上網，最高網速可達50M

飛行途中也上網

我們談了這么多都在說監控，再說飛行員與地面的通話。衛星通信與乘客們有什么關系呢？其實在現有的國際航班上，乘客艙普遍裝備了海事衛星電話，乘客面前的綜合娛樂終端上有一個手柄，一面是游戲機操作器，另一面就是衛星電話，電話側面有一個卡槽。乘客只要想打電話，拿出信用卡一刷就可以了。但價錢可是挺貴的，一分鐘8個美元絕不打折。

有沒有更便宜的衛星通信服務可以提供給客艙的乘客呢！答案是肯定的，國際上已經開通了不少用于客機后艙通信的衛星服務，截止2013年底，全球共有34家航空公司超過1800架商用飛機部署了機上Wi-Fi服務，另有超過1300架飛機已經完成簽約正在等待安裝。每天使用機載通信服務的乘客數量超過2萬戶。這類服務不再使用資源稀缺的L頻段，而是使用我們前面所說的Ku和Ka頻段。當然，這也是“動中通”天線發展成熟的結果。近年來，航空“動中通”不斷取得進展，尤其是平板天線的普及，是整個衛星天線的高度可以大大下降，裝在飛機的后背上，對氣動外形的影響不像從前那樣明顯了，因此可以很容易地集成到飛機上，無論是在飛機制造時加裝還是在飛機投入使用后改裝，都更容易為人們所接受。Ku和Ka頻段的通信帶寬大、價格便宜，兩兆帶寬就可以給整個后艙提供服務，比海事衛星的價錢便宜多了。