民用航空SB-S 衛星通信系統安裝與功能測試*

翟來娟，閆志付

（中電科柯林斯航空電子有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

下一代航空通信系統將需要更大的空地通信能力，以適應更多的空中交通需求，并同時提高安全性和效率。寬帶安全衛星網絡業務（SwiftBroadband-Safety，SB-S）是由國際海事衛星組織（Inmarsat）提供的寬帶語音和數據安全服務，具有全球覆蓋、完全冗余、無與倫比的網絡安全和超過99.9%的全球可用性[1]。此外SB-S 還滿足國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）為所有飛行遠洋航線的飛機規定的通信和監視性能要求。SB-S 服務已進入商業領域，終端已安裝于包括波音767、空客A321neo/A320 等多種機型[2]。SB-S 服務可通過包括SITAONAIR、Rockwell Collins/ARINC 和中國 交通通信信息集團有限公司、民航數據通信公司在內的服務商網絡獲得[2]。

本文概述了SB-S 服務架構、機載衛星通信設備架構，總結了民航飛機裝載衛通設備及功能測試的方法流程，以實現安全高效的民航衛星通信系統。

1 SB-S 服務及架構

Inmarsat 寬帶衛星網絡（SwiftBroadband，SBB）是由3 顆Inmarsat 4（I-4）衛星組成的星座提供的L 波段航空服務[3]。SBB 系統由I-4 衛星、Inmarsat地面設施、分銷商/通信服務商網絡以及飛機地球站（Aircraft Earth Station，AES）等4 部分構成，如下圖1 所示[3-4]。

圖1 SBB 整體架構

Inmarsat 地面設施包含衛星天線、上下變頻、無線電接入網絡（Radio Access Network，RAN）、核心網絡（Core Network，CN）及數據通信網絡。此外為了支持安全服務，地面站還包含各種網關功能，包括地面安全網關（Ground Security Gateway，GSGW）、地面數據鏈網關（Ground Datalink Gateway，GDGW）、互聯網協議語音（Voice over IP，VoIP）網關，特別是飛機通信尋址和報告系統地面網關（Aircraft Communication Addressing and Reporting System Ground Gateway，AGGW）。Inmarsat 擁有并運營衛星地面基礎設施，并向分銷合作伙伴/通信服務商（如SITA，ARINC 等）提供流量服務，然后由后者向用戶提供端到端ACARS 和語音服務。機載站飛機用戶終端旨在支持Inmarsat SBB 航空服務，供駕駛艙和客艙使用。

SBB 航空服務旨在為飛行員和機組人員提供機艙和駕駛艙服務，以及為乘客提供機上互聯網接入。典型應用除了提供傳統的電話服務，還將允許完整的互聯網接入，如電子郵件、虛擬專用網VPN、web 瀏覽和文件下載以及電子飛行包（Electronic Flight Bag，EFB 和VoIP[5]。它還將通過音頻管理系統提供駕駛艙人員語音服務，ACARS 服務。SB-S是第一個用于駕駛艙的安全通信系統，滿足嚴格的航空安全和與地面操作數據交換的要求，符合未來空中導航系統（Future Air Navigation System，FANS）要求，并通過強大、安全的IP 數據鏈路和多個語音通道提供ACARS 以及安全運營服務。

SB-S 提供兩種類型的安全語音服務：基于電路交換的語音服務（Circuit Switched Voice，CS Voice）和基于分組交換的語音服務（Packet Switched Voice，PS Voice）也稱VoIP。在空中接口主要語音通道是基于電路交換實現的，而第2 個語音通道則使用VoIP。機載衛星設備應始終通過 CS語音連接發出第1 個駕駛艙語音呼叫。如果CS 域忙碌，則應通過安全VOIP 域發出駕駛艙語音呼叫。

SB-S 提供兩種類型的數據連接服務：標準數據連接（Standard IP）和流式數據連接（Streaming IP）[5]。標準數據連接支持多個用戶同時共享數據連接，適合電子郵件、文件傳輸及互聯網訪問，用戶為發送和接收的數據量付費。流式數據連接確保數據無縫傳輸的獨家高優先級連接，適用于IP 實時視頻等時間關鍵型應用，用戶為連接持續時間付費。

2 SB-S 機載終端設備

Inmarsat 的終端制造商合作伙伴開發了一系列6類高增益天線（High Gain Antenna，HGA）、7 類中增益天線（Intermediate Gain Antenna，IGA）和4 類增強型低增益天線（Enhanced Low Gain Antenna，E-LGA）SBS 終端，以滿足支持安全服務所需的飛機功能要求。這幾類終端均支持ACARS、優先IP 數據以及雙通道語音通話，但6 類的高增益天線可以提供更高的數據速率以及額外的駕駛艙和客艙IP 帶寬。

可提供SB-S 服務的終端包括但不限于Cobham航空SB-S 終端電子設備系列Aviator 300D（IGA）、Aviator 350D（HGA）、Aviator 200S（ELGA）、Aviator 600S（IGA）、Aviator 700S（HGA）和霍尼韋爾航空SB-S 電子設備Aspire 400 系列（可提供HGA、IGA、ELGA 類型天線）[6]。

機載衛星通信（Satellite Communications，SATCOM）設備的功能是通過在L 波段提供航空服務的衛星傳輸、接收和處理信號。機載SATCOM 系統應為飛機機組人員和乘客提供一個可以通過Inmarsat 衛星星座與地面用戶進行通信的集成解決方案。此外，衛星通信系統將提供一整套的用戶語音、數據通信接口。以6 類高增益天線為例，典型的SATCOM 系統配置架構如下圖2 所示[3,7]，系統由一個負責信號處理的衛星數據單元（Satellite Data Unit，SDU）、一個能夠存儲SDU 配置的衛星數據單元配置模塊（SDU Configuration Module，SCM）、一個能夠提供信號放大以傳輸信號的高功率放大器（High-Power Amplifier，HPA）、一個由低噪聲放大器和雙工器組成的雙工低噪聲放大器（Diplexer/Low Noise Amplifier，DLNA）、一個為衛星提供同步接收和信號傳輸的天線組成。為滿足安全語音和ACARS 服務，SDU 需包含ACARS 空中網關和VoIP 服務器。SDU 提供機上所有與用戶的接口包括語音和數據接口。為了控制天線指向衛星，SDU 需要連接飛機慣導系統以獲取飛機的位置和姿態。

圖2 SB-S 機載SATCOM 配置架構

3 SB-S 設備安裝、激活與配置

3.1 安裝

系統安裝包括天線安裝、系統內部各設備之間的連接、與電源系統的連接、與外部系統的連接。ARINC 781 標準定義了衛通設備的標準接口和連接關系、射頻（Radio Frequency，RF）連接器及RF 線纜損耗要求。設備安裝首先需要準備滿足標準定義的RF 連接器、RF 線纜及通信信號線纜，其次根據設備之間及與電源和外部系統之間的連接關系進行設備連接。安裝天線和RF 線纜可能會導致無源互調（Passive Intermodulation，PIM）。為了獲得較低的PIM，以保證設備與衛星之間的通信質量，安裝衛星通信系統時應特別考慮天線安裝、RF 線纜、RF 連接器[3]。

天線必須安裝在機身頂部，保證天空視野清晰。天線必須通過轉接板（在彎曲的機身和天線的平坦安裝表面之間提供配合接口）用螺栓固定在機身上，且必須使天線的平坦底面適應機身，使其長軸與前后軸對齊飛機。若飛機表面中斷天線和衛星之間直接視線，將導致天線射頻波束的不同程度的阻擋，所以天線應安裝在正常飛行期間可以盡量減少飛機金屬表面阻擋天線視線的位置，一般最好掛載機身前部以最小化由尾巴和翅膀引起的射頻阻擋[8]。

所有的RF 線纜必須滿足ARINC 781 標準定義的損耗要求。DLNA 到天線射頻電纜承載了高功率發射信號和低功率接收信號，因此在電纜安裝過程中必須遵守最小彎曲半徑，否則電纜可能會損壞并成為PIM 的來源。

ARINC 781 標準給出了衛通設備之間的RF 連接器的推薦型號，建議按照推薦型號訂購連接器。射頻連接器公母連接器之間是金屬對金屬的接觸，在安裝過程中如果連接器之間壓力太低，可能會導致PIM，建議使用扭矩扳手將RF 連接器擰緊而不建議僅用手擰緊連接器。另外為防止污染，在存儲期間，具有射頻連接器的設備應戴上防塵帽[3]。

如果天線、RF 電纜或連接器被修改（如電纜被重新連接，天線/適配器板被重新安裝），建議執行PIM 內置測試以確保衛星通信系統的正常運行。

3.2 通信服務激活

系統開始運行之前，飛機所有者或運營商必須向國家航空識別機構（一般是所在國的民航局，如中國民航局）申請唯一的24 位飛機識別代碼ICAO地址[3]，并與Inmarsat 服務提供商簽訂合同以便激活系統。國際移動用戶標識（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）是用于激活服務的身份證明（Identification，ID）[3]，衛通設備交付時身份識別卡（Subscriber Identity Module，SIM）永久安裝在SCM中，但未激活。SIM 卡由Inmarsat 預先驗證并通過其唯一的IMSI 號碼進行識別。IMSI 通常為15 位長，印在SCM 的部件編號標簽上，也印在符合性證書信函上。

與服務提供商簽訂的SB-S 服務合同需要提供飛機終端設備配置的相關信息為：IMSI 號碼，飛機類型，機尾號（與ICAO 地址一起由民航局分配），ICAO 地址。最終簽訂的合同需要包含由服務供應商提供的相關項目，具體為：與安裝的IMSI 號碼相關聯的直接電話號碼，分組交換服務所需接入點名稱（Access Point Name，APN）。

ACARS 服務使用公鑰基礎設施（Public Key Infrastructure，PKI）系統進行控制，該系統負責將飛機和地面網關注冊到系統中并生成簽名證書以保證其真實性。為了保證ACARS 業務的正常使用，必須聯系設備供應商授權PKI 系統證書。為授權PKI 證書，需要提供：IMSI 號碼，智能卡序列號SmartCard（在SCM 標簽上查看），飛機類型，機尾號，ICAO 地址。在PKI 證書授權之后，系統下一次上電將自動加載該證書，不需要額外的操作。

3.3 系統配置

SDU 的配置參數存儲在SDU 配置模塊SCM 中，通過設備廠商提供的配置軟件進行配置，可參考配置軟件用戶手冊對所有配置參數進行配置。典型配置參數包括[9]以下5 個參數。

（1）唯一的飛機識別代碼（ICAO 地址）：也稱為AES ID。SDU 將獲取的ICAO 地址與在SDU的配置模塊中輸入的ICAO 地址進行比較，如果它們不匹配，系統將暫停所有RF 通信。

（2）RF 配置：RF 電纜的損耗須登記在SDU系統的配置參數表中供SDU 補償使用。

（3）外部導航參數：導航參數輸入源，以便衛星系統可以獲取飛機的慣導參數，包括飛機的經緯度、航向、高度等信息。

（4）衛星網絡：設置衛星登陸策略，輸入由服務供應商提供的網絡接入點名稱APN。

（5）以太網配置：為測試客艙網絡功能，需要設置相應的IP 參數，如IP 地址、子網掩碼和默認網關。

4 SB-S 設備功能測試

4.1 對星及衛星登錄

首先要根據機載衛星設備所在經緯度以及海事衛星覆蓋圖[10]（圖3）判斷衛星設備可以搜索到的衛星。中國范圍內可用亞太衛星（Asia-Pacific，APAC）（E143.5°）和中東亞衛星（Middle East-Asia，MEAS（E64°）等海事衛星。其次要根據衛星及設備所在位置判斷衛星天線安裝的方向和俯仰角。

圖3 第四代海事衛星覆蓋范圍

中國國境處于地球赤道的北部，所以同步衛星永遠在南方向，也就是說地面衛星天線的方向應該朝向南方。如果衛星經度等于所在地經度，衛星接收天線應向正南方向，如果衛星經度大于所在地的經度，衛星接收天線應朝向正南偏東方向，如果衛星經度小于所在地經度，衛星接收天線應朝向偏西方向。以中國成都（N30.57°,E104.07°）為例，應首選APAC 衛星，衛星天線應指向東南方向。

圖4[11]的圓圈線標識了最近的海事衛星的“查找角”。根據視角圖可以確定衛星通信設備相對于衛星的航向、距離地平線的仰角度數。根據中國成都與APAC 衛星的相對位置，衛星設備天線應對準東南方向45°仰角位置。

圖4 第四代海事衛星視角

SDU 接收到飛機導航數據（位置和姿態），并根據衛星位置計算所需的天線仰角和方位角，然后將方位角和仰角數據發送到天線。天線的波束控制系統就可以根據SDU 輸入的數據進行天線指向調整從而正確對星。

Inmarsat 衛星傳輸到地球上的信號稱為波束，它們使用3 種波束[12]（圖5 所示）：用于指向信令的全球波束（Global Beam）、用于注冊的區域波束（Regional Beams）以及用于語音和數據流量的窄波束（Narrow Spot Beams）。機載衛通設備開機后，全球光束（未注冊）接收初始系統信息完成衛通天線指向衛星。區域波束（已注冊）用于注冊和登錄衛星，終端可撥打和接聽電話或短信。窄波束（已注冊）是語音、數據/互聯網波束，在從衛通終端的界面開始數據會話后即可使用，流量會話結束后進入區域波束待機狀態。

圖5 SBB 波束類型及功能

對星及登錄方法和步驟具體如下文所述。

（1）將衛星天線安裝于轉接板上并置于空曠無遮擋區域，至少要保證對應衛星的方向無遮擋,以上文成都位置為例要至少保證天線的東南方向45°仰角位置無遮擋。

（2）利用指南針獲取當前天線所在位置的經緯度以及真航向角度，并通過衛星數據單元設置天線的初始經緯度以及天線的真航向。

（3）通過衛通設備終端界面觀察波束類型和信號強度，此時應該為寬波束，信號強度應大于50 dB，如果信號強度弱，則需要微調天線位置以獲得足夠的信號強度。

（4）選擇合適的衛星并開始注冊登錄衛星語音服務。此時在終端界面觀察到的波束類型為區域波束，相比較寬波束區域波束信號強度將有所提高。

（5）衛星數據單元進行數據業務注冊登錄，一旦與窄波束建立連接，相比較區域波束信號強度更高。

（6）當在衛星設備終端觀察到設備已經與窄波束建立連接并且信號強度穩定，即可完成對星。如果窄波束信號在一定范圍之間反彈，這可能是天線指向問題或天線/支架可能松動和移動導致的指向錯誤，需要花些時間找出終端信號強度最高的可能。

4.2 語音通話測試

航空衛星語音通話系統交互概述如下圖6 所示[13]。語音通話測試需要完成空對地呼叫、地對空呼叫、呼叫優先搶占等測試。航空呼叫優先級[12]為：

圖6 航空衛星語音通信系統概述

（1）1/EMG（緊急），最高優先級，屬于飛行安全級別，一般用于緊急迫降、緊急天氣等；

（2）2/HGH（高），次高優先級，屬于飛行安全級別，通常分配給空中交通服務（Air Traffic Services，ATS）的通話；

（3）3/LOW（低），第3 優先級，通常分配給航空運行控制（Airline Operational Control，AOC）呼叫；

（4）4/PUB（公共電話），非安全級。

呼叫優先搶占指飛機系統使用優先級來搶占較低優先級的呼叫，并為較高優先級的來電建立優先連接。較高優先級的呼叫將中斷較低優先級通信正在使用的通信資源，在沒有任何指示或延遲的情況下建立連接。可先啟動一個低優先級的通話，然后在此通話過程中嘗試啟動一個較高優先級的通話，測試并驗證系統是否可以為高優先級通話自動搶占低優先級的通話。

空對地呼叫流程如下文所述。

（1）通過控制和顯示設備輸入電話號碼，或者從電話簿中選擇電話號碼。要手動撥打電話，請撥打00 ＜國家/地區代碼＞ ＜電話號碼＞。航空器運營人員應確保衛星話音在飛行中的計劃使用符合各個國家和/或飛行情報區適用的法規、政策和程序。

（2）分配呼叫優先級：通常是默認值，呼叫者可以在進行呼叫時更改，飛行器系統可以搶占較低優先級的呼叫以建立較高優先級呼出呼叫的優先級。

（3）呼出：從控制和顯示界面或語音控制面板啟動呼叫。

（4）呼叫嘗試：SDU 向網絡接入交換機發起呼叫，網絡接入交換機提供適當的信息供航空站使用。

（5）呼叫連接：航空站接收來電并向無線電操作員/控制器提供指示。

（6）呼叫接通：無線電操作員或控制器接聽來電。

地對空呼叫流程如下文所述。

（1）用戶輸入有效飛機號碼：地面呼叫需要從服務供應商獲取到機上衛通設備的語音電話號碼，還需要確定此次撥號的優先級。機上衛通系統提供配置選項可以直接拒絕PUB 級別的電話接入。對于航空2 級地對空呼叫，先需要撥叫地對空2 級呼叫平臺接入號碼，接通后輸入賬戶密碼（由通信服務商提供的用戶身份號碼），然后使用ICAO 地址呼叫飛機：優先級+ICAO 號碼#。

（2）呼叫嘗試：網絡接入交換機向飛行器發起呼叫，并提供適當的信息供飛機系統使用。

（3）呼叫連接：飛機接收來電并向機組人員提供燈和聲音指示。飛行器系統可以搶占較低優先級的呼叫以建立較高優先級來電的優先級。

（4）呼叫接聽：機組人員接聽來電。

4.3 ACARS 測試

實施SBS 安全服務支持的終端制造商必須驗證其ACARS 機載網關AAGW 的實施符合Inmarsat 的要求。如圖7 所示為ACARS 測試框圖[14-15]，測試系統包括機載ACARS 測試設備、Inmarsat 衛星、Inmarsat 地面接收站及網絡、數據鏈服務提供商、地面網絡及終端用戶（ATS、AOC）等。

圖7 ACARS 測試框架

ACARS 測試包括下行和上行數據鏈路傳輸測試。為保證完整的雙向鏈路測試，需要與ACARS通信服務商合作并發送機載設備的信息（包括飛機類型、ICAO 地址、機尾號等）以完成飛機信息注冊，在測試時需確認衛通設備已連接至安全網關及ACARS 網關。

下行鏈路測試時，由連接到SDU 的機載通信管理單元（Communications Management Unit，CMU）發起ACARS 消息，由衛通設備天線通過Inmarsat衛星鏈路將消息傳輸到Inmarsat 地面站。地面站收到飛機的下行報文后，數據鏈服務商會按照規范將收到的下行報文轉化成地-地報文傳輸格式并送給地面終端用戶。同時地面站發送一條上行報文通知機載設備消息已成功收到。

為完成上行鏈路測試，地面終端用戶收到機載站發送的下行ACARS 請求消息后根據規范將所需用戶數據轉化成地-地報文發送至地面數據鏈服務商，地面數據鏈服務商將收到的報文消息轉換成地-空傳輸格式報文并通過Inmarsat 衛星鏈路發送至SDU，機載CMU 在收到該上行消息后進行處理并最終傳送給機載顯示終端。

4.4 客艙以太網測試

SBB 系統可支持客艙數據如電子郵件、互聯網等。推薦的連接類型是標準數據連接（系統默認設置）。測試流程如下：

（1）選擇一臺電腦或者筆記本，將電腦網絡端口連接至機載衛星通信設備的客艙以太網接口；

（2）設置電腦的網絡連接屬性，包括SDU 可以接受和識別的有效IP地址、子網掩碼和默認網關；

（3）嘗試通過電腦ping 到SDU 網絡連接；

（4）確保衛通設備已登陸海事衛星網絡；

（5）在電腦端設置基于以太網的點對點協議（Point-to-Point Protocol Over Ethernet，PPPoE）連接，先連接至因特網，然后建立新連接，再選擇寬帶PPPoE 連接，最后根據向導說明需要選擇服務名稱為SBB 并輸入通信服務商提供的APN；

（6）啟動PPPoE 連接，注冊成功后將可以使用因特網服務；

（7）在電腦端開啟網頁，確認已接入互聯網。

5 結語

隨著民用航空事業的發展，民航衛星網絡已成為為航空業務提供服務的綜合業務通信網絡，并將在未來的航空運輸系統中發揮更大的作用。現在網絡安全問題日益突出，民航必須在提供全面綜合服務的同時確保通信安全。SB-S 衛星通信服務將提高現有網絡的安全性，并具備用于未來擴展的航空安全通信服務的能力，以支持下一代全球航空運輸。本文概述了SB-S 衛星通信及民用飛機裝載SB-S衛通系統的長遠意義，為民用飛機裝載SB-S 衛通系統提供了明確思路，并根據實際經驗總結了一套SB-S 衛星通信系統安裝、激活、配置及用戶功能測試的實用方法和流程。