寬帶衛星通信技術在智慧客艙中的應用

文 | 趙文強 中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心

一、引言

智慧客艙是集通信、人工智能、大數據和人機工程學的復雜工程，客艙智能化是未來民用飛機客艙設計的核心。“互聯網+”時代，航空公司基于互聯網的商業模式正在發生改變，智慧客艙將是最好的降低成本和擴展增值的服務，將給航空公司帶來全新的商業模式。未來飛行不僅要具備乘客、乘組、智能終端設備與飛機客艙四者之間的信息交互能力，還要實現飛機和地面通信網絡之間的高速互聯。因此，針對寬帶通信技術在智慧客艙中的應用研究具有重要的意義。

二、客艙寬帶通信技術概述

目前，客艙寬帶通信實現方式主要有兩種，如圖1所示：一種是基于4G/5G技術的ATG通信技術，該技術是在陸地航線上部署地面基站，實現飛機與地面基站之間的高速互聯；另一種是衛星寬帶接入技術，可以實現跨洋跨洲的寬帶服務功能，信號范圍可以覆蓋到非常偏遠的地區。從覆蓋范圍和穩定性來看，衛星通信技術優勢明顯，衛星通信可以滿足全天候全天時且不受地域限制的通信需求。

圖1 航空寬帶通信的兩種實現方式

航空互聯網作為衛星通信的重要應用場景，有著廣闊的發展前景。國外尤其是歐美區域航空互聯市場是客艙衛星通信發展最早也是最為成熟的市場，美聯航、德國漢莎航空公司、美國西南航空等大型航空公司在歐洲、北美和亞洲等眾多航線上提供基于Ku頻段靜止軌道衛星的機載寬帶通信服務，Gogo公司在2016 年開始提供Ka頻段服務。相比國外，中國航空公司加裝寬帶衛星通信設備的速度存在一定的差距，但是勢頭也非常迅猛。東方航空公司和南方航空公司已經在部分寬體客機上加裝了機載衛星通信系統，青島航空公司在2020年7月完成了基于中星16號的首次驗證飛行[1]。從目前來看，各大航空公司已經充分意識到加裝寬帶衛星通信系統的重要性，并且隨著未來高通量衛星、低軌衛星和空天地一體化網絡的快速發展，基于寬帶衛星的空地信息傳輸能提供充足的帶寬資源，是未來全球航空應用發展的重要技術支撐。

三、衛星通信技術賦能客艙智能化發展

民機客艙存在大量的空地寬帶傳輸需求，寬帶衛星通信系統具備滿足客艙寬帶通信需求的獨特潛力，除本身不受各種自然災害的影響，可進行全天候、全天時通信的特點之外，還具有地域廣、速率高、服務類型豐富的特點，具體特點如下：

1）覆蓋地域廣：衛星通信系統的覆蓋范圍能達到全球覆蓋，涵蓋了陸基通信系統如VHF、HF和ATG等無法覆蓋的區域。

2）通信速率高：寬帶衛星通信的速度可達每秒數十兆甚至百兆，能為航空運管提供話音和大流量數據通信業務，可以滿足智慧客艙的數據傳輸需求。

3）服務類型豐富：高通量衛星通信系統支持IPv4和IPv6協議，具備接入互聯網和ATN/IPS網絡能力，從而實現與現有的航空數據鏈和互聯網的融合，在滿足乘客上網需求的同時也可實現航司運營數據和飛機健康數據的實時傳輸。

除此之外，寬帶衛星通信技術還可以與人工智能技術、物聯網技術、邊緣計算技術以及大數據技術結合，為客艙提供豐富的航空信息化服務，真正讓乘客體驗到機上地面無差異化的網絡服務。借助這些先進技術，客艙將更加智能、更加舒適和更加安全，主要體現在：

1）傳統的環控系統將向綜合感知與控制系統轉變，通過溫濕度傳感器、煙霧報警器、可燃氣報警器等智能傳感器，為智慧客艙提供實時環境檢測，乘組和航空公司可更加方便了解客艙環境，同時也能實現客艙環境智能控制，帶給乘客一個更加舒適的飛行環境。

2）物聯網技術在客艙中得以應用：利用物聯網技術，實現客艙中智能設備（如座椅、舷窗、椅背顯示屏、行李架等）和乘客可穿戴式智能設備（如手環、智能手表、智能旅行箱等）相連接，方便乘客放置和拿取行李。同時也可通過人臉識別和智能AR眼鏡的實時拍攝功能，完成乘客登機計數、信息核對、VIP服務、行為監測等功能。

3）客艙娛樂將更加豐富：智慧客艙為乘客帶來更加流暢的上網體驗，滿足乘客的互聯網接入需求，還可根據乘客喜好推送相應的服務，使乘客在出行過程中具備和地面一樣的上網體驗。

四、智慧客艙寬帶衛星通信系統架構及組成

智慧客艙寬帶衛星通信技術利用衛星作為通信中繼，實現飛機-衛星-地面用戶之間的網絡通信。機載寬帶衛星通信系統主要由智慧客艙無線接入子系統、衛星傳輸子系統、地面網絡子系統三部分組成，如圖2所示，用于完成機上個人移動終端和客艙智能終端與地面通信網絡和設備的互聯互通，實現話音、數據、多媒體等通信業務。各子系統組成和功能如下：

圖2 機載寬帶衛星通信系統基本組成框圖

1）智慧客艙無線接入子系統：包括多制式微型基站、交換控制設備、乘客移動終端、客艙智能終端等設備，主要完成手機、平板等乘客移動終端的類型識別與空口對接、移動終端的接入識別和鑒權認證、機上移動終端的業務請求和實現、終端用戶數據存儲和計費管理，完成與衛星傳輸鏈路、地面網絡子系統的信號轉接和信息交互。

· 乘客移動終端：指乘客隨身攜帶的支持地面移動通信的手機、平板電腦、便攜電腦等通信設備，支持機上互聯網的接入；

· 客艙智能終端：包括客艙視頻監控設備、客艙娛樂設備、座椅壓力傳感器以及各種溫度、濕度、壓力和風量等智能監控傳感器，可以完成對乘客的身份認證、登機指引、機上娛樂以及客艙安全監控等功能；

· 多制式微型基站：能夠提供2G/3G/4G/LTE/5G/WLAN（WiFi）等不同通信體制的無線信號接入的小型基站，用以完成在飛機上對乘客移動終端的無線信號識別、空口對接和信息交互，提供話音、短信、多媒體等通信服務；

· 交換控制設備：包括處理器、存儲器、服務器等設備，用以完成手機等乘客移動終端和客艙智能終端接入寬帶衛星通信所需的設備識別、鑒權認證、IP地址動態分配、路由、流量和帶寬控制、計費管理以及機載寬帶衛星通信設備與機載基站之間的信號轉接與控制等功能。

2）衛星傳輸子系統：包括機載寬帶衛星通信設備、通信衛星、地面信關站，為飛機提供接入地面通信網絡的空中無線鏈路支持，實現在國內/國際航線上的全天候全天時的無線信號接入。

3）地面網絡子系統：包括地面數據傳輸網絡、用戶數據存儲設備、信息處理與配置單元、計費管理設備和網關等設備，在航空旅客寬帶衛星通信中提供移動終端與地面通信網的網關接入、信息處理配置服務、位置登記、用戶數據管理和計費管理等功能。

五、智慧客艙寬帶通信應用場景

智慧客艙相比于傳統的客艙服務會引入更多的電子化服務，為乘組提供高效、易用、好用的設備，為乘客提供愉悅、驚喜、沉浸式的飛行體驗[2]。未來全球互聯網覆蓋將由地面發展至空天地一體化信息網絡。屆時，民航出行將與互聯網深度融合。在這種背景下，智慧客艙的應用將成為現實。未來智慧客艙通過集成化的“神經網絡”，在乘客和飛機之間建立一個智能化的互動界面，可以實時感知乘客需求并對乘客的需求做出響應，給乘客帶來不同層次的定制化飛行體驗，乘客可以在飛機上線上辦公，也可以享受網上沖浪的樂趣。總之，寬帶衛星通信系統不僅可以為乘客提供寬帶互聯網接入服務，還能提升航班飛行效率，提升智慧客艙舒適性、便捷性和安全性，具體應用場景如下。

1）提供旅客服務推送應用：通過衛星互聯網空地鏈路，配合地面的云計算服務器，對乘客的個人信息、生活習慣、出行信息、行為模式等進行分析，經過人工智能和大數據學習后，為旅客提供智能推送服務，方便乘務員為乘客提供潛在需求推送服務，提升乘客的飛行體驗和對航空公司的滿意度。

2）提供客艙物聯網服務：通過在客艙內部署智能無線物聯網硬件設備，可以和乘客的穿戴設備（包括手環、智能手表、智能旅行箱等）進行連接，實現對乘客健康的監控、出行信息的獲取，再利用寬帶衛星通信業務將客艙物聯網與互聯網相連接，提供乘客全出行周期的數據服務，真正的實現智慧出行。

3）提高飛機的維修預見性：基于寬帶衛星的通信網絡，實時獲取飛機的健康數據，提高系統、設備的維修預見性，從而減輕航線維護工作，縮短維修準備時間。

4）乘客緊急醫療：利用高通量衛星通信技術助力乘客緊急醫療，能夠支持遠程高清會診和醫學影像數據的高速傳輸與共享，并讓地面專家能隨時隨地開展會診和提供診療意見和救護指導，對于進一步提高保障機上乘客生命安全能力具有重要意義。

5）客艙安全監控：智慧客艙系統將人、設備以及客艙環境融合成統一的整體，從中提取有用信息，針對乘客的異構數據進行辨識和建模，利用人工智能、人臉識別等多種專業技術，對乘客人臉識別監控，對旅客身份、行為等特征進行預測和推理，發現乘客中的危險行為，遇到劫機危險和緊急情況，乘務和機組人員通過寬帶衛星通信系統第一時間和地面聯系，提高應急響應速度，提升客艙安全性，保障乘客生命安全和飛機飛行安全。

6）客艙環控信息實時監控：環控系統是現代飛機必不可少的保障系統，其作用是保證飛機機艙內的空氣溫度、壓力、流量、濕度、氣流速度和清潔度等參數控制在合理范圍內，確保機上人員的安全舒適以及機載電子設備正常工作。利用寬帶衛星通信系統將前端傳感器數據下傳到航司的地面服務器，實現對智慧客艙環境、消防安全情況的實時監控，保障飛行安全。

六、面臨的問題

1.網絡安保問題

寬帶衛星通信技術在智慧客艙中的應用雖然滿足了飛機在飛行過程中和地面間進行大量數據的信息交互需求，但是智慧客艙網絡是一個建立于多種網絡之上的運營網絡，用戶數據可能穿越各種接入網絡及不同廠商提供的網絡功能實體，可能會導致飛機的安全信息和用戶隱私數據散布在網絡的各個角落。因此，寬帶衛星通信技術在智慧客艙中的應用必須全面考慮數據在各種接入技術以及不同運營網絡中穿越時所面臨的網絡安全風險，需要制定周全的機載網絡安保策略和乘客隱私防護策略，保障飛機的飛行安全和乘客信息安全。

2.商業運營問題

寬帶衛星通信技術的高速、穩定和安全是其在智慧客艙成功應用的根本，但是乘客和航空公司愿意用、用得起、用得滿意才是寬帶衛星通信技術快速發展和成功商業運營的原始動力。因此，客艙寬帶衛星網絡商業化服務的一個關鍵是解決流量費用高的問題，這需要衛星網絡運營商、航空公司、機載設備供應商以及內容運營商等多方協同努力，創新商業模式，擴展利潤空間，才能促進機載寬帶衛星通信技術在智慧客艙中成功應用，保證客艙寬帶衛星通信產業持續健康發展。

七、總結

隨著高通量衛星和低軌衛星通信的快速部署，寬帶衛星通信技術將在民航中應用越來越廣泛。寬帶衛星通信系統具備的高帶寬和廣覆蓋特點，可以為未來智慧客艙帶來廣泛的應用場景，將徹底打破機上信息孤島局面，實現智慧客艙豐富的信息化服務，增強飛機的飛行安全，帶給乘客舒適的飛行體驗，同時寬帶衛星通信技術也面臨著網絡安保和運營問題亟待解決。