天通一號衛星通信在民航領域中的應用分析

文 | 趙文強 左晶 武瑞 張展 馮劍鋒 蔣欣

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

目前，我國民用客機中的衛星通信系統主要采用海事衛星或銥星衛星通信系統，不僅價格昂貴，而且通話和數據傳輸安全性沒法做到自主可控。隨著我國移動衛星通信技術的發展，具有我國自主知識產權的衛星通信系統已初具規模。2016 年8 月我國發射了首顆可以應用于民用航空的S 頻段衛星通信系統——天通一號[1]。天通一號衛星移動通信系統，是中國自主研制建設的衛星移動通信系統，也是中國空間信息基礎設施的重要組成部分，其通信性能與國際海事衛星SBB 通信能力相當。因此，針對天通衛星在民航中的應用研究具有重要的意義。

二、民航前艙衛星通信現狀

衛星通信在民用航空的應用主要劃分為前艙（駕駛艙）通信和中后艙（客艙）通信。前艙通信需要高度完整性和快速響應的安全通信，中后艙通信是為航空承運人提供通信服務，以及乘客公眾通信服務[2]。目前，衛星通信系統已經在航空領域中得到廣泛應用，正在運行的、新引進的飛機以及生產線上的飛機均具備安裝衛星通信的基本條件，國內外衛星通信服務商根據不同機型也提供了多樣化的經過適航認證的機載通信產品，并根據航空用戶要求制定適用解決方案。

目前，應用在民航領域的主流衛星通信系統包括銥星和國際海事衛星、Viasat 等系統。其中，銥星系統和國際海事衛星系統廣泛應用于民航前艙安全通信領域，為飛機的空中交通服務、空中交通管理、應急通信、定位追蹤等應用提供空地鏈路。銥星的頻率與我國北斗衛星系統的頻率存在沖突，目前在國內僅裝備少量飛機。國際海事衛星通信系統的安全相關服務SBB 已通過FAA 認證，可進入前艙進行飛機安全相關信息傳輸，但是存在裝機和數據傳輸費用昂貴的問題。

與國際先進水平相比，國內民用飛機衛星通信系統及設備研制水平仍存在較大差距，面臨世界航空巨頭的高度壟斷，機載衛星通信設備均由國外供應商提供，缺少獨立自主可控的能力。我國衛星移動通信起步晚，但發展迅速。2016 年8 月，我國首顆移動通信衛星天通一號01 星在西昌衛星發射中心發射成功，2020 年11 月和2021 年1 月，隨著天通一號02 星和天通一號03 星相繼成功發射，至此我國完成了三顆天通一號衛星的合作組網，實現了天通一號衛星天地一體化運行。天通一號衛星移動通信系統可為亞非等地區以及太平洋、印度洋大部分海洋地區的用戶提供全天時、全天候、高穩定高質量的語音、短信數據等移動通信服務，不僅具有與國際海事衛星相當的數據通信能力，而且從星上載荷到核心通信芯片再到終端設備全部自主可控，在民航中的應用潛力巨大。

三、天通一號衛星航空系統組成

天通一號衛星移動通信系統，是我國自主研制建設的衛星移動通信系統，填補了我國在衛星移動通信領域的空白，它不僅是國家應急指揮通信的重要組成部分，也是我國空間信息基礎設施的重要組成部分，在行業應用上也發揮了重要的作用。基于天通一號移動衛星的航空系統由空間段、地面段和用戶終端組成，如圖1 所示。其中空間段由3 顆地球同步軌道移動通信衛星組成；用戶段由機載衛星通信終端組成；地面段由衛星運控中心、網絡運控中心、信關站、地面支持專用網絡組成。通過信關站的網關功能，天通一號衛星移動通信系統可以和固定電話網絡、移動電話網絡、Internet 網絡互聯互通。

基于天通一號衛星的用戶鏈路工作于S 頻段，收發頻段各30MHz 帶寬，上行（地對空）工作頻段1980～2010MHz，下行（空對地）工作頻段2170～2200MHz。30MHz 工作頻段被劃分為1388 對信道，信道間隔21.6kHz，可同時支持100 萬用戶使用，可為航空用戶提供“天地空一體”的全方位通信保障服務：

· 語音，可撥打全球任意地面固定和移動電話；

· 短信，支持網內和出網短信息，可與地面公網移動終端互聯互通；

· 傳真，速率9.6kbit/s；

· 數據傳輸/互聯網接入/視頻回傳，數據傳輸速率9.6 ～384kbit/s，互聯網接入速率64 ～384kbit/s。

四、天通一號衛星在民航中應用可行性分析

1.政策要求建立4 分鐘內空地通信聯絡

政策方面，中國民航局AC-121-FS-2011-004R1《航空承運人運行中心（AOC）政策與標準》[3]要求：在整個航路上，航空承運人必須確保在每架飛機與相應的AOC 之間，能夠建立可靠迅速的通信聯絡（不超過4 分鐘）。天通衛星通信系統可以為大型民機提供空地數據鏈和空地語音通話功能，具備滿足局方4 分鐘建立通信要求的能力。

2.天通一號系統可實現與ATN/IPS 網絡的交聯

技術方面，國際民航組織（ICAO）一直致力于研究新一代航空電信網的體系結構，航空界開始考慮從整體思路上向IP 轉型。ICAO 已經同意將ATN/IPS 作為下一代ATN 的協議標準，用于指導ATN 的建設。在北美地區、加勒比海/南美地區、北大西洋/歐洲地區已經選擇采用IPS 技術來實現其航空消息處理系統（AMHS）應用。亞太地區已經計劃采用ATN/OSI 和ATN/IPS 雙棧方式來實現AMHS。天通一號衛星移動通信系統支持IPv4 和IPv6協議，具備接入ACARS/IP或ATN/IPS網絡能力，從而可實現與ATN/IPS 網絡的交聯，提供航空數據的傳輸。

3.天通一號系統可實現自主可控

安全方面，天通一號衛星通信系統是由我國自主設計、生產、運營的S 頻段衛星移動通信網絡，從星上載荷到核心通信芯片再到終端設備全部自主可控，徹底杜絕了后門、窺視等威脅我國通信安全的隱患，提高了系統的安全性。

4.天通衛通設備成本低于國外設備

經濟方面，海事衛星和銥星通信系統存在裝機和數據傳輸費用昂貴的問題，目前銥星系統的裝機成本約15 萬美元/套，海事衛星約20 萬美元/套。使用成本方面，銥星為6.4 元/分鐘，0.6 元/kbit；海事衛星約1.1 美元/分鐘，7 美元/MB。天通衛星使用成本1.6 元/分鐘，短信0.4 元/條，流量16 元/MB。天通衛通設備的裝機成本和使用成本明顯低于銥星和海事衛星。

五、天通一號衛星在民航應用前景

天通一號衛星通信系統在民航中的應用是其重要的應用方向之一，可提供安全等級高的保密語音通話，可以提供相比傳統窄帶甚高頻數字通信系統更高的傳輸速率，可以為飛行員提供更多的數字信息，提高飛行員的綜合判斷能力和周邊態勢感知能力，還可以將飛機關鍵信息及時下傳，提高飛機狀態的實時監控能力，提高飛行效率和飛行安全性能。

借助于天通一號衛星通信系統在飛機上的應用，飛機能夠與地面建立下列幾種通信聯系。

1.建立4 分鐘內空地語音通信

中國民用航空局《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》（CCAR-121 部）第97 條規定“每架飛機與簽派室之間的通信應當是空中交通管制通信系統之外的獨立系統，能夠滿足在正常運行條件下，在4 分鐘內建立迅速可靠語音通信聯系”[4]，借助天通一號衛星通信系統，可實現每架飛機與運行控制中心之間在4 分鐘內建立及時、可靠的語音通信聯系。

2.正常狀態航跡追蹤

對于正常運行的航空器通過自動位置報告實現例行航跡追蹤。《航空承運人航空器追蹤監控實施指南》強制要求航空承運人實現對其海洋區域運行至少每15 分鐘通過自動報告對航空器位置進行追蹤（4D/15 追蹤）[5]，借助天通一號衛星通信系統，可以落實國際民航組織對4D/15 的要求。

3.航路氣象及情報服務

利用天通一號衛星通信鏈路作為飛機通信尋址與報告系統（ACARS）傳輸鏈路或者電子飛行包（EFB）傳輸鏈路，由航空公司、空管部門和機場將整理好的氣象及情報信息通過ACARS 或者EFB傳輸給飛行機組，讓飛行員提前得到影響飛行安全的災害天氣預警，獲得提前采取應對措施的寶貴時間，避免飛行安全事故的發生。

4.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。再利用天通衛星互聯網業務將客艙物聯網與互聯網相連接，實現乘客全出行周期的數據服務。

六、天通一號衛星在民航應用思考

1.健全政策法規保障天通一號系統民航應用

政策法規方面，海事衛星系統、銥星系統等通過ICAO 適航認證的衛星系統都經歷了大量試驗試飛和演示驗證來證明其適航性，并制定了完善的政策法律及規章制度來規范基于衛星通信系統的民航應用。因此，針對天通一號衛星移動通信系統在民航中的應用，需通過大量的試飛試驗驗證其適航性，同時要建立健全的政策法律及規章制度，從政策法規層面解決天通一號衛星數據“落地權”以及“安全”“開放”等問題，保障天通一號衛星移動通信系統在民航中的應用。

2.完善天通一號衛星民航應用的標準體系

適航標準方面，民機機載衛星通信系統主要依賴國外相關標準體制，缺乏基于天通一號衛星的機載衛星系統設備研制依據。目前國外針對前艙衛星通信服務，分別有基于銥星和海事衛星的ARINC 741 和ARINC 781 機載衛星通信系統設備規范。針對天通一號衛星移動通信系統在民航中的應用適航技術標準方面，建議結合國外已有技術標準，采用設備研制與標準論證并行的方式，聯合民航局、工業界、航司用戶逐步完善天通一號衛星在民航中應用的標準體系。

3.突破關鍵技術以適應民機的數據鏈系統

關鍵技術方面，傳統的ACARS 系統進行空/地通信執行的ARINC 618 協議是一種面向字符協議，它和目前天通一號衛星基于IP 的網絡不兼容，導致天通一號衛星系統無法直接接入前艙航電系統，在民航中的應用仍存在一定技術門檻。因此，需要突破ACARS over IP 技術或者ATN/IPS 關鍵技術以適應現在和將來民機的數據鏈系統。

七、結語

“通信自主”是民航強國的基石。天通一號衛星作為我國自主建設的衛星移動通信系統，具備話音、數據和短消息通信能力，可以滿足民航4 分鐘內語音通信、4D/15、EFB 等應用場景的通信需求，但同時面臨的政策法規、適航標準、關鍵技術等問題也亟待解決。總之天通一號衛星移動通信系統在民航領域的應用對于打破國外供應商的技術封鎖和壟斷，提高民用飛機數據傳輸的安全性，實現民用飛機衛星通信設備國產化、自主化和可控化具有重要意義。