空間互聯(lián)網(wǎng)在航空領(lǐng)域的重點(diǎn)應(yīng)用分析

譚元晧，張學(xué)軍，李雪緣

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191）

隨著國(guó)內(nèi)外低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)迅速發(fā)展，空間互聯(lián)網(wǎng)因其具有全球覆蓋及高速寬帶穩(wěn)定通信能力，成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[1?4]。近年來，美國(guó)已經(jīng)開展空間互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)的相關(guān)研究，相繼完成銥星二代星座部署，計(jì)劃并啟動(dòng)OneWeb、Starlink等一系列空間互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)[1]。為實(shí)現(xiàn)建設(shè)“航天強(qiáng)國(guó)”的目標(biāo)，保護(hù)空間資源，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國(guó)必須加緊建設(shè)屬于自己的空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)?？臻g互聯(lián)網(wǎng)作為技術(shù)領(lǐng)域廣、工程難度大、資金需求多的重大工程，需要從應(yīng)用角度出發(fā)，提出空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)滿足應(yīng)用需求的功能和技術(shù)要求，最終建成我國(guó)自主可控、性能可靠的空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1 空間互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀

空間互聯(lián)網(wǎng)是由各類在軌運(yùn)行的飛行器、衛(wèi)星及衛(wèi)星星座等構(gòu)成的空間信息處理及通信設(shè)施，各類地面站、核心網(wǎng)等相關(guān)地面基礎(chǔ)設(shè)施和各類應(yīng)用系統(tǒng)融合構(gòu)成寬窄結(jié)合、功能完備、異構(gòu)互聯(lián)、安全可控、承載泛在業(yè)務(wù)和接入的天地一體高性能全球基礎(chǔ)設(shè)施。

它具有如下特點(diǎn)：一是全球覆蓋，能夠滿足遠(yuǎn)洋、山區(qū)、兩極地區(qū)的覆蓋需要；二是容量大，在廣域覆蓋的基礎(chǔ)上滿足大范圍目標(biāo)的海量連接需求；三是抗毀性好，受天氣、地理等條件影響小，遇突發(fā)情況能有效保障持續(xù)穩(wěn)定的服務(wù)；最后則是小衛(wèi)星多功能，單星研制周期短，促進(jìn)快速起量的同時(shí)成本降低，便于一箭多星發(fā)射，功能模塊化、復(fù)合化，行業(yè)應(yīng)用廣泛。

目前全球范圍內(nèi)正在計(jì)劃部署空間互聯(lián)網(wǎng)星座的公司有將近30 家，部署衛(wèi)星計(jì)劃也達(dá)2 萬顆以上[2]。以O(shè)neWeb、SpaceX 為代表的大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)星座迅速發(fā)展，得到了產(chǎn)業(yè)界資本、運(yùn)營(yíng)商和用戶的廣泛關(guān)注。各國(guó)都在計(jì)劃和申請(qǐng)各自的衛(wèi)星星座，搶占軌位和頻段，全力推進(jìn)空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，同時(shí)各星座計(jì)劃均不同程度增加載荷類型，以增加實(shí)際的用戶數(shù)量和類型，以衛(wèi)星組網(wǎng)通信為基礎(chǔ)的空間互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展[1]。

國(guó)內(nèi)近年來也在加緊提出自己的空間互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，航天科技集團(tuán)、航天科工集團(tuán)正在推進(jìn)我國(guó)自主研發(fā)的全球低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)作為空間基礎(chǔ)設(shè)施；商業(yè)航天也開始起步，銀河星座、九天微星等均針對(duì)小衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)以及衛(wèi)星關(guān)鍵載荷研制等展開研究。2020 年4 月，國(guó)家發(fā)改委首次明確新型基礎(chǔ)設(shè)施的范圍，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被納入通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的范疇，空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)一步提速[1]。

十四五時(shí)期聚焦建設(shè)“航空強(qiáng)國(guó)”[1]，空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建立將對(duì)航空運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)帶來極大的促進(jìn)作用，依靠衛(wèi)星平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，通過合理規(guī)劃衛(wèi)星軌道、構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球空域高、中、低空100%的全覆蓋，實(shí)現(xiàn)航空器全球連續(xù)跟蹤監(jiān)視，為大范圍航空用戶提供通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等信息服務(wù)，以形成安全、高效、智慧、協(xié)同的現(xiàn)代化空中交通管理體系[1]。本文針對(duì)空間互聯(lián)網(wǎng)在航空領(lǐng)域中航空通信、航空監(jiān)視這兩方面的應(yīng)用，對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用需求與運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行分析并對(duì)空間互聯(lián)網(wǎng)在航空領(lǐng)域的市場(chǎng)需求進(jìn)行探討。

2 空間互聯(lián)網(wǎng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

1）空間互聯(lián)網(wǎng)在航空通信方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。目前國(guó)際民航組織(ICAO,international civil aviation organization)下現(xiàn)有的航空衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)有：海事衛(wèi)星(inmarsat)和銥星系統(tǒng)(iridium)。

海事衛(wèi)星采用3 顆主用衛(wèi)星加1 顆備用靜止衛(wèi)星，具備為航空公司提供語音、數(shù)據(jù)、傳真等能力，可提供南北緯82 度以內(nèi)的通信服務(wù)，其接收頻率 為1525.0～1559.0MHz、發(fā)送頻率為1626.5～1660.5MHz[3]。銥星系統(tǒng)66 顆衛(wèi)星平均分布在6 個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面11 顆衛(wèi)星，包括南北極在內(nèi)實(shí)現(xiàn)覆蓋無盲區(qū)，采用時(shí)分雙工模式，使用頻段1616～1626.5MHz，能夠提供核心話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可應(yīng)用于座艙話音/數(shù)據(jù)、飛機(jī)通信尋址和報(bào)告系統(tǒng)等[1]。

在空間互聯(lián)網(wǎng)下，航空通信要滿足全球?qū)崟r(shí)通信覆蓋，并提供穩(wěn)定、高速的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)，不受自然災(zāi)害影響。其需要進(jìn)入飛機(jī)前艙，具備L 波段的通信能力，支持4D 航跡、管制指令、航行情報(bào)及氣象等典型航空服務(wù)報(bào)文信息；同時(shí)，考慮到后艙娛樂等通信需求，適當(dāng)考慮增加Ku、Ka 波段通信功能。

2）空間互聯(lián)網(wǎng)在航空監(jiān)視方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。目前世界主要航空大國(guó)都在積極推進(jìn)星基廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B,automatic dependent surveillancebroadcast)系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，瞄準(zhǔn)全球航空監(jiān)視體系構(gòu)建開展有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與測(cè)試驗(yàn)證，并且主要技術(shù)架構(gòu)、設(shè)備功能和應(yīng)用形態(tài)初見成形[4]。

歐洲航天局最早在2013 年發(fā)射了集成ADS-B 1090ES 接收機(jī)的Proba-V 衛(wèi)星，驗(yàn)證了利用低軌衛(wèi)星接收ADS-B 信號(hào)的可行性[2]。丹麥發(fā)射的GOMX-1 驗(yàn)證了基于立方體衛(wèi)星的星基ADS-B載荷可行性[2]。2019 年1 月銥星二代星座完成全部衛(wèi)星的空間組網(wǎng)并開展試運(yùn)行，構(gòu)建起星基ADS-B 初步系統(tǒng)，這也是目前全球唯一的系統(tǒng)架構(gòu)與指標(biāo)都具備支撐空中交通管制，具有可持續(xù)服務(wù)能力的星基ADS-B 系統(tǒng)[2?4]。國(guó)內(nèi)國(guó)防科技大學(xué)的“天拓三號(hào)”和上海科技大學(xué)的“STU-2”號(hào)立方體衛(wèi)星搭載ADS-B 接收機(jī)驗(yàn)證了接收ADS-B 信號(hào)的可行性[1]。北京航空航天大學(xué)在2020 年11 月發(fā)射“北航空事衛(wèi)星一號(hào)”，針對(duì)國(guó)內(nèi)首個(gè)面向全球空管需求的星基ADS-B 載荷開展在軌技術(shù)驗(yàn)證[1]。

總體來說，在空間互聯(lián)網(wǎng)下航空監(jiān)視要求星基ADS-B 系統(tǒng)能夠：提供全球空域、持續(xù)無縫監(jiān)視，滿足管制應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性、完整性和系統(tǒng)可用性的要求，為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析及基于該分析的軍民航應(yīng)用提供完整場(chǎng)景；更好地支持航線規(guī)劃與航路優(yōu)化，縮小航路間距；提高監(jiān)視系統(tǒng)的精度和可靠性，提升安全性與飛行效率。

由于空間互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，且能夠提供高速寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)；因此，也可以在航空領(lǐng)域其他方面有所應(yīng)用，包括導(dǎo)航增強(qiáng)、航空公司運(yùn)行管理、通用航空運(yùn)行、無人機(jī)管控等。本文主要就空間互聯(lián)網(wǎng)在航空領(lǐng)域最重要的航空通信和航空監(jiān)視兩個(gè)應(yīng)用需求展開分析。

3 空間互聯(lián)網(wǎng)在航空領(lǐng)域需求的進(jìn)一步分析

3.1 航空通信

3.1.1 管制通信

2018 年中國(guó)民航運(yùn)輸業(yè)全年運(yùn)輸旅客6.1 億人次，同比增長(zhǎng)10.9%，中國(guó)航空運(yùn)輸市場(chǎng)需求旺盛[5]。未來20 年，年報(bào)預(yù)計(jì)中國(guó)航空市場(chǎng)將接收50 座以上客機(jī)9205 架[5]。到2038 年，中國(guó)的旅客周轉(zhuǎn)量將達(dá)到4.08 萬億km，占全球的21%，中國(guó)機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)到10344 架[5]。按照同時(shí)執(zhí)飛航班數(shù)為總飛機(jī)數(shù)的60%計(jì)算，同時(shí)運(yùn)行飛機(jī)約6000架。依據(jù)ICAO 目前Inmarsat 與Iridium 系統(tǒng)航空通信運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，若要保持現(xiàn)有管制通信能力，航空管制通信帶寬需求至少為1.2Gbps[1]。

當(dāng)考慮未來空管運(yùn)行方式的改變，如四維航跡運(yùn)行，以及實(shí)時(shí)飛行事故記錄器等應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，其大數(shù)據(jù)量對(duì)帶寬的要求將進(jìn)一步提高。

3.1.2 后艙通信

在滿足管制通信的基礎(chǔ)上考慮加入航空后艙通信服務(wù)的需求，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)瀏覽體驗(yàn)，當(dāng)速度低于150 kbps 時(shí)很難加載出瀏覽頁面，網(wǎng)速在200～600 kbps 時(shí)網(wǎng)頁瀏覽體驗(yàn)會(huì)受到影響。如果后艙通信能夠超過600kbps，將會(huì)為用戶提供無縫網(wǎng)頁體驗(yàn)。而針對(duì)在整個(gè)飛行過程中需要恒定的吞吐量的視頻流，考慮到視頻內(nèi)容質(zhì)量和屏幕尺寸等一系列指標(biāo)，飛機(jī)上大多數(shù)可用的視頻內(nèi)容需要具備800kbps 起的吞吐量才能使乘客獲得舒適的視頻體驗(yàn)[6]。

根據(jù)機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的全球領(lǐng)先提供商GOGO 公司發(fā)布的全球旅客研究報(bào)告，有33%的旅客使用機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)[7]。在民航局《全球航空業(yè)發(fā)展中值得關(guān)注的若干問題》中，2017 年全球航空運(yùn)輸飛機(jī)日利用率達(dá)8.7h，平均座位數(shù)173 個(gè)，客座率達(dá)81%，與20 年前相比，分別增加了1h、11 個(gè)座位和12 個(gè)百分比[8]。結(jié)合中國(guó)商飛《2019—2038民用飛機(jī)中國(guó)市場(chǎng)預(yù)測(cè)年報(bào)》，2038 年同時(shí)運(yùn)行飛機(jī)約6000 架[5]，假定每架飛機(jī)平均座位數(shù)200，客座率90%，綜合計(jì)算后，航空后艙娛樂帶寬需求將達(dá)到180Gbps。

3.2 航空監(jiān)視

銥星二代系統(tǒng)是目前唯一系統(tǒng)架構(gòu)與指標(biāo)都具備支撐管制、可持續(xù)服務(wù)能力的星基ADS-B 系統(tǒng)，已經(jīng)能夠支持部分空管運(yùn)行。因此基于未來航空運(yùn)輸業(yè)的運(yùn)行要求，參考銥星ADS-B 系統(tǒng)的星座部署、載荷指標(biāo)、運(yùn)行情況等可以給出空間互聯(lián)網(wǎng)在航空監(jiān)視領(lǐng)域需要滿足的總體需求，詳見表1[10]。

表1 參考“銥星”系統(tǒng)的空間互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)視性能指標(biāo)

3.2.1 監(jiān)視范圍

3.2.2 容量

目前，全世界共有運(yùn)輸航空飛機(jī)25000 架左右，按照每年增長(zhǎng)率5%計(jì)算，到2035 年全球運(yùn)輸航空飛機(jī)約為5 萬架，按照60%的運(yùn)行率計(jì)算，2035 年全球同時(shí)運(yùn)行的飛機(jī)約3 萬架，為確保滿足2035 年全球監(jiān)視需要，空間互聯(lián)網(wǎng)需支持全球范圍同時(shí)3 萬架飛機(jī)運(yùn)行[8]。

此外，目前全球飛行密度最高區(qū)域?yàn)槊绹?guó)，空域內(nèi)同時(shí)運(yùn)行飛機(jī)最大可達(dá)4000 架，在當(dāng)前的空域管理方式下4000 架飛機(jī)基本達(dá)到平衡狀態(tài)，空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下單顆衛(wèi)星覆蓋面積略大于美國(guó)國(guó)土面積，因此空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)單個(gè)載荷需支持典型高密度區(qū)域4000 架飛機(jī)同時(shí)運(yùn)行[8]。

3.2.3 星地帶寬

按照3 萬架飛機(jī)同時(shí)運(yùn)行，每個(gè)飛機(jī)最大的廣播速率約為6.2 條/s 估計(jì)，飛機(jī)采用上下天線交替廣播的方式工作，衛(wèi)星只接收上天線廣播，約為3.1 條/s，因此系統(tǒng)容量要達(dá)到93000 條/s。按每條報(bào)文112bit 計(jì)算，同時(shí)下傳到地面的所需帶寬為26Mbps，按照10s 的刷新率計(jì)算為2.6Mbps，因此星地帶寬為2.6Mps（10s 刷新）[9]。

3.2.4 支持功率

表2[10]所示為標(biāo)準(zhǔn)DO-206B 規(guī)定的航空器發(fā)射機(jī)最低功率[9]，航空運(yùn)輸器加裝的ADS-B 設(shè)備功率在125～500W 之間，商用航空實(shí)際功率均在250 W 以上；通用航空采用125W 功率?？臻g互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為保證對(duì)全球民用航空的覆蓋能力，載荷需要支持發(fā)射功率125W 及以上的航空器的監(jiān)視。

表2 DO-260B 規(guī)定的最低功率

3.2.5 接收靈敏度

患者在藥師協(xié)作下制定家庭健康計(jì)劃，如戒煙計(jì)劃、肺康復(fù)計(jì)劃（有效排痰、呼吸肌鍛煉、肌肉鍛煉、營(yíng)養(yǎng)支持、家庭氧療等）、飲食生活計(jì)劃（避免室內(nèi)外空氣污染等誘因、飲食指導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)注意事項(xiàng)等）以及教育患者關(guān)注的急性期癥狀（痰色變化、呼吸困難加重等）及處理措施（及時(shí)就診等），將具體步驟列在表中，囑咐患者在日常生活中記錄以上實(shí)際行為，以便藥師在下次隨訪時(shí)對(duì)比計(jì)劃與實(shí)際行為，對(duì)患者提出建議與激勵(lì)，從而提高患者依從性。

針對(duì)星基ADS-B 接收機(jī)，衛(wèi)星與飛行器之間距離很遠(yuǎn)，導(dǎo)致飛行器發(fā)出的ADS-B 報(bào)文到達(dá)衛(wèi)星時(shí)信號(hào)微弱，ADS-B 接收機(jī)天線大小也有所限制，嚴(yán)重降低信號(hào)信噪比；同時(shí)繁忙空域內(nèi)可能存在上千架飛機(jī)同時(shí)發(fā)射信號(hào)，存在大量交織信號(hào)，需要星基ADS-B 接收機(jī)的靈敏度、解碼率等性能滿足運(yùn)行需求[10]。

現(xiàn)假設(shè)飛機(jī)與衛(wèi)星最近距離為RMin=1000 km，載波頻率為Fc=1090MHz，信道損失計(jì)算公式為

式中：R單位為km，F(xiàn)c單位為MHz?？梢杂?jì)算得到最低信道損失為153dB；最大距離為RMax=3707 km。按上述公式計(jì)算得到的最高信道損失為164dB。

4 空間互聯(lián)網(wǎng)在航空領(lǐng)域的市場(chǎng)需求分析

4.1 民航方面

空間互聯(lián)網(wǎng)將為航空公司提供運(yùn)行控制服務(wù)，包含通信、導(dǎo)航、監(jiān)視以及為旅客、AOC、ATC 提供服務(wù)包括以下幾點(diǎn)：1）建造衛(wèi)星寬帶和地空寬帶，構(gòu)造空天一體化實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)；2）配備導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，提高完好性；3）將ADS-B 模塊嵌入衛(wèi)星，建設(shè)星基ADS-B 系統(tǒng)，提供全球覆蓋的監(jiān)視功能；4）還可以為AOC、ATC、旅客提供相關(guān)的增值服務(wù)，如機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)等。

航空公司可實(shí)現(xiàn)每架飛機(jī)與運(yùn)行簽派、機(jī)務(wù)維修、旅客服務(wù)、應(yīng)急救援以及航空公司認(rèn)為必要的其他部門之間實(shí)時(shí)的通信聯(lián)系，建立空地協(xié)同的航空多業(yè)務(wù)支持平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“天臨空地一體化”多種通信服務(wù)。

4.2 通航與無人機(jī)方面

空間互聯(lián)網(wǎng)可與鄰近空間飛行器綜合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地空空域的有效監(jiān)測(cè)，為通航提供融合服務(wù)，包含：1）飛行訓(xùn)練和自由飛行；2）地面監(jiān)控指揮；3）區(qū)域無線電定位和監(jiān)控；4）飛行器位置實(shí)時(shí)廣播；5）空中交通管制對(duì)點(diǎn)語音、群組語音指揮；6）飛行情報(bào)服務(wù)和飛行氣象服務(wù)等。

目前無人機(jī)大多采用地面指揮控制，對(duì)于飛行距離、定位、監(jiān)視等方面的控制是有限度的。通過全球覆蓋的空間互聯(lián)網(wǎng)可以為無人機(jī)提供實(shí)時(shí)精確的的數(shù)據(jù)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視功能，擴(kuò)大無人機(jī)工作范圍和工作精度、優(yōu)化無人機(jī)的工作路徑。

我國(guó)民航行業(yè)近年來發(fā)展穩(wěn)中有進(jìn)，主要運(yùn)輸指標(biāo)持續(xù)平穩(wěn)增長(zhǎng)。隨著加強(qiáng)通航機(jī)場(chǎng)建設(shè)、擴(kuò)大低空空域開放等措施相繼提出，通航與無人機(jī)產(chǎn)業(yè)在未來一段時(shí)期內(nèi)也將持續(xù)保持良好的發(fā)展勢(shì)頭?？臻g互聯(lián)網(wǎng)未來市場(chǎng)占有率巨大。

5 總結(jié)與展望

隨著全球航空器數(shù)量的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)航空安全、航空管理、空中高速通信等需求的不斷增加，現(xiàn)有以陸基為主的空管系統(tǒng)弊端凸顯?？臻g互聯(lián)網(wǎng)作為由航空通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和自動(dòng)化等技術(shù)綜合集成構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠?yàn)楹娇诊w行和航空管理提供集成性的參數(shù)信息與數(shù)據(jù)傳輸，將成為未來應(yīng)用的主流系統(tǒng)。

未來空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一方面將向復(fù)合化載荷發(fā)展，以航空領(lǐng)域應(yīng)用為例，載荷上將承載空管業(yè)務(wù)相關(guān)的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視功能，但各應(yīng)用由于用途不同，其傳輸數(shù)據(jù)的需求量存在較大差距，難以用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)衡量，因此需開展對(duì)應(yīng)的復(fù)合化載荷技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)不同功能在載荷上的應(yīng)用。另一方面，衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步融合已成為業(yè)界廣泛認(rèn)同的發(fā)展方向，因此利用多種軌道及不同功能的星座構(gòu)建星座與地面網(wǎng)融合的綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，形成天地互補(bǔ)、不同星座互補(bǔ)，以實(shí)現(xiàn)一體化綜合性服務(wù)。