寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用

文 | 趙文強(qiáng) 中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心

一、引言

智慧客艙是集通信、人工智能、大數(shù)據(jù)和人機(jī)工程學(xué)的復(fù)雜工程，客艙智能化是未來(lái)民用飛機(jī)客艙設(shè)計(jì)的核心。“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，航空公司基于互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式正在發(fā)生改變，智慧客艙將是最好的降低成本和擴(kuò)展增值的服務(wù)，將給航空公司帶來(lái)全新的商業(yè)模式。未來(lái)飛行不僅要具備乘客、乘組、智能終端設(shè)備與飛機(jī)客艙四者之間的信息交互能力，還要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)和地面通信網(wǎng)絡(luò)之間的高速互聯(lián)。因此，針對(duì)寬帶通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用研究具有重要的意義。

二、客艙寬帶通信技術(shù)概述

目前，客艙寬帶通信實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種，如圖1所示：一種是基于4G/5G技術(shù)的ATG通信技術(shù)，該技術(shù)是在陸地航線上部署地面基站，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面基站之間的高速互聯(lián)；另一種是衛(wèi)星寬帶接入技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)跨洋跨洲的寬帶服務(wù)功能，信號(hào)范圍可以覆蓋到非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)。從覆蓋范圍和穩(wěn)定性來(lái)看，衛(wèi)星通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，衛(wèi)星通信可以滿足全天候全天時(shí)且不受地域限制的通信需求。

圖1 航空寬帶通信的兩種實(shí)現(xiàn)方式

航空互聯(lián)網(wǎng)作為衛(wèi)星通信的重要應(yīng)用場(chǎng)景，有著廣闊的發(fā)展前景。國(guó)外尤其是歐美區(qū)域航空互聯(lián)市場(chǎng)是客艙衛(wèi)星通信發(fā)展最早也是最為成熟的市場(chǎng)，美聯(lián)航、德國(guó)漢莎航空公司、美國(guó)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(wèi)星的機(jī)載寬帶通信服務(wù)，Gogo公司在2016 年開(kāi)始提供Ka頻段服務(wù)。相比國(guó)外，中國(guó)航空公司加裝寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備的速度存在一定的差距，但是勢(shì)頭也非常迅猛。東方航空公司和南方航空公司已經(jīng)在部分寬體客機(jī)上加裝了機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，青島航空公司在2020年7月完成了基于中星16號(hào)的首次驗(yàn)證飛行[1]。從目前來(lái)看，各大航空公司已經(jīng)充分意識(shí)到加裝寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要性，并且隨著未來(lái)高通量衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星和空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，基于寬帶衛(wèi)星的空地信息傳輸能提供充足的帶寬資源，是未來(lái)全球航空應(yīng)用發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

三、衛(wèi)星通信技術(shù)賦能客艙智能化發(fā)展

民機(jī)客艙存在大量的空地寬帶傳輸需求，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備滿足客艙寬帶通信需求的獨(dú)特潛力，除本身不受各種自然災(zāi)害的影響，可進(jìn)行全天候、全天時(shí)通信的特點(diǎn)之外，還具有地域廣、速率高、服務(wù)類型豐富的特點(diǎn)，具體特點(diǎn)如下：

1）覆蓋地域廣：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍能達(dá)到全球覆蓋，涵蓋了陸基通信系統(tǒng)如VHF、HF和ATG等無(wú)法覆蓋的區(qū)域。

2）通信速率高：寬帶衛(wèi)星通信的速度可達(dá)每秒數(shù)十兆甚至百兆，能為航空運(yùn)管提供話音和大流量數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，可以滿足智慧客艙的數(shù)據(jù)傳輸需求。

3）服務(wù)類型豐富：高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持IPv4和IPv6協(xié)議，具備接入互聯(lián)網(wǎng)和ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)能力，從而實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的航空數(shù)據(jù)鏈和互聯(lián)網(wǎng)的融合，在滿足乘客上網(wǎng)需求的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)航司運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和飛機(jī)健康數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

除此之外，寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)還可以與人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合，為客艙提供豐富的航空信息化服務(wù)，真正讓乘客體驗(yàn)到機(jī)上地面無(wú)差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。借助這些先進(jìn)技術(shù)，客艙將更加智能、更加舒適和更加安全，主要體現(xiàn)在：

1）傳統(tǒng)的環(huán)控系統(tǒng)將向綜合感知與控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，通過(guò)溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警器、可燃?xì)鈭?bào)警器等智能傳感器，為智慧客艙提供實(shí)時(shí)環(huán)境檢測(cè)，乘組和航空公司可更加方便了解客艙環(huán)境，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)客艙環(huán)境智能控制，帶給乘客一個(gè)更加舒適的飛行環(huán)境。

2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在客艙中得以應(yīng)用：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)客艙中智能設(shè)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(shè)備（如手環(huán)、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(shí)也可通過(guò)人臉識(shí)別和智能AR眼鏡的實(shí)時(shí)拍攝功能，完成乘客登機(jī)計(jì)數(shù)、信息核對(duì)、VIP服務(wù)、行為監(jiān)測(cè)等功能。

3）客艙娛樂(lè)將更加豐富：智慧客艙為乘客帶來(lái)更加流暢的上網(wǎng)體驗(yàn)，滿足乘客的互聯(lián)網(wǎng)接入需求，還可根據(jù)乘客喜好推送相應(yīng)的服務(wù)，使乘客在出行過(guò)程中具備和地面一樣的上網(wǎng)體驗(yàn)。

四、智慧客艙寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)及組成

智慧客艙寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)利用衛(wèi)星作為通信中繼，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)-衛(wèi)星-地面用戶之間的網(wǎng)絡(luò)通信。機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由智慧客艙無(wú)線接入子系統(tǒng)、衛(wèi)星傳輸子系統(tǒng)、地面網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)三部分組成，如圖2所示，用于完成機(jī)上個(gè)人移動(dòng)終端和客艙智能終端與地面通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、多媒體等通信業(yè)務(wù)。各子系統(tǒng)組成和功能如下：

圖2 機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本組成框圖

1）智慧客艙無(wú)線接入子系統(tǒng)：包括多制式微型基站、交換控制設(shè)備、乘客移動(dòng)終端、客艙智能終端等設(shè)備，主要完成手機(jī)、平板等乘客移動(dòng)終端的類型識(shí)別與空口對(duì)接、移動(dòng)終端的接入識(shí)別和鑒權(quán)認(rèn)證、機(jī)上移動(dòng)終端的業(yè)務(wù)請(qǐng)求和實(shí)現(xiàn)、終端用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)費(fèi)管理，完成與衛(wèi)星傳輸鏈路、地面網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)接和信息交互。

· 乘客移動(dòng)終端：指乘客隨身攜帶的支持地面移動(dòng)通信的手機(jī)、平板電腦、便攜電腦等通信設(shè)備，支持機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)的接入；

· 客艙智能終端：包括客艙視頻監(jiān)控設(shè)備、客艙娛樂(lè)設(shè)備、座椅壓力傳感器以及各種溫度、濕度、壓力和風(fēng)量等智能監(jiān)控傳感器，可以完成對(duì)乘客的身份認(rèn)證、登機(jī)指引、機(jī)上娛樂(lè)以及客艙安全監(jiān)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(wú)線信號(hào)接入的小型基站，用以完成在飛機(jī)上對(duì)乘客移動(dòng)終端的無(wú)線信號(hào)識(shí)別、空口對(duì)接和信息交互，提供話音、短信、多媒體等通信服務(wù)；

· 交換控制設(shè)備：包括處理器、存儲(chǔ)器、服務(wù)器等設(shè)備，用以完成手機(jī)等乘客移動(dòng)終端和客艙智能終端接入寬帶衛(wèi)星通信所需的設(shè)備識(shí)別、鑒權(quán)認(rèn)證、IP地址動(dòng)態(tài)分配、路由、流量和帶寬控制、計(jì)費(fèi)管理以及機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備與機(jī)載基站之間的信號(hào)轉(zhuǎn)接與控制等功能。

2）衛(wèi)星傳輸子系統(tǒng)：包括機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備、通信衛(wèi)星、地面信關(guān)站，為飛機(jī)提供接入地面通信網(wǎng)絡(luò)的空中無(wú)線鏈路支持，實(shí)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)/國(guó)際航線上的全天候全天時(shí)的無(wú)線信號(hào)接入。

3）地面網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)：包括地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、信息處理與配置單元、計(jì)費(fèi)管理設(shè)備和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，在航空旅客寬帶衛(wèi)星通信中提供移動(dòng)終端與地面通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入、信息處理配置服務(wù)、位置登記、用戶數(shù)據(jù)管理和計(jì)費(fèi)管理等功能。

五、智慧客艙寬帶通信應(yīng)用場(chǎng)景

智慧客艙相比于傳統(tǒng)的客艙服務(wù)會(huì)引入更多的電子化服務(wù)，為乘組提供高效、易用、好用的設(shè)備，為乘客提供愉悅、驚喜、沉浸式的飛行體驗(yàn)[2]。未來(lái)全球互聯(lián)網(wǎng)覆蓋將由地面發(fā)展至空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。屆時(shí)，民航出行將與互聯(lián)網(wǎng)深度融合。在這種背景下，智慧客艙的應(yīng)用將成為現(xiàn)實(shí)。未來(lái)智慧客艙通過(guò)集成化的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，在乘客和飛機(jī)之間建立一個(gè)智能化的互動(dòng)界面，可以實(shí)時(shí)感知乘客需求并對(duì)乘客的需求做出響應(yīng)，給乘客帶來(lái)不同層次的定制化飛行體驗(yàn)，乘客可以在飛機(jī)上線上辦公，也可以享受網(wǎng)上沖浪的樂(lè)趣?？傊瑢拵l(wèi)星通信系統(tǒng)不僅可以為乘客提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，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(yīng)用場(chǎng)景如下。

1）提供旅客服務(wù)推送應(yīng)用：通過(guò)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空地鏈路，配合地面的云計(jì)算服務(wù)器，對(duì)乘客的個(gè)人信息、生活習(xí)慣、出行信息、行為模式等進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)人工智能和大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)后，為旅客提供智能推送服務(wù)，方便乘務(wù)員為乘客提供潛在需求推送服務(wù)，提升乘客的飛行體驗(yàn)和對(duì)航空公司的滿意度。

2）提供客艙物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)：通過(guò)在客艙內(nèi)部署智能無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備，可以和乘客的穿戴設(shè)備（包括手環(huán)、智能手表、智能旅行箱等）進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客健康的監(jiān)控、出行信息的獲取，再利用寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)將客艙物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，提供乘客全出行周期的數(shù)據(jù)服務(wù)，真正的實(shí)現(xiàn)智慧出行。

3）提高飛機(jī)的維修預(yù)見(jiàn)性：基于寬帶衛(wèi)星的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取飛機(jī)的健康數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)、設(shè)備的維修預(yù)見(jiàn)性，從而減輕航線維護(hù)工作，縮短維修準(zhǔn)備時(shí)間。

4）乘客緊急醫(yī)療：利用高通量衛(wèi)星通信技術(shù)助力乘客緊急醫(yī)療，能夠支持遠(yuǎn)程高清會(huì)診和醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的高速傳輸與共享，并讓地面專家能隨時(shí)隨地開(kāi)展會(huì)診和提供診療意見(jiàn)和救護(hù)指導(dǎo)，對(duì)于進(jìn)一步提高保障機(jī)上乘客生命安全能力具有重要意義。

5）客艙安全監(jiān)控：智慧客艙系統(tǒng)將人、設(shè)備以及客艙環(huán)境融合成統(tǒng)一的整體，從中提取有用信息，針對(duì)乘客的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)和建模，利用人工智能、人臉識(shí)別等多種專業(yè)技術(shù)，對(duì)乘客人臉識(shí)別監(jiān)控，對(duì)旅客身份、行為等特征進(jìn)行預(yù)測(cè)和推理，發(fā)現(xiàn)乘客中的危險(xiǎn)行為，遇到劫機(jī)危險(xiǎn)和緊急情況，乘務(wù)和機(jī)組人員通過(guò)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)第一時(shí)間和地面聯(lián)系，提高應(yīng)急響應(yīng)速度，提升客艙安全性，保障乘客生命安全和飛機(jī)飛行安全。

6）客艙環(huán)控信息實(shí)時(shí)監(jiān)控：環(huán)控系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)必不可少的保障系統(tǒng)，其作用是保證飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)的空氣溫度、壓力、流量、濕度、氣流速度和清潔度等參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，確保機(jī)上人員的安全舒適以及機(jī)載電子設(shè)備正常工作。利用寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)將前端傳感器數(shù)據(jù)下傳到航司的地面服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧客艙環(huán)境、消防安全情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障飛行安全。

六、面臨的問(wèn)題

1.網(wǎng)絡(luò)安保問(wèn)題

寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用雖然滿足了飛機(jī)在飛行過(guò)程中和地面間進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的信息交互需求，但是智慧客艙網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)建立于多種網(wǎng)絡(luò)之上的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，用戶數(shù)據(jù)可能穿越各種接入網(wǎng)絡(luò)及不同廠商提供的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體，可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的安全信息和用戶隱私數(shù)據(jù)散布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)角落。因此，寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中的應(yīng)用必須全面考慮數(shù)據(jù)在各種接入技術(shù)以及不同運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中穿越時(shí)所面臨的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，需要制定周全的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)安保策略和乘客隱私防護(hù)策略，保障飛機(jī)的飛行安全和乘客信息安全。

2.商業(yè)運(yùn)營(yíng)問(wèn)題

寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的高速、穩(wěn)定和安全是其在智慧客艙成功應(yīng)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(wèi)星通信技術(shù)快速發(fā)展和成功商業(yè)運(yùn)營(yíng)的原始動(dòng)力。因此，客艙寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化服務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵是解決流量費(fèi)用高的問(wèn)題，這需要衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、航空公司、機(jī)載設(shè)備供應(yīng)商以及內(nèi)容運(yùn)營(yíng)商等多方協(xié)同努力，創(chuàng)新商業(yè)模式，擴(kuò)展利潤(rùn)空間，才能促進(jìn)機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在智慧客艙中成功應(yīng)用，保證客艙寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

七、總結(jié)

隨著高通量衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星通信的快速部署，寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)將在民航中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備的高帶寬和廣覆蓋特點(diǎn)，可以為未來(lái)智慧客艙帶來(lái)廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，將徹底打破機(jī)上信息孤島局面，實(shí)現(xiàn)智慧客艙豐富的信息化服務(wù)，增強(qiáng)飛機(jī)的飛行安全，帶給乘客舒適的飛行體驗(yàn)，同時(shí)寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)也面臨著網(wǎng)絡(luò)安保和運(yùn)營(yíng)問(wèn)題亟待解決。