让卫星通信填补民航交管的盲区

□ 迟惑

马航370事件发生以后，人们对于民航客机卫星通信有了新的认识。在以往，民航客机只需要和空中交通管制部门保持联系就可以了。但在多数国家，空中交通管制部门和航空公司是两个不同的概念。在很多国家、在很多情况下，空中交通管制是由空军负责的。也就是说，航空公司如果想知道自己的某一架飞机在什么地方？处于什么状态？往往要向空中交通管制部门去查询。

在体制机制比较完善的国家，空中交通管制部门对领空内的所有航空器保持着严密的监视，一般不会发生失联。但是在一些经济社会并不发达的国家，连空军的雷达网都存在着漏洞，空中交通管制并不是很严密的。就造成了这样一种可能性，民航客机在相当长的一段航线上都是在靠自己的导航仪器飞行，地面并不知道他在哪里，也无法和他联系上。例如马航事件中，飞机失踪以后没有人知道它在哪里，无论是航空公司还是地面管制部门，连基本的方向都无法给出一个确切的消息。最终竟然要靠通信卫星的多普勒效应来模糊地推测飞机最后的位置。

实际上，中国的有关民航管理部门在两年以前就要求民航飞机除了要能与空中交通管制部门通信，必须具有另外一套系统，保持和本航空公司航班调度部门（也就是签派室）的直接联系。这两套通信系统必须是相互独立，任何一套系统的故障与否都不能影响另外一套系统的工作，任何一架飞机如果具备了这样的系统，就不会失联。

多普勒效应现象：远方急驶过来频率变高，而离我们而去频率变低

从机载海事卫星（国际移动卫星）设备上获取的7个时间点的握手信息及其多普勒频移数据，成为锁定MH370航班最终“失联”时间、判断客机“终结”于南印度洋的重要线索

当然，民航客机与航空公司签派室保持通信联系，并不是仅仅为了避免失联，也是为了能有效管理提高航空飞行的安全性，改善航空运输的效率。民航的有关领导指出，由于中国民航运输业迅速发展，航空公司的航班正点率，面临着极大的挑战，仅仅依靠空中交通管制部门是无法充分满足旅客需求的，航空公司的积极介入和技术支持，能有效地改善局面。但是，航空公司能不能介入、能不能支持，取决于签派室能否和飞机保持通信联系，特别是实时的话音联系。

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新闻背景

为有效促进民航卫星应用的发展，6月5日，由中国通信学会卫星通信委员会主办的2014民航卫星应用研讨会在京召开。来自国家相关部委、各航空公司、相关科研院所及卫星通信运营商、机载设备供应商等企业的160余位代表参加了此次研讨会。

围绕“卫星应用助推民航飞行安全与信息互通”这个主题，与会各方就民航在飞行安全和信息互通中卫星应用的市场需求、技术体制、运营模式、监管政策及产业发展方向等内容进行了探讨和交流。

民航局飞标司副司长杨洪海在会上介绍了民航应用卫星通信的实施政策。他说，目前，国内许多航空公司在国际航线、高原机场运行的和部分新引进的飞机上安装了卫星通信系统，为推进卫星语音通信在运行控制中的使用奠定了基础。随着我国航空运输量和机队数量的快速增长，安全压力越来越大，为有效解决飞机与航空公司运行控制中心之间语音通信联系和实时监控问题，民航局早在2012年12月就出台了《航空公司运行控制卫星通信实施政策》，并于2013年初印发至各航空公司，提出在2017年底前实现所有运输类飞机使用卫星通信系统与运行控制中心在4分钟内建立语言通信联系的目标。希望各航空公司努力推动卫星通信工作的发展，提升对飞行运行的风险控制能力，政府部门也将秉持公开、公平、透明的原则，积极引导并推进航空公司卫星通信的实施。

据介绍，航空公司的飞机与地面之间的语音通信主要通过高频、甚高频和卫星来实现，目前，我国航空公司主要采用的是高频和甚高频，卫星通信与之相比，具有通信质量高、保密性强、干扰小、容量大、覆盖范围广以及运行稳定等优点。卫星通信技术在国际上已日臻成熟，并被发达国家航空公司普遍应用于运行控制。当前绝大多数在役机型以及新机型均具备安装卫星通信的基本条件。国内外卫星通信服务商能够根据不同机型提供经适航认证的、多样化的机载卫星通信产品，并按照用户要求制定适用的解决方案。

大会会场

中国民航规章《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》CCAR-121-R4第97条规定：“合格证持有人应当证明，在正常运行条件下，在整个航路上，所有各点都具有陆空双向无线电通信系统，能保证每一架飞机与相应的签派室之间，每一架飞机与相应的空中交通管制单位之间，以直接的或者通过经批准的点到点间的线路进行迅速可靠的通信联系。”

并规定“除经局方根据所用机型和运行情况做出的特殊批准外，对于合格证持有人的所有运行，每架飞机与签派室之间的通信系统应当是空中交通管制通信系统之外的独立系统。”这里的合格证持有人指的是航空公司。

那么所谓迅速可靠的通信联系，它的概念是什么呢？民航管理部门在另一份规章《航空承运人运行中心（AOC）政策与标准》中给出了明确的数字，不超过4分钟。

那么飞机应该用什么手段来实现这4分钟的要求?如果一架飞机，仅仅是运行在北京到上海，或北京到广州的航线，这似乎不是什么问题。中国的东部比较平坦，城市密集，有足够的条件来构建密集的地空通信网。但是，如果离开这个区域，飞机飞行在青藏高原、戈壁滩或者雪山之上，是很难构建地空通信网的。又如果飞机向东跨越太平洋前往美国，在茫茫大海之上，到哪里去设立通信基站呢?对于长途飞行的客机，尤其是对于需要越洋飞行的洲际客机来说，采用卫星通信是满足民航管理部门有关规章要求的唯一手段。

美国国防卫星通信系统

美国“军事星”系统

B-2飞机

美国海军“移动用户目标系统”(MUOS)将建立一个安全的全球性3G通信网络

航空卫通的先行者——军用飞机

人类最早规模化使用航空卫星通信的，不是民航，而是美国的战略轰炸机部队和美国总统的空军一号专机。

当年，美国一直准备着和苏联打一场大规模的、全球化的核战争，如果真的发生了这样的战争，军事通信系统肯定是苏联的重点打击对象，无论是无线通信基站，还是有线电话的交换机，都会在第一轮核打击中被摧毁殆尽，而且会引发强烈的电磁脉冲，会使地面上的无线电通信受到强烈的干扰，在这种时刻，只有卫星通信，才是靠得住的。

在人类所使用的无线电通信频率中，有一部分频段是专门划分给军事卫星通信的，例如美军使用的UHF、EHF频段等。因为事关最高指挥当局和核力量，美军的航空卫星通信一直都很神秘。我们所能查到的案例并不多。

第一个是在90年代，美国为“军事星”和“全球广播系统”研制了一种多个天线组成的阵列式机载终端，具有自动指向卫星的能力。终端在美国空军的C-135（也就是波音707）试验平台上做了飞行试验。卫星通信的上行频率是20GHZ，下行频率是40GHZ。试验取得了不错的效果。项目组建议把成果应用在各种战斗机、特种作战飞机、无人机和B-2轰炸机上。“军事星”退役后，美国发射了“先进极高频”（AEHF）通信卫星。2009年，媒体报道说，诺斯洛普·格鲁曼公司已经在为B-2加装AEHF的通信终端了。B-2在服役之初，装备的是UHF频段的卫星通信终端，而AEHF系统具有更大的带宽、更好的保密性能。需要注意的是，B-2作为隐身轰炸机，在无线电通信问题上进行了精心设计。要知道，隐身飞机并不是在每个方向上都不能被雷达看到。它主要是躲避前下方的雷达。因此，隐身飞机一般不在机身下方安装无线电发射天线，以防所发射的电波被敌方探测到。从美国空军提供的图片可以看到，B-2的几乎所有天线都装在机背上，包括与“军事星”通信的超高频（SHF）天线、与“军事星”或AEHF通信的EHF天线、与“国防通信卫星系统”、“移动用户目标系统”等通信的UHF天线，还有GPS天线。

UHF频段的使用相对普及一些。著名的美国航空电子厂商罗克韦尔·柯林斯研制的AN/ARC-210型UHF航空型终端是最主要的机载型号，据说美军已经采购了3万多台。美国海军发起的“移动用户目标系统”新型UHF移动通信星座上天后，AN/ARC-210已经实现了和这种卫星的通信。美国正在采购的新一代F-35战斗机将普遍装备“移动用户目标系统”终端。

航空卫星通信为美国军队航空力量的日常运行、演习和作战提供了有力支持，证明了航空卫星通信的意义。那么，民航客机是不是也可以使用卫星通信呢？

铱星和国际移动卫星的对比

铱星系统

国际移动卫星系统（原海事卫星系统）

民航能用什么卫星？

理论上说，任何通信卫星都能和客机通信，但是不同无线电频段需要配用不同尺寸的天线。例如传统C频段的天线就相当大，直径数米就算比较小的了，因此很难装到飞机上。而更高频段的Ku和Ka频段，天线尺寸比较小，但对飞机来说也不是能轻易装上的，毕竟飞机上的空间非常有限。而且，Ku和Ka频段的天线都需要精确地对准卫星才能工作，相应地要有一套复杂的机构来控制天线，包括测量位置和方向的GPS接收机和陀螺仪，来驱动天线的电机和传动机构等，还有相应的电子设备。这种天线叫做动中通，它的关键技术是近些年才取得突破的。而且最小型的“动中通”直径也有几十厘米的直径，这还没有算上用来处理信号的终端。

具体到前舱也就是驾驶舱，驾驶舱里被大量的仪表所占据，这些仪表用来显示飞机各个分系统的各种参数，还有无数的开关手柄，操纵杆，如果卫星通信终端的体积太大，多数航空公司都不会同意安装，因此，因此必须为前舱寻找一种天线更小的频段，而且只需要把天线大概对准卫星就可以工作，省去控制机构。这样的频段就是如今人们常常用于移动通信的L频段。当今使用L频段的移动通信卫星中最出名的是国际移动通信卫星，也就是曾经的国际海事卫星。

海事卫星的历史悠久、性能稳定，背后得到了几乎全世界政府的支持，为海事卫星开发的终端种类不计其数，其中当然也包括很多种航空型。这些终端的天线可以做成流线型，装在飞机背上只有一个不大的突起。个别天线为了弥补外形改变对飞行平稳性的影响，还特意做出垂尾样子的气动稳定面。国际移动卫星支持话音、数据等业务，对于一般的航空通信来说已经足够了。本次马航370失联事件，飞机上的国际移动卫星终端虽然没有实际通话，但是卫星终端的Ping功能仍然为人们提供了一种方式来查找飞机的大概飞行方向和失去踪迹的大概位置。

第5代国际移动卫星INMARSAT I-5

飞机通信解析图

民航卫星通信系统原理示意图

国际移动卫星北京地面站

不过海事卫星存在以下几个问题：

一是存在比较大的时延。海事卫星运行的地球静止轨道上，每次通话一来一回，至少要经过72000千米，电磁波要跑0.3秒左右、如果两个通话地点之间的跨度比较大，这个时间延迟可能会更长，这会让通话的双方都感到有些不自然。

海事卫星的另一个问题就是费用高，每分钟通话的费用是8美元，实在是有点小贵。在航空市场竞争激烈的今天，航空公司对此还是挺算计的。

更为重要的一个问题是，国际移动卫星是很难为高纬度地区提供服务的。这是因为纬度高，新地通信链路和地面的夹角就变得非常小。如果终端放在地面，那么一棵树一座房子就会把链路彻底挡住。如果纬度再高一些，进入了南极圈或者北极圈，那么地球本身的曲率就会让飞机彻底看不到卫星。这个问题对于中国而言尤其严重。中国前往美国的航班，一般是从北冰洋上空飞过的，也就是所谓的北极航线，这是飞行距离最短的一条航线。然而当飞机进入极区，在北冰洋上空飞行的时候。即使采用国际移动卫星，通信也是完全断绝的，这就带来了巨大的隐患。而国际移动卫星所采用的地球静止轨道，是无论如何也不能解决这个问题，

而低轨道的铱星系统，就不存在这样的问题。铱星采用了极地轨道，也就是说，卫星轨道的每一圈都要从南极和北极上空飞过。飞机在北极圈上空所能看到的卫星数量，比在其他地区一点都不少。

铱星所能支持的数据通信速度略微慢一点，但话音通信完全不存在问题。另外，铱星运行在不到1000千米的轨道上，传输时延的问题可以忽略不计，通话更加自然。铱星的终端价格和通话费用，曾经相当昂贵，因此也导致了这个系统的一度破产。但经过重组，铱星系统的通话费用已经大幅度降低，如今已经达到了航空业能普遍接受的程度。根据国内代理商提供的数据，中国铱星用户在国内的通话费是6.4元/分钟，境外是12元/分钟，显然比海事卫星便宜。因此，航空公司普遍比较倾向于使用铱星。

但铱星也有自己的问题。首先，它采用了星上交换的方式，不需要地面枢纽就可以实现全球通信。从通信技术的角度来说，这当然是比较先进的，但是这使铱星用户可以逃脱各国政府的监管。如果有人用铱星终端讨论一些非法行为，政府可能是完全不知道的。另外正如前文所述，铱星所使用的频段，在部分地区和某些导航系统存在着干扰。这就限制了铱星在民航上的使用。

世界上还存在着一个低轨道卫星系统，也就是“全球星”。它的系统比铱星更简单，并且采用了地面站交换的方式，各国政府可以比较容易地监控通话内容。但也正是因为如此，在没有地面站支持的大海上，全球星是不能通信的。因此这个系统第一时间就被排除在民航通信之外了。

因此，如果要充分满足民航客机对于卫星通信的需求，当前所能使用的这两个系统都是存在缺陷的。恐怕人们还要启动新的总体设计，在频段轨道等问题上进行全球性的协调，真正找到一个能为民航客机服务的全球覆盖的卫星通信系统。

通信导航能一体化吗？

通信和导航虽然在频段上有冲突，但对用户来说却是可以合二为一的。其实要实现民航飞机监控，机载无线电通信设备也应当同时具备通信和导航功能（卫星通信终端也是一种无线电台）。如果电台本身带有卫星导航功能，与空管部门签派室通信的时候，就能发回自己的位置数据。这样后方在与飞机通话的同时，就可以把飞机的位置显示在电子地图上。这其实就是国内外最近很流行的资产跟踪。很多卫星终端已经集成了GPS功能，由于移动通信卫星和导航卫星都工作在L频段，只要在天线设计中采取一定的措施，就可以实现一体化。

其实，世界上已经存在的一种通信导航一体化的系统，就是中国的北斗虽然只能进行短报文通信，不能向海事卫星或铱星那样支持话音甚至宽带，但毕竟为人们提供了一种选择，早期的北斗必须依靠接收机、卫星和总站的三方通信来定位，时延比较长，不适合高速运动的飞机使用。新一代北斗只需要卫星发射信号给接手机就可以导航或者定位，但是短报文功能保留了下来，只要在系统中开通功能，只需要北斗系统就可以实现跟踪了。

大型客机有充足的预算和空间来安装卫星移动通信终端，对单一系统的需求并不强烈，而对中小型飞机来说这可能就比较重要了。如果读者去过马尔代夫、塞班岛这样的海滨旅游胜地，乘坐过那里的水上飞机，就能体会到这一点。这种载客不过十余人，飞行不过百余千米的小飞机，是没有预算也没有空间安装移动卫星终端的。但它们同样需要保持实时通信，需要被实时监控，北斗就是个好的选择。

有了卫星通信，在飞机上也能海聊

7月23日，中国东方航空公司MU5108航班测试空中上网，最高网速可达50M

飞行途中也上网

我们谈了这么多都在说监控，再说飞行员与地面的通话。卫星通信与乘客们有什么关系呢？其实在现有的国际航班上，乘客舱普遍装备了海事卫星电话，乘客面前的综合娱乐终端上有一个手柄，一面是游戏机操作器，另一面就是卫星电话，电话侧面有一个卡槽。乘客只要想打电话，拿出信用卡一刷就可以了。但价钱可是挺贵的，一分钟8个美元绝不打折。

有没有更便宜的卫星通信服务可以提供给客舱的乘客呢！答案是肯定的，国际上已经开通了不少用于客机后舱通信的卫星服务，截止2013年底，全球共有34家航空公司超过1800架商用飞机部署了机上Wi-Fi服务，另有超过1300架飞机已经完成签约正在等待安装。每天使用机载通信服务的乘客数量超过2万户。这类服务不再使用资源稀缺的L频段，而是使用我们前面所说的Ku和Ka频段。当然，这也是“动中通”天线发展成熟的结果。近年来，航空“动中通”不断取得进展，尤其是平板天线的普及，是整个卫星天线的高度可以大大下降，装在飞机的后背上，对气动外形的影响不像从前那样明显了，因此可以很容易地集成到飞机上，无论是在飞机制造时加装还是在飞机投入使用后改装，都更容易为人们所接受。Ku和Ka频段的通信带宽大、价格便宜，两兆带宽就可以给整个后舱提供服务，比海事卫星的价钱便宜多了。