民用航空SB-S 卫星通信系统安装与功能测试*

翟来娟，闫志付

（中电科柯林斯航空电子有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

下一代航空通信系统将需要更大的空地通信能力，以适应更多的空中交通需求，并同时提高安全性和效率。宽带安全卫星网络业务（SwiftBroadband-Safety，SB-S）是由国际海事卫星组织（Inmarsat）提供的宽带语音和数据安全服务，具有全球覆盖、完全冗余、无与伦比的网络安全和超过99.9%的全球可用性[1]。此外SB-S 还满足国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）为所有飞行远洋航线的飞机规定的通信和监视性能要求。SB-S 服务已进入商业领域，终端已安装于包括波音767、空客A321neo/A320 等多种机型[2]。SB-S 服务可通过包括SITAONAIR、Rockwell Collins/ARINC 和中国 交通通信信息集团有限公司、民航数据通信公司在内的服务商网络获得[2]。

本文概述了SB-S 服务架构、机载卫星通信设备架构，总结了民航飞机装载卫通设备及功能测试的方法流程，以实现安全高效的民航卫星通信系统。

1 SB-S 服务及架构

Inmarsat 宽带卫星网络（SwiftBroadband，SBB）是由3 颗Inmarsat 4（I-4）卫星组成的星座提供的L 波段航空服务[3]。SBB 系统由I-4 卫星、Inmarsat地面设施、分销商/通信服务商网络以及飞机地球站（Aircraft Earth Station，AES）等4 部分构成，如下图1 所示[3-4]。

图1 SBB 整体架构

Inmarsat 地面设施包含卫星天线、上下变频、无线电接入网络（Radio Access Network，RAN）、核心网络（Core Network，CN）及数据通信网络。此外为了支持安全服务，地面站还包含各种网关功能，包括地面安全网关（Ground Security Gateway，GSGW）、地面数据链网关（Ground Datalink Gateway，GDGW）、互联网协议语音（Voice over IP，VoIP）网关，特别是飞机通信寻址和报告系统地面网关（Aircraft Communication Addressing and Reporting System Ground Gateway，AGGW）。Inmarsat 拥有并运营卫星地面基础设施，并向分销合作伙伴/通信服务商（如SITA，ARINC 等）提供流量服务，然后由后者向用户提供端到端ACARS 和语音服务。机载站飞机用户终端旨在支持Inmarsat SBB 航空服务，供驾驶舱和客舱使用。

SBB 航空服务旨在为飞行员和机组人员提供机舱和驾驶舱服务，以及为乘客提供机上互联网接入。典型应用除了提供传统的电话服务，还将允许完整的互联网接入，如电子邮件、虚拟专用网VPN、web 浏览和文件下载以及电子飞行包（Electronic Flight Bag，EFB 和VoIP[5]。它还将通过音频管理系统提供驾驶舱人员语音服务，ACARS 服务。SB-S是第一个用于驾驶舱的安全通信系统，满足严格的航空安全和与地面操作数据交换的要求，符合未来空中导航系统（Future Air Navigation System，FANS）要求，并通过强大、安全的IP 数据链路和多个语音通道提供ACARS 以及安全运营服务。

SB-S 提供两种类型的安全语音服务：基于电路交换的语音服务（Circuit Switched Voice，CS Voice）和基于分组交换的语音服务（Packet Switched Voice，PS Voice）也称VoIP。在空中接口主要语音通道是基于电路交换实现的，而第2 个语音通道则使用VoIP。机载卫星设备应始终通过 CS语音连接发出第1 个驾驶舱语音呼叫。如果CS 域忙碌，则应通过安全VOIP 域发出驾驶舱语音呼叫。

SB-S 提供两种类型的数据连接服务：标准数据连接（Standard IP）和流式数据连接（Streaming IP）[5]。标准数据连接支持多个用户同时共享数据连接，适合电子邮件、文件传输及互联网访问，用户为发送和接收的数据量付费。流式数据连接确保数据无缝传输的独家高优先级连接，适用于IP 实时视频等时间关键型应用，用户为连接持续时间付费。

2 SB-S 机载终端设备

Inmarsat 的终端制造商合作伙伴开发了一系列6类高增益天线（High Gain Antenna，HGA）、7 类中增益天线（Intermediate Gain Antenna，IGA）和4 类增强型低增益天线（Enhanced Low Gain Antenna，E-LGA）SBS 终端，以满足支持安全服务所需的飞机功能要求。这几类终端均支持ACARS、优先IP 数据以及双通道语音通话，但6 类的高增益天线可以提供更高的数据速率以及额外的驾驶舱和客舱IP 带宽。

可提供SB-S 服务的终端包括但不限于Cobham航空SB-S 终端电子设备系列Aviator 300D（IGA）、Aviator 350D（HGA）、Aviator 200S（ELGA）、Aviator 600S（IGA）、Aviator 700S（HGA）和霍尼韦尔航空SB-S 电子设备Aspire 400 系列（可提供HGA、IGA、ELGA 类型天线）[6]。

机载卫星通信（Satellite Communications，SATCOM）设备的功能是通过在L 波段提供航空服务的卫星传输、接收和处理信号。机载SATCOM 系统应为飞机机组人员和乘客提供一个可以通过Inmarsat 卫星星座与地面用户进行通信的集成解决方案。此外，卫星通信系统将提供一整套的用户语音、数据通信接口。以6 类高增益天线为例，典型的SATCOM 系统配置架构如下图2 所示[3,7]，系统由一个负责信号处理的卫星数据单元（Satellite Data Unit，SDU）、一个能够存储SDU 配置的卫星数据单元配置模块（SDU Configuration Module，SCM）、一个能够提供信号放大以传输信号的高功率放大器（High-Power Amplifier，HPA）、一个由低噪声放大器和双工器组成的双工低噪声放大器（Diplexer/Low Noise Amplifier，DLNA）、一个为卫星提供同步接收和信号传输的天线组成。为满足安全语音和ACARS 服务，SDU 需包含ACARS 空中网关和VoIP 服务器。SDU 提供机上所有与用户的接口包括语音和数据接口。为了控制天线指向卫星，SDU 需要连接飞机惯导系统以获取飞机的位置和姿态。

图2 SB-S 机载SATCOM 配置架构

3 SB-S 设备安装、激活与配置

3.1 安装

系统安装包括天线安装、系统内部各设备之间的连接、与电源系统的连接、与外部系统的连接。ARINC 781 标准定义了卫通设备的标准接口和连接关系、射频（Radio Frequency，RF）连接器及RF 线缆损耗要求。设备安装首先需要准备满足标准定义的RF 连接器、RF 线缆及通信信号线缆，其次根据设备之间及与电源和外部系统之间的连接关系进行设备连接。安装天线和RF 线缆可能会导致无源互调（Passive Intermodulation，PIM）。为了获得较低的PIM，以保证设备与卫星之间的通信质量，安装卫星通信系统时应特别考虑天线安装、RF 线缆、RF 连接器[3]。

天线必须安装在机身顶部，保证天空视野清晰。天线必须通过转接板（在弯曲的机身和天线的平坦安装表面之间提供配合接口）用螺栓固定在机身上，且必须使天线的平坦底面适应机身，使其长轴与前后轴对齐飞机。若飞机表面中断天线和卫星之间直接视线，将导致天线射频波束的不同程度的阻挡，所以天线应安装在正常飞行期间可以尽量减少飞机金属表面阻挡天线视线的位置，一般最好挂载机身前部以最小化由尾巴和翅膀引起的射频阻挡[8]。

所有的RF 线缆必须满足ARINC 781 标准定义的损耗要求。DLNA 到天线射频电缆承载了高功率发射信号和低功率接收信号，因此在电缆安装过程中必须遵守最小弯曲半径，否则电缆可能会损坏并成为PIM 的来源。

ARINC 781 标准给出了卫通设备之间的RF 连接器的推荐型号，建议按照推荐型号订购连接器。射频连接器公母连接器之间是金属对金属的接触，在安装过程中如果连接器之间压力太低，可能会导致PIM，建议使用扭矩扳手将RF 连接器拧紧而不建议仅用手拧紧连接器。另外为防止污染，在存储期间，具有射频连接器的设备应戴上防尘帽[3]。

如果天线、RF 电缆或连接器被修改（如电缆被重新连接，天线/适配器板被重新安装），建议执行PIM 内置测试以确保卫星通信系统的正常运行。

3.2 通信服务激活

系统开始运行之前，飞机所有者或运营商必须向国家航空识别机构（一般是所在国的民航局，如中国民航局）申请唯一的24 位飞机识别代码ICAO地址[3]，并与Inmarsat 服务提供商签订合同以便激活系统。国际移动用户标识（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）是用于激活服务的身份证明（Identification，ID）[3]，卫通设备交付时身份识别卡（Subscriber Identity Module，SIM）永久安装在SCM中，但未激活。SIM 卡由Inmarsat 预先验证并通过其唯一的IMSI 号码进行识别。IMSI 通常为15 位长，印在SCM 的部件编号标签上，也印在符合性证书信函上。

与服务提供商签订的SB-S 服务合同需要提供飞机终端设备配置的相关信息为：IMSI 号码，飞机类型，机尾号（与ICAO 地址一起由民航局分配），ICAO 地址。最终签订的合同需要包含由服务供应商提供的相关项目，具体为：与安装的IMSI 号码相关联的直接电话号码，分组交换服务所需接入点名称（Access Point Name，APN）。

ACARS 服务使用公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）系统进行控制，该系统负责将飞机和地面网关注册到系统中并生成签名证书以保证其真实性。为了保证ACARS 业务的正常使用，必须联系设备供应商授权PKI 系统证书。为授权PKI 证书，需要提供：IMSI 号码，智能卡序列号SmartCard（在SCM 标签上查看），飞机类型，机尾号，ICAO 地址。在PKI 证书授权之后，系统下一次上电将自动加载该证书，不需要额外的操作。

3.3 系统配置

SDU 的配置参数存储在SDU 配置模块SCM 中，通过设备厂商提供的配置软件进行配置，可参考配置软件用户手册对所有配置参数进行配置。典型配置参数包括[9]以下5 个参数。

（1）唯一的飞机识别代码（ICAO 地址）：也称为AES ID。SDU 将获取的ICAO 地址与在SDU的配置模块中输入的ICAO 地址进行比较，如果它们不匹配，系统将暂停所有RF 通信。

（2）RF 配置：RF 电缆的损耗须登记在SDU系统的配置参数表中供SDU 补偿使用。

（3）外部导航参数：导航参数输入源，以便卫星系统可以获取飞机的惯导参数，包括飞机的经纬度、航向、高度等信息。

（4）卫星网络：设置卫星登陆策略，输入由服务供应商提供的网络接入点名称APN。

（5）以太网配置：为测试客舱网络功能，需要设置相应的IP 参数，如IP 地址、子网掩码和默认网关。

4 SB-S 设备功能测试

4.1 对星及卫星登录

首先要根据机载卫星设备所在经纬度以及海事卫星覆盖图[10]（图3）判断卫星设备可以搜索到的卫星。中国范围内可用亚太卫星（Asia-Pacific，APAC）（E143.5°）和中东亚卫星（Middle East-Asia，MEAS（E64°）等海事卫星。其次要根据卫星及设备所在位置判断卫星天线安装的方向和俯仰角。

图3 第四代海事卫星覆盖范围

中国国境处于地球赤道的北部，所以同步卫星永远在南方向，也就是说地面卫星天线的方向应该朝向南方。如果卫星经度等于所在地经度，卫星接收天线应向正南方向，如果卫星经度大于所在地的经度，卫星接收天线应朝向正南偏东方向，如果卫星经度小于所在地经度，卫星接收天线应朝向偏西方向。以中国成都（N30.57°,E104.07°）为例，应首选APAC 卫星，卫星天线应指向东南方向。

图4[11]的圆圈线标识了最近的海事卫星的“查找角”。根据视角图可以确定卫星通信设备相对于卫星的航向、距离地平线的仰角度数。根据中国成都与APAC 卫星的相对位置，卫星设备天线应对准东南方向45°仰角位置。

图4 第四代海事卫星视角

SDU 接收到飞机导航数据（位置和姿态），并根据卫星位置计算所需的天线仰角和方位角，然后将方位角和仰角数据发送到天线。天线的波束控制系统就可以根据SDU 输入的数据进行天线指向调整从而正确对星。

Inmarsat 卫星传输到地球上的信号称为波束，它们使用3 种波束[12]（图5 所示）：用于指向信令的全球波束（Global Beam）、用于注册的区域波束（Regional Beams）以及用于语音和数据流量的窄波束（Narrow Spot Beams）。机载卫通设备开机后，全球光束（未注册）接收初始系统信息完成卫通天线指向卫星。区域波束（已注册）用于注册和登录卫星，终端可拨打和接听电话或短信。窄波束（已注册）是语音、数据/互联网波束，在从卫通终端的界面开始数据会话后即可使用，流量会话结束后进入区域波束待机状态。

图5 SBB 波束类型及功能

对星及登录方法和步骤具体如下文所述。

（1）将卫星天线安装于转接板上并置于空旷无遮挡区域，至少要保证对应卫星的方向无遮挡,以上文成都位置为例要至少保证天线的东南方向45°仰角位置无遮挡。

（2）利用指南针获取当前天线所在位置的经纬度以及真航向角度，并通过卫星数据单元设置天线的初始经纬度以及天线的真航向。

（3）通过卫通设备终端界面观察波束类型和信号强度，此时应该为宽波束，信号强度应大于50 dB，如果信号强度弱，则需要微调天线位置以获得足够的信号强度。

（4）选择合适的卫星并开始注册登录卫星语音服务。此时在终端界面观察到的波束类型为区域波束，相比较宽波束区域波束信号强度将有所提高。

（5）卫星数据单元进行数据业务注册登录，一旦与窄波束建立连接，相比较区域波束信号强度更高。

（6）当在卫星设备终端观察到设备已经与窄波束建立连接并且信号强度稳定，即可完成对星。如果窄波束信号在一定范围之间反弹，这可能是天线指向问题或天线/支架可能松动和移动导致的指向错误，需要花些时间找出终端信号强度最高的可能。

4.2 语音通话测试

航空卫星语音通话系统交互概述如下图6 所示[13]。语音通话测试需要完成空对地呼叫、地对空呼叫、呼叫优先抢占等测试。航空呼叫优先级[12]为：

图6 航空卫星语音通信系统概述

（1）1/EMG（紧急），最高优先级，属于飞行安全级别，一般用于紧急迫降、紧急天气等；

（2）2/HGH（高），次高优先级，属于飞行安全级别，通常分配给空中交通服务（Air Traffic Services，ATS）的通话；

（3）3/LOW（低），第3 优先级，通常分配给航空运行控制（Airline Operational Control，AOC）呼叫；

（4）4/PUB（公共电话），非安全级。

呼叫优先抢占指飞机系统使用优先级来抢占较低优先级的呼叫，并为较高优先级的来电建立优先连接。较高优先级的呼叫将中断较低优先级通信正在使用的通信资源，在没有任何指示或延迟的情况下建立连接。可先启动一个低优先级的通话，然后在此通话过程中尝试启动一个较高优先级的通话，测试并验证系统是否可以为高优先级通话自动抢占低优先级的通话。

空对地呼叫流程如下文所述。

（1）通过控制和显示设备输入电话号码，或者从电话簿中选择电话号码。要手动拨打电话，请拨打00 ＜国家/地区代码＞ ＜电话号码＞。航空器运营人员应确保卫星话音在飞行中的计划使用符合各个国家和/或飞行情报区适用的法规、政策和程序。

（2）分配呼叫优先级：通常是默认值，呼叫者可以在进行呼叫时更改，飞行器系统可以抢占较低优先级的呼叫以建立较高优先级呼出呼叫的优先级。

（3）呼出：从控制和显示界面或语音控制面板启动呼叫。

（4）呼叫尝试：SDU 向网络接入交换机发起呼叫，网络接入交换机提供适当的信息供航空站使用。

（5）呼叫连接：航空站接收来电并向无线电操作员/控制器提供指示。

（6）呼叫接通：无线电操作员或控制器接听来电。

地对空呼叫流程如下文所述。

（1）用户输入有效飞机号码：地面呼叫需要从服务供应商获取到机上卫通设备的语音电话号码，还需要确定此次拨号的优先级。机上卫通系统提供配置选项可以直接拒绝PUB 级别的电话接入。对于航空2 级地对空呼叫，先需要拨叫地对空2 级呼叫平台接入号码，接通后输入账户密码（由通信服务商提供的用户身份号码），然后使用ICAO 地址呼叫飞机：优先级+ICAO 号码#。

（2）呼叫尝试：网络接入交换机向飞行器发起呼叫，并提供适当的信息供飞机系统使用。

（3）呼叫连接：飞机接收来电并向机组人员提供灯和声音指示。飞行器系统可以抢占较低优先级的呼叫以建立较高优先级来电的优先级。

（4）呼叫接听：机组人员接听来电。

4.3 ACARS 测试

实施SBS 安全服务支持的终端制造商必须验证其ACARS 机载网关AAGW 的实施符合Inmarsat 的要求。如图7 所示为ACARS 测试框图[14-15]，测试系统包括机载ACARS 测试设备、Inmarsat 卫星、Inmarsat 地面接收站及网络、数据链服务提供商、地面网络及终端用户（ATS、AOC）等。

图7 ACARS 测试框架

ACARS 测试包括下行和上行数据链路传输测试。为保证完整的双向链路测试，需要与ACARS通信服务商合作并发送机载设备的信息（包括飞机类型、ICAO 地址、机尾号等）以完成飞机信息注册，在测试时需确认卫通设备已连接至安全网关及ACARS 网关。

下行链路测试时，由连接到SDU 的机载通信管理单元（Communications Management Unit，CMU）发起ACARS 消息，由卫通设备天线通过Inmarsat卫星链路将消息传输到Inmarsat 地面站。地面站收到飞机的下行报文后，数据链服务商会按照规范将收到的下行报文转化成地-地报文传输格式并送给地面终端用户。同时地面站发送一条上行报文通知机载设备消息已成功收到。

为完成上行链路测试，地面终端用户收到机载站发送的下行ACARS 请求消息后根据规范将所需用户数据转化成地-地报文发送至地面数据链服务商，地面数据链服务商将收到的报文消息转换成地-空传输格式报文并通过Inmarsat 卫星链路发送至SDU，机载CMU 在收到该上行消息后进行处理并最终传送给机载显示终端。

4.4 客舱以太网测试

SBB 系统可支持客舱数据如电子邮件、互联网等。推荐的连接类型是标准数据连接（系统默认设置）。测试流程如下：

（1）选择一台电脑或者笔记本，将电脑网络端口连接至机载卫星通信设备的客舱以太网接口；

（2）设置电脑的网络连接属性，包括SDU 可以接受和识别的有效IP地址、子网掩码和默认网关；

（3）尝试通过电脑ping 到SDU 网络连接；

（4）确保卫通设备已登陆海事卫星网络；

（5）在电脑端设置基于以太网的点对点协议（Point-to-Point Protocol Over Ethernet，PPPoE）连接，先连接至因特网，然后建立新连接，再选择宽带PPPoE 连接，最后根据向导说明需要选择服务名称为SBB 并输入通信服务商提供的APN；

（6）启动PPPoE 连接，注册成功后将可以使用因特网服务；

（7）在电脑端开启网页，确认已接入互联网。

5 结语

随着民用航空事业的发展，民航卫星网络已成为为航空业务提供服务的综合业务通信网络，并将在未来的航空运输系统中发挥更大的作用。现在网络安全问题日益突出，民航必须在提供全面综合服务的同时确保通信安全。SB-S 卫星通信服务将提高现有网络的安全性，并具备用于未来扩展的航空安全通信服务的能力，以支持下一代全球航空运输。本文概述了SB-S 卫星通信及民用飞机装载SB-S卫通系统的长远意义，为民用飞机装载SB-S 卫通系统提供了明确思路，并根据实际经验总结了一套SB-S 卫星通信系统安装、激活、配置及用户功能测试的实用方法和流程。