机上互联网的发展与关键技术研究

2022-03-11王彦松杨亮李宗阳

航空维修与工程 2022年1期

王彦松杨亮李宗阳

0引言

2005年，空中客车公司宣布推出全球首个客舱“无线（Wi-Fi）网络系统”，借助于“全球星”卫星通信系统，可实现高空上网。2007年，全球首个基于CDMA技术的地空宽带系统也随之问世，借助地面基站信号覆盖高空航线，从而给飞行中的飞机提供无线接入数据带宽，以实现高空上网。经过十几年的发展，美国民航客机实现空地互联上网的比例达85%，欧洲为50%，而中国国内普及率相对较低，截至2020年底，这一比例仅为5.73%。

1机上互联网政策和背景

随着无线通信技术的快速发展以及人民群众对美好生活的向往，社会公众对飞机上使用便携式电子设备特别是使用手机进行实时通信、社交的需求越来越强烈。基于国际上对相关技术的研究和技术测试，中国民航局于2018年先后修订以及发布了CCAR-121部第121.573条款和相应的咨询通告，为机上开放PED使用提供了法规依据和指导，极大促进了国内航司、研究机构、设备厂家、运营商等对于机上网络的投入和发展。

2019年全国民航工作会议上指出，推进空中接入互联网工作取得更大成效，增加能够提供客舱无线局域网服务和空中接入互联网服务的航空器数量，丰富远程航线无线网络服务内容。

2021年民航局发布的“我为群众办实事”任务清单中重点提到要推进航空器客舱无线网络服务。针对航空器无线网络服务，民航局相关人士在5月例行新闻发布会上向媒体表示，目前，飞机上的无线网络速率相对较慢，主要是受到通信技术体制限制原因。为解决此问题，民航局将会同国务院有关部门，通过将传统卫星通信技术升级为高通量卫星通信技术；结合5G新基建，通过将空地（ATG）通信系统由4G升级为5G通信技术，以及优化现有网络结构，增强网络覆盖三种主要方式，加快推进网络基础设施演进升级，有效提升通信速率。

伴随着国内各种政策以及指导措施的出台与落地，相应基础设施建设加速推进，机上互联网业务迎来了蓬勃发展。据《2020年民航业发展统计公报》显示，截至2020年底，20家航空公司的654架飞机能够为旅客提供客舱网络服务，其中，11家航空公司的213架飞机同时具备了空中接入互联网能力。相比2019年可提供客舱网络服务的航司数量和飞机数量分别增加了33%和59%；可实现空中接入互联网的航司数量和飞机数量分别增加了22%和5.4%。

2国内航司机上互联发展现状

国内各大航司很早就开始了对机上互联解决方案以及相关生态运营进行了探索。国航从2011年开始试运营舱内无线局域网航班，并在2013年利用卫星通信系统实现了由“封闭”局域网到外部互联网接入的跨越。2014年，东航推出空地互联商业航班，利用亚太6号卫星实现空中互联网实施接入。同年，南方航、海南航等也都开展了空中卫星上网测试飞行或推出过空中互联网服务。几年间，各航司在航空互联网领域均进行了或多或少的测试和验证，但限于可提供空中接入互联网服务的基础设施资源限制以及相关政策和指导措施不完善，均未能实现规模化装机和商业运行。2018年开始，随着机上手机开放使用，国内各种政策及指导措施的出台与落地，相应基础设施建设加速推进，国产高通量卫星机上互联服务正式商用，5G ATG新基建方案强力出台，3年间，各航司空中互联网项目进入实质实施阶段。

国航于2018年正式确定了机上网络项目方案，以提升客户体验，增强整体竞争力为目标，采用具有自主知识产权的方案，分步实施舱内Wi-Fi 和空地互联改装。2019年3月，北京飞机维修工程有限公司（Ameco）完成国航首架空客A320飞机舱内Wi-Fi改装，并取得CAAC 改装设计批准，拉开了机队改装序幕。截至2021年3月，Ameco完成了包含空客A320、A330系列，波音777-300ER、737NG系列4个机型在内的全部360架飞机改装。同时，Ameco也启动了基于中星16的Ka波段卫星通信系统自主加装方案的准备工作，并于2022年1月完成首架飞机改装取证工作，此举填补了国内自主加装卫星通信系统方案的空白，为机队规模化改装实施奠定基础。根据Ameco的经验，窄体机实施舱内Wi-Fi改装周期约3～5天，宽体机约7～10天；卫星通信系统改装周期约10～15天。

东航自2014年首次推出基于亚太6号卫星的空客A330飞机空地互联商业航班以来，陆续通过线裝引进、改装等方式扩大其地空互联机队规模，其宽体机队大部分飞机都实现了空中上网功能。近几年，东航在平台商业应用、运营管理、提升网络服务质量等方面持续发力。2020年12月，东航与中国电信、均瑶集团共同成立了空地互联网络科技股份有限公司，专注于航空互联网综合解决方案。2021年8月底，经过对其波音777飞机进行软硬件升级，并进行了测试飞行，成功地将飞机网络切换至亚太6D高通量卫星，机上上网速度大幅提升，后续将完成全部地空互联飞机的服务升级。

南方航于2014年开始，同样基于亚太6号卫星开展验证飞行，2016年正式开通互联网商业航班，并开始进行舱内无线局域网测试与装机，2017年开始规划确定新飞机和存量飞机改装方案，之后对其窄体机舱内无线局域网项目进行了项目招标。海南航也是较早开展机上网络测试与研究的航司，目前有30多架飞机可提供空地互联服务。2021年6月与腾讯、多尼卡共同成立了飞享互联航空科技有限公司，专注于海航系600多架飞机空中互联网运营，并开展了机队舱内无线局域网加装工作。另外，青岛航、山航、川航等航司也纷纷开展机上网络技术研究与测试工作。

3 改装方案研究

典型的机上无线网络包括两部分内容：一部分是舱内无线网络（Wi-Fi）系统，另一部分是用于实现机上互联网接入的地空互联系统，如图1所示。其中，实现地空互联的技术主要有卫星通信和空地（Air to Ground，ATG）通信两种形式。国内主要设备供应商有多尼卡、中电科航电、飞天联合等，国外供应商主要有Gogo、Kontron、Astronics、GEE、Viasat、Panasonic、Honeywell等。本文主要对民航飞机上加装无线网络系统的设计方案和适航审定方案的关键技术进行研究，鉴于卫星通讯系统的天线在尺寸和重量上均比ATG系统的天线大，加装方案也较为复杂，本文将予以重点介绍。

3.1 舱内Wi-Fi系统

舱内Wi-Fi系统主要功能是为飞机客舱提供无线信号服务。典型的舱内Wi-Fi系统主要由服务器、无线接入点、控制与维护面板等设备组成。客舱中的乘客能通过个人手机、ipad、笔记本电脑等带有Wi-Fi功能的便携式电子设备接入客舱无线局域网，获得音视频点播、互动游戏、电子书阅读等服务。同时，Wi-Fi 系统包括有4G天线，系统在地面具有4G通信功能。飞机在地面时可通过此功能更新小容量数据，如下载系统运行信息、常旅客信息、上传新闻资讯等。

舱内Wi-Fi系统需要从飞机端获取115V交流电源和28V直流电源，获取离散信号和ARINC 429信号，通过软件逻辑设置，如图2所示，实现系统Wi-Fi信号开启与关闭以及4G功能开启与关闭的自动控制、PA广播暂停等控制功能。

3.1.1网络信号覆盖测试

客舱内Wi-Fi信号的覆盖范围和强度直接影响到乘客使用，由于各机型客舱内环境不尽相同，为保障最佳体验效果，除设备性能必须符合要求外，设计上必须合理确定无线接入点的安装数量与安装位置。

首先，根据单个无线接入点的信号覆盖范围、负载能力、客舱区域划分，以及客舱内隔板、厕所等“障碍物”布局情况确定无线接入点的数量和初步安装位置。然后，利用无线信号热图测试分析软件，在机上进行测试。根据热图测试结果，对无线接入点的位置和方向进行微调，找到相对最优方案。在最终装机完成后，利用和乘客数量相当的便携式电子设备接入无线网络，进行负载压力测试，如图3所示，对系统性能进行全面验证。

3.1.2 在飞机上使用2.4GHz & 5GHz频段的无线发射便携式电子设备（T-PED）影响分析

根据中国民用航空规章CCAR-121.573条便携式电子设备（PED）的条款规定、咨询通告AC-121-FS-2018-129机上便携式电子设备（PED）使用评估指南的总政策要求，以及CCAR-25部适航审定的相关要求，在飞机上加装和使用无线网络，需要从以下两个方面评估对飞机的影响：无线网络系统对规章要求的必须的飞机系统产生的干扰；便携式电子设备的有意辐射或无意辐射对飞机系统的不利影响。

针对便携式电子设备的有意辐射或无意辐射对飞机系统的不利影响，参考EASA Certification Memorandum CMES-003中要求，若加装的无线网络系统限制为在除II类和III类进近和着陆及低能见度起飞以外的飞行阶段使用，则仅需评估飞机对便携式电子设备的有意辐射的容忍度，无需评估飞机对便携式电子设备的无意辐射的容忍度。由于在运行中对无线网络系统的使用阶段进行了限制，故只需要评估飞机对便携式电子设备的有意辐射的容忍度。

EASA Certification Memorandum CM-ES-003中指出，验证飞机对便携式电子设备的有意辐射容忍有两种方式：满足EUROCAE ED-239/RTCA DO-307A Section 3要求或满足EUROCAE ED-130A/RTCA DO-363 Section 6要求。

RTCA DO-363“机上移动电子设备使用指导”的相关分析流程图如图4所示。

根据分析流程，如果飞机满足FULL HIRF要求，则满足RTCA DO-363 Section 6要求，即满足EASA Certification Memorandum CM-ES-003中飞机对便携式电子设备的有意辐射容忍度的要求。如飞机不满足FULL HIRF的要求，则需要按照流程进行进一步分析。

首先进行独立系统评估，并对评估确定的系统进行飞机安全评估，评估现有的分析或测试数据。依据飞机不同等级设备及其安装位置，根据OEM厂家规范要求确定其电磁抗扰性水平，结合飞机T-PED干扰场强，计算其受到 T-PED干扰的安全裕度，并筛选出不符合满足要求的设备，通过进一步的分析，篩选出有关安全影响的设备且OEM厂家未对其进行T-PED兼容性评估的设备，即最终确定须在飞机上进行T-PED电磁兼容性测试的设备。

按照RTCA DO 363中要求，使用发射模拟器进行T-PED电磁防护机上试验以验证飞机对便携式电子设备有意辐射的容忍度。

3.2 卫星通信系统

卫星通信系统主要功能是为飞机提供外部数据通信和互联网接入。典型的卫星通信系统由机身天线（FMA）、变频高功率放大器（BUC-HPA）、网络数据组件（KANDU）、调制解调器（MODMAN）、飞机构型模块（APM）等设备组成，如图5所示。

3.2.1工作原理

需求端输入的信息经过处理和编码后，进入调制解调器对载波（中频）进行调制；调制后的中频信号经过变频高功率放大器，将频率变换至所需求的上行射频频率，并进行放大；经放大的信号馈送至机身天线发往卫星转发器。卫星转发器对所接受的上行信号提供足够的增益，还将上行频率变换为下行频率，之后卫星转发器发射天线将信号经下行链路送至接受地球站，从而实现空地数据通信。

3.2.2安装方案

卫星通信系统机载设备从安装位置和安装环境角度，可分为舱内设备和舱外设备。舱内安装的设备包括网络数据组件、调制解调器、飞机构型模块。舱外设备为机身天线和变频高功率放大器。

系统设计方案：从飞机端取115V 400Hz交流电和28V直流电为系统设备提供电源与控制，通过ARINC429数据获取飞机的位置、时间等信息，获取飞机离散信号（空地信号），通过软件逻辑，利用从飞机端获取的信号实现卫星通讯系统射频信号发射自动控制。

结构安装方案：机身天线将安装在机身顶部，安装部件包括天线罩、转接托盘、接头、裙边。变频高功率放大器和机身天线将安装在天线罩内部的安装托盘上，如图6所示。为符合强度要求，需要对天线安装位置飞机结构进行加强，设计短梁和接头。由于机身天线需要和舱内设备进行电气连接，需要在机身蒙皮开口，设计补片对蒙皮开口处进行加强。适航审定方面需要对气动分析、防冰、重量重心限制、稳定性、机动性和操纵性、气动弹性等关键问题进行验证。

4 结束语

目前国内航空互联网相关政策已经开放，机载设备、安装方案和适航审定技术日趋成熟，但普及率仍然较低。笔者认为主要有以下两方面的原因：网络方面，利用卫星通信的网络带宽有限，网速较慢，成本较高；相对卫星通信技术，空地通信（ATG）具有带宽、成本等诸多优势，但目前国内5G ATG网络仍处在试验阶段，尚未启动全国建设。初次加改装以及后续运行成本较高，尚无清晰的商业模式，加之疫情影响，大部分航司在机上网络部署上仍处于观望和探索阶段，无明确规模化实施计划。但在民航局的大力推动下，无论是空地互联网络还是商业生态方面均取得了积极进展。亚太6D高通量Ku卫星成功发射并开始提供服务，卫星上网体验大幅提升；5G ATG纳入中国民航新一代航空宽带通信技术路线图，电信运营商开始启动审批和基站建设规划，网络建成后将进一步提升空地通信带宽，大大降低运行流量成本；中国卫通、中国电信、东航、海南航、腾讯等纷纷成立航空互聯网相关业务公司，积极开展商业模式和运营探索，并取得可喜进展。中国民航有3700多架客运飞机，民众对美好飞行体验需求强烈，市场潜力巨大，相信在民航局的引导和各产业链大力协作下，国内航空互联网产业必将迎来蓬勃发展。