空间互联网在航空领域的重点应用分析

谭元晧，张学军，李雪缘

（北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191）

随着国内外低轨通信卫星星座系统迅速发展，空间互联网因其具有全球覆盖及高速宽带稳定通信能力，成为当下的研究热点[1−4]。近年来，美国已经开展空间互联网星座建设的相关研究，相继完成铱星二代星座部署，计划并启动OneWeb、Starlink等一系列空间互联网星座建设[1]。为实现建设“航天强国”的目标，保护空间资源，促进相关产业发展，我国必须加紧建设属于自己的空间互联网系统。空间互联网作为技术领域广、工程难度大、资金需求多的重大工程，需要从应用角度出发，提出空间互联网系统满足应用需求的功能和技术要求，最终建成我国自主可控、性能可靠的空间互联网系统。

1 空间互联网的特点与发展现状

空间互联网是由各类在轨运行的飞行器、卫星及卫星星座等构成的空间信息处理及通信设施，各类地面站、核心网等相关地面基础设施和各类应用系统融合构成宽窄结合、功能完备、异构互联、安全可控、承载泛在业务和接入的天地一体高性能全球基础设施。

它具有如下特点：一是全球覆盖，能够满足远洋、山区、两极地区的覆盖需要；二是容量大，在广域覆盖的基础上满足大范围目标的海量连接需求；三是抗毁性好，受天气、地理等条件影响小，遇突发情况能有效保障持续稳定的服务；最后则是小卫星多功能，单星研制周期短，促进快速起量的同时成本降低，便于一箭多星发射，功能模块化、复合化，行业应用广泛。

目前全球范围内正在计划部署空间互联网星座的公司有将近30 家，部署卫星计划也达2 万颗以上[2]。以OneWeb、SpaceX 为代表的大规模低轨互联网星座迅速发展，得到了产业界资本、运营商和用户的广泛关注。各国都在计划和申请各自的卫星星座，抢占轨位和频段，全力推进空间互联网建设，同时各星座计划均不同程度增加载荷类型，以增加实际的用户数量和类型，以卫星组网通信为基础的空间互联网快速发展[1]。

国内近年来也在加紧提出自己的空间互联网计划，航天科技集团、航天科工集团正在推进我国自主研发的全球低轨卫星移动通信系统作为空间基础设施；商业航天也开始起步，银河星座、九天微星等均针对小卫星总体设计、星座组网设计以及卫星关键载荷研制等展开研究。2020 年4 月，国家发改委首次明确新型基础设施的范围，卫星互联网被纳入通信网络基础设施的范畴，空间互联网建设进一步提速[1]。

十四五时期聚焦建设“航空强国”[1]，空间互联网系统的建立将对航空运输产业带来极大的促进作用，依靠卫星平台的优势，通过合理规划卫星轨道、构建卫星网络，可以实现对全球空域高、中、低空100%的全覆盖，实现航空器全球连续跟踪监视，为大范围航空用户提供通信、导航、监视等信息服务，以形成安全、高效、智慧、协同的现代化空中交通管理体系[1]。本文针对空间互联网在航空领域中航空通信、航空监视这两方面的应用，对国内外发展现状、应用需求与运行指标进行分析并对空间互联网在航空领域的市场需求进行探讨。

2 空间互联网在航空领域的应用现状

1）空间互联网在航空通信方面的应用现状。目前国际民航组织(ICAO,international civil aviation organization)下现有的航空卫星通信标准有：海事卫星(inmarsat)和铱星系统(iridium)。

海事卫星采用3 颗主用卫星加1 颗备用静止卫星，具备为航空公司提供语音、数据、传真等能力，可提供南北纬82 度以内的通信服务，其接收频率 为1525.0～1559.0MHz、发送频率为1626.5～1660.5MHz[3]。铱星系统66 颗卫星平均分布在6 个轨道面，每个轨道面11 颗卫星，包括南北极在内实现覆盖无盲区，采用时分双工模式，使用频段1616～1626.5MHz，能够提供核心话音和数据业务、高速数据业务，可应用于座舱话音/数据、飞机通信寻址和报告系统等[1]。

在空间互联网下，航空通信要满足全球实时通信覆盖，并提供稳定、高速的宽带数据服务，不受自然灾害影响。其需要进入飞机前舱，具备L 波段的通信能力，支持4D 航迹、管制指令、航行情报及气象等典型航空服务报文信息；同时，考虑到后舱娱乐等通信需求，适当考虑增加Ku、Ka 波段通信功能。

2）空间互联网在航空监视方面的应用现状。目前世界主要航空大国都在积极推进星基广播式自动相关监视(ADS-B,automatic dependent surveillancebroadcast)系统建设发展，瞄准全球航空监视体系构建开展有关的关键技术攻关与测试验证，并且主要技术架构、设备功能和应用形态初见成形[4]。

欧洲航天局最早在2013 年发射了集成ADS-B 1090ES 接收机的Proba-V 卫星，验证了利用低轨卫星接收ADS-B 信号的可行性[2]。丹麦发射的GOMX-1 验证了基于立方体卫星的星基ADS-B载荷可行性[2]。2019 年1 月铱星二代星座完成全部卫星的空间组网并开展试运行，构建起星基ADS-B 初步系统，这也是目前全球唯一的系统架构与指标都具备支撑空中交通管制，具有可持续服务能力的星基ADS-B 系统[2−4]。国内国防科技大学的“天拓三号”和上海科技大学的“STU-2”号立方体卫星搭载ADS-B 接收机验证了接收ADS-B 信号的可行性[1]。北京航空航天大学在2020 年11 月发射“北航空事卫星一号”，针对国内首个面向全球空管需求的星基ADS-B 载荷开展在轨技术验证[1]。

总体来说，在空间互联网下航空监视要求星基ADS-B 系统能够：提供全球空域、持续无缝监视，满足管制应用对数据连续性、完整性和系统可用性的要求，为后续大数据分析及基于该分析的军民航应用提供完整场景；更好地支持航线规划与航路优化，缩小航路间距；提高监视系统的精度和可靠性，提升安全性与飞行效率。

由于空间互联网可以实现全球覆盖，且能够提供高速宽带数据服务；因此，也可以在航空领域其他方面有所应用，包括导航增强、航空公司运行管理、通用航空运行、无人机管控等。本文主要就空间互联网在航空领域最重要的航空通信和航空监视两个应用需求展开分析。

3 空间互联网在航空领域需求的进一步分析

3.1 航空通信

3.1.1 管制通信

2018 年中国民航运输业全年运输旅客6.1 亿人次，同比增长10.9%，中国航空运输市场需求旺盛[5]。未来20 年，年报预计中国航空市场将接收50 座以上客机9205 架[5]。到2038 年，中国的旅客周转量将达到4.08 万亿km，占全球的21%，中国机队规模将达到10344 架[5]。按照同时执飞航班数为总飞机数的60%计算，同时运行飞机约6000架。依据ICAO 目前Inmarsat 与Iridium 系统航空通信运行标准，若要保持现有管制通信能力，航空管制通信带宽需求至少为1.2Gbps[1]。

当考虑未来空管运行方式的改变，如四维航迹运行，以及实时飞行事故记录器等应用场景时，其大数据量对带宽的要求将进一步提高。

3.1.2 后舱通信

在满足管制通信的基础上考虑加入航空后舱通信服务的需求，对于网络浏览体验，当速度低于150 kbps 时很难加载出浏览页面，网速在200～600 kbps 时网页浏览体验会受到影响。如果后舱通信能够超过600kbps，将会为用户提供无缝网页体验。而针对在整个飞行过程中需要恒定的吞吐量的视频流，考虑到视频内容质量和屏幕尺寸等一系列指标，飞机上大多数可用的视频内容需要具备800kbps 起的吞吐量才能使乘客获得舒适的视频体验[6]。

根据机上互联网服务的全球领先提供商GOGO 公司发布的全球旅客研究报告，有33%的旅客使用机上互联网[7]。在民航局《全球航空业发展中值得关注的若干问题》中，2017 年全球航空运输飞机日利用率达8.7h，平均座位数173 个，客座率达81%，与20 年前相比，分别增加了1h、11 个座位和12 个百分比[8]。结合中国商飞《2019—2038民用飞机中国市场预测年报》，2038 年同时运行飞机约6000 架[5]，假定每架飞机平均座位数200，客座率90%，综合计算后，航空后舱娱乐带宽需求将达到180Gbps。

3.2 航空监视

铱星二代系统是目前唯一系统架构与指标都具备支撑管制、可持续服务能力的星基ADS-B 系统，已经能够支持部分空管运行。因此基于未来航空运输业的运行要求，参考铱星ADS-B 系统的星座部署、载荷指标、运行情况等可以给出空间互联网在航空监视领域需要满足的总体需求，详见表1[10]。

表1 参考“铱星”系统的空间互联网监视性能指标

3.2.1 监视范围

3.2.2 容量

目前，全世界共有运输航空飞机25000 架左右，按照每年增长率5%计算，到2035 年全球运输航空飞机约为5 万架，按照60%的运行率计算，2035 年全球同时运行的飞机约3 万架，为确保满足2035 年全球监视需要，空间互联网需支持全球范围同时3 万架飞机运行[8]。

此外，目前全球飞行密度最高区域为美国，空域内同时运行飞机最大可达4000 架，在当前的空域管理方式下4000 架飞机基本达到平衡状态，空间互联网系统下单颗卫星覆盖面积略大于美国国土面积，因此空间互联网系统单个载荷需支持典型高密度区域4000 架飞机同时运行[8]。

3.2.3 星地带宽

按照3 万架飞机同时运行，每个飞机最大的广播速率约为6.2 条/s 估计，飞机采用上下天线交替广播的方式工作，卫星只接收上天线广播，约为3.1 条/s，因此系统容量要达到93000 条/s。按每条报文112bit 计算，同时下传到地面的所需带宽为26Mbps，按照10s 的刷新率计算为2.6Mbps，因此星地带宽为2.6Mps（10s 刷新）[9]。

3.2.4 支持功率

表2[10]所示为标准DO-206B 规定的航空器发射机最低功率[9]，航空运输器加装的ADS-B 设备功率在125～500W 之间，商用航空实际功率均在250 W 以上；通用航空采用125W 功率。空间互联网系统为保证对全球民用航空的覆盖能力，载荷需要支持发射功率125W 及以上的航空器的监视。

表2 DO-260B 规定的最低功率

3.2.5 接收灵敏度

患者在药师协作下制定家庭健康计划，如戒烟计划、肺康复计划（有效排痰、呼吸肌锻炼、肌肉锻炼、营养支持、家庭氧疗等）、饮食生活计划（避免室内外空气污染等诱因、饮食指导、运动注意事项等）以及教育患者关注的急性期症状（痰色变化、呼吸困难加重等）及处理措施（及时就诊等），将具体步骤列在表中，嘱咐患者在日常生活中记录以上实际行为，以便药师在下次随访时对比计划与实际行为，对患者提出建议与激励，从而提高患者依从性。

针对星基ADS-B 接收机，卫星与飞行器之间距离很远，导致飞行器发出的ADS-B 报文到达卫星时信号微弱，ADS-B 接收机天线大小也有所限制，严重降低信号信噪比；同时繁忙空域内可能存在上千架飞机同时发射信号，存在大量交织信号，需要星基ADS-B 接收机的灵敏度、解码率等性能满足运行需求[10]。

现假设飞机与卫星最近距离为RMin=1000 km，载波频率为Fc=1090MHz，信道损失计算公式为

式中：R单位为km，Fc单位为MHz。可以计算得到最低信道损失为153dB；最大距离为RMax=3707 km。按上述公式计算得到的最高信道损失为164dB。

4 空间互联网在航空领域的市场需求分析

4.1 民航方面

空间互联网将为航空公司提供运行控制服务，包含通信、导航、监视以及为旅客、AOC、ATC 提供服务包括以下几点：1）建造卫星宽带和地空宽带，构造空天一体化实时通信网络；2）配备导航增强系统，提高完好性；3）将ADS-B 模块嵌入卫星，建设星基ADS-B 系统，提供全球覆盖的监视功能；4）还可以为AOC、ATC、旅客提供相关的增值服务，如机上互联网等。

航空公司可实现每架飞机与运行签派、机务维修、旅客服务、应急救援以及航空公司认为必要的其他部门之间实时的通信联系，建立空地协同的航空多业务支持平台，实现“天临空地一体化”多种通信服务。

4.2 通航与无人机方面

空间互联网可与邻近空间飞行器综合组网，实现地空空域的有效监测，为通航提供融合服务，包含：1）飞行训练和自由飞行；2）地面监控指挥；3）区域无线电定位和监控；4）飞行器位置实时广播；5）空中交通管制对点语音、群组语音指挥；6）飞行情报服务和飞行气象服务等。

目前无人机大多采用地面指挥控制，对于飞行距离、定位、监视等方面的控制是有限度的。通过全球覆盖的空间互联网可以为无人机提供实时精确的的数据通信、导航和监视功能，扩大无人机工作范围和工作精度、优化无人机的工作路径。

我国民航行业近年来发展稳中有进，主要运输指标持续平稳增长。随着加强通航机场建设、扩大低空空域开放等措施相继提出，通航与无人机产业在未来一段时期内也将持续保持良好的发展势头。空间互联网未来市场占有率巨大。

5 总结与展望

随着全球航空器数量的迅猛增长，对航空安全、航空管理、空中高速通信等需求的不断增加，现有以陆基为主的空管系统弊端凸显。空间互联网作为由航空通信、导航、监视和自动化等技术综合集成构成的复杂系统，能够为航空飞行和航空管理提供集成性的参数信息与数据传输，将成为未来应用的主流系统。

未来空间互联网系统一方面将向复合化载荷发展，以航空领域应用为例，载荷上将承载空管业务相关的通信、导航、监视功能，但各应用由于用途不同，其传输数据的需求量存在较大差距，难以用统一标准衡量，因此需开展对应的复合化载荷技术研究，以实现不同功能在载荷上的应用。另一方面，卫星与地面网络将进一步融合已成为业界广泛认同的发展方向，因此利用多种轨道及不同功能的星座构建星座与地面网融合的综合服务网络，形成天地互补、不同星座互补，以实现一体化综合性服务。