相控阵天线在民航飞机卫星宽带通信系统中的应用研究

李志明 覃金平 陈祥 吴飞

摘要：本项目以民航飞机对高速、宽带、实时数据传输需求为导向，开展基于相控阵天线的民航飞机宽带卫星通信上网系统应用需求分析和机载宽带卫通系统架构设计，突破机载宽带卫星通信设备及相控阵天线关键技术、适航取证，实现机载宽带卫星通信设备及天线国产化，实现典型民航应用示范，为基于相控阵天线的民航飞机宽带卫星通信上网系统应用服务在民航领域的大规模推广应用奠定技术基础。

关键词：飞机；相控阵天线；卫星宽带通信

Keywords：aircraft； phased array antenna； satellite broadband communication

0引言

随着我国民用航空运输业的迅猛发展，航空公司对基于宽带卫星通信技术的飞机健康管理、飞行状态实时监控以及乘客宽带通信等上网应用需求日益迫切。如何實现基于我国自主卫星的民机机载宽带卫星系统及设备国产化并实现宽带卫星通信在民用航空领域的推广应用及商业化运营是我们必须面对和解决的问题。然而，我国目前民航宽带卫星通信应用中的关键环节，包括卫星系统、机载宽带卫星通信系统及设备等基本依赖国外。提升我国民机产业发展水平及自主配套能力、有效保障国家航空信息传输安全、推动我国民航运输业进一步发展、具备我国自主可控民机宽带卫星通信能力、确保我国航空信息传输安全，是我国从航空大国向航空强国发展的必然选择。

1 项目意义

2021年4月，中国民用航空局发布了《中国民航新一代航空宽带通信技术路线图》，其中提到将重点发展“新一代航空宽带通信技术”。 该路线图制定依托中国民用航空局正在组织编制的民航“十四五”发展规划，将新基建作为“十四五”民航发展的重要抓手，使得未来新一代航空宽带通信技术成为促进民航业数字化转型、赋能“智慧民航”的核心技术。

基于我国自主卫星系统的民航宽带卫星通信产业迎来前所未有的市场契机和发展机遇。本项目基于我国自主研制的相控阵天线宽带卫星通信系统，开展自主可控的机载宽带卫星通信系统及设备研制，实现飞机健康数据及客舱宽带数据的高速、可靠、实时传输，提高飞机飞行安全，提高飞机派遣率和运营效率、飞行状态监控及健康管理能力，提高旅客的乘机体验。总之，开展基于相控阵天线机载宽带卫星通信技术研究，对于整体提升我国民机自主宽带卫星通信能力，打破国外技术垄断，逐步摆脱受制于人的局面，推进我国航电产业发展、振兴我国航空工业、实现我国的航空强国梦具有重要意义。

2 可行性分析

目前国际上广泛采用的客舱卫星上网系统都是基于机械式天线，技术性能和经济性都不是很好。

从趋势上来看，系统呈现集成化、小型化及低成本化发展趋势；机载宽带卫星通信天线将逐渐向平面化、轻量化、低成本、高效率方向发展，以有源相控阵天线、可变倾角连续断面节阵列VICTS天线和液晶超材料天线为代表的低剖天线将成为机载卫通天线的主流发展方向。

国外在传统机械天线方面具有全面丰富的知识产权布局。相控阵天线方面，电科航电走在世界前列，申请了机载相控阵天线系统与算法方面多个专利，形成自主知识产权，避免了卡脖子风险。

南航机务系统由于强大的飞机改装方案设计能力和丰富的飞机改装实施经验，完成了多架飞机的客舱局域网和上网系统的加改装工作，能够设计并实施各种复杂的飞机改装并实施。

基于南航机务系统对飞机卫星上网系统的技术需求，电科航电公司利用自身在飞机通信导航设备方面的专业技术背景，针对相控阵天线在民航飞机上网系统应用开展了研制工作。

3 设备研发

该项目主要完成了相控天线设备研发、飞机改装和上网系统应用研究。

设备研发方面，机载宽带卫通天线是机载宽带卫通系统的重要组成部分，主要实现电磁波的辐射和接收。本项目针对中星十六宽带卫星通信系统，结合相关标准规范，开展机载宽带卫星通信相控阵天线研制，该相控阵天线系统主要由发射天线和接收天线构成，如图1所示。

如图1所示，机载卫通相控阵发射天线利用电控相扫方式，将若干个带有独立通道的天线单元组成平面阵列。利用多通道的合成波束快速扫描，以满足高速机动平台点对点的卫星通信需求。相控阵发射天线的工作过程为：当设备加电后，天线DC/DC电源模块对天线各有源模块供电；工作时，由调制解调单元送给天线的中频信号经过上变频之后，进入波束形成网络，完成第一级路功分，再由T组件完子阵级二级功分，将信号送入T组件的多个射频通道，经过移相、放大后，最后馈入天线单元，并向空间辐射，在预定方向形成波束，完成对卫星上行链路的建立；反向链路与前述过程类似，天线接收信号经移相、合成、放大后，形成中频信号传输至调制解调单元。调制解调单元实现中频-基带变换、调制解调、编解码、协议处理、接口与数据处理、系统监控代理等功能。

通过系统研发和优化，机载卫通相控阵天线除了实现宽带卫星通信功能外，还将实现如下特点：

（1）实现极短的天线切换时间（<100ms），并且能够兼容高轨/低轨卫星；

（2）天线具备极低剖面；

（3）安装总重量相比机械天线明显减轻；

（4）相比机械天线，大量减少风阻；

另外，为了利用KA卫星实现飞机与地面的宽带空地通讯功能，并满足飞机高速运动的特性，以及实现大量旅客同时高速上网的需求，本项目研制的机载卫通相控阵天线将具备如下的技术特性：

（1）工作频段为Ka频段：发射频率为9.46GHz～30.0GHz，接收频率18.7GHz～20.2GHz。

（2）终端可支持的最大工作速率：≥ 100mbps。

（3）可支持的最大飞行速度（对地速度）：1200km/h；

4 飞机改装

4.1改装方案设计

基于南航机务系统强大的改装设计能力，南航机务系统将根据相控阵天线的KA卫星上网系统的技术特点，以及设备的技术参数，设计相应飞机的改装方案。设计的改装方案，需要满足局方的适航审定要求，包括如下方面的研究。

（1）基于相控阵天线的KA卫星上网系统安装位置；

（2）KA卫星上网系统设备安装位置；

（3）系统服务器以及客舱无线接入点设备安装位置；

（4）系统线路走向；

（5）飞机结构改装；

（6）基于相控阵天线的KA卫星上网系统与飞机系统之间的相互干扰；

（7）旅客便携式设备对飞机系统的影响。

最终的改装方案将报局方审批并取得局方对改装方案的STC批准。

4.2改装实施

南航机务系统拥有非常丰富的飞机各类改装实施经验，完成了多架飞机的客舱局域网和上网系统的加改装工作。在取得局方认可的基础上，南航机务系统在设计出改装方案后，将派出改装经验丰富的技术人员根据改装方案进行飞机改装。这个改装项目将涉及如下方面的内容：

（1）飞机上部蒙皮的结构改装；

（2）安装KA卫星上网系统天线；

（3）安装KA卫星上网系统设备；

（4）安装系统服务器以及客舱无线接入点设备；

（5）安装系统电源跳开关；

（6）安装系统控制开关以及维护接入口；

（7）安装电压和系统导线；

（8）进行系统功能测试以及电磁干扰测试；

（9）进行必要的T-PED测试。

在改装过程中，将要对改装涉及的区域进行大量设备的拆装以接近改装区域，而且改装过程中可能遇到飞机实际构型与改装方案不完全一致之处，及时将改装现场遇到的问题反馈给方案设计工程师，确保及时对改装方案进行修订。

4.3改装包的设计和生产

南航机务系统拥有丰富的模型设计、生产和部件取证能力，拥有上万件自制PMA产品，完备的机上客舱局域网和上网系统的加改装工作经验。在完成飞机改装方案设计后，南航机务系统将根据改装方案设计出飞机改装所需的改装包，并进行改装包的生产。在改装过程中，如遇到飞机实际构型与改装包不完全一致之处，可及时反馈给改装包设计工程师，以及时对改装包的设计进行修订，并迅速生产所需改装材料。

5 应用分析

5.1 应用接口及机型范围

基于机载宽带卫星通信相控阵天线系统能够满足面向机组、乘客、空管、机务、航空公司的应用需求，机载应用接口如图2所示。

如图3所示，面向空管和机组（飞行员）的应用主要与驾驶舱交联，且安全级别较高；面向机组（乘务员）和乘客的应用主要与客舱系统交联；面向机务和航空公司的应用主要与其他飞机系统交联。这些应用的交互数据通过机载宽带卫星通信系统发送到卫星，经由卫星关口站传输到地面公网和专网。

先进性方面，通过本项目研发，突破机载宽带卫星通信设备及天线相关行业规范和标准、适应机载条件下的传输体制、针对机载平台高速运动下的波束切换等关键技术，形成自主知识产权，实现基于机载宽带卫星相控阵天线系统及设备的国产化研制，搭建系统集成测试验证环境完成系统集成测试和演示验证，提升我国机载宽带卫星通信设备及天线自主研发和综合集成能力。本项目成果未来可应用于波音空客飞机的后改装方面，同时在我国远程宽体客机、C919改、ARJ21改等机型，创造巨大的社会效益和经济价值。

5.2 实现空地互联

飞机上安装基于相控阵天线的卫星上网系统后，将可以实现飞机与地面的空地通信，实现飞机与地面互联网以及专有网络进行连接。飞机上对于空地互联的应用主要分为后舱应用和前舱应用。

后舱应用主要是满足飞行航班旅客访问互联网的需求，在实现飞机可接入互联网后，旅客将可以使用个人设备（如

电脑、手机、平板等）接入互聯网，同时基于相控阵天线上网系统提供的高带宽互联网连接能力，旅客可以在飞行航班上实现与地面的即时通讯、参加远程会议、参与网络游戏、进行网络购物、浏览网络视频等活动。提升客户体验和上座率，满足乘客对“美好飞行”的期望，有效增强高端客户粘性和航空公司的市场竞争力。

而前舱应用是指在满足局方安全规定的前提下，飞机空地连接之后，还可以实现飞机前舱与地面的数据和语音通信，如飞行气象情报更新、航线通告实时更新、飞机实时状态跟踪、飞机位置跟踪、飞机健康监测以及空地联合决策、飞机海量数据实时下传、VoIP通话等。

6 结论

本项目基于电科航电公司的设备研发能力和南航机务系统的飞机改装设计与实施能力，开发了在飞机上安装使用基于相控阵天线的卫星上网系统。该系统可将飞机与地面网络进行连接，并依据其提供的高带宽连接，实现飞机前舱与后舱丰富的应用。开展基于相控阵天线机载宽带卫星通信技术研究，对于整体提升我国民机自主宽带卫星通信能力，打破国外技术垄断，逐步摆脱受制于人的局面，推进我国航电产业发展、振兴我国航空工业、实现我国的航空强国梦具有重要意义。