探讨卫星通信系统在航空领域的应用

宋川川，姚雅雯

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏南京，210000）

1 卫星通信系统与航空领域概述

1.1 卫星通信系统概述

在现代社会的发展过程中，随着人们生活水平的不断提升以及国家的强烈需要，就对通信事业的发展产生了强烈的推动的作用，而随着卫星的成功发射，更是直接将通信带进了卫星通信时代，极大促进了通信事业的发展。卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信，其系统主要包括空间卫星系统、地面控制服务主站以及用户终端等[1]。空间卫星系统主要指的通信卫星，用来实现信号接收和发射功能的专用卫星，现阶段的通信卫星主要是利用同步轨道卫星，仅需三颗，就可以实现对地球全方位的覆盖；地面控制服务主站主要包括卫星测控中心及相应的网络控制中心、各类关口站等；用户终端包括机载终端、车载终端、船载终端以及固定站等。

1.2 卫星通信系统的分类

在现阶段的卫星通信系统发展过程中，根据相关不同的需要将其分为不同的类别，例如根据通信范围可以分为全球通信卫星、国际卫星通信系统、区域卫星通信系统以及国内卫星通信系统等。而现阶段的主流分类标准是按照通信轨道进行划分。主要包括，低轨道卫星通信系统（LEO），即距地面500—2000Km的卫星构成的通信系统，传输时延和功耗都比较小，但是卫星的覆盖范围也较小，而且低轨系统的系统构成和控制复杂、具有很强的技术性，在建设和使用过程中耗费的资金也很多；然后是中轨道卫星通信系统（MEO），就是距地面2000—20000Km的卫星构成的通信系统，这种系统的延时相比低轨道系统较高，但是覆盖范围比较大，十几颗卫星就能够实现对地球的双重覆盖；最后就是高轨道卫星通信系统（GEO），是指距地面35800km的卫星构成的通信系统，即和地球保持同步静止轨道，三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖[2]，但是其存在较长的传播时延和链路损耗，对通信存在一定的影响。

1.3 航空领域概述

航空领域包括三大部分即：航空制造业、军用航空和、三种，本文着重介绍的是民用航空领域。民用航空包括航空运输与通用航空两大部分。顾名思义，航空运输就是指提供航空客运和货运的两种业务内容，这种行业需要耗费大量的资金，并且需要借助先进的技术，所以一般由大型的企业负责开展，其是交通运输业中的重要组成部分，对国民经济的发展起到很大作用。通用航空则是指某些企业或个人自驾飞机从事的各种活动，也就是指部分爱好者利用小型飞机以及直升机进行的各种飞行业务和活动[3]，主要包括农用播种、灭虫、空中摄影、驾驶员学习飞行、私家飞机等通用航空灵活机动，而且其用途涉及到诸多方面，在发达国家中已是大众飞行的领域，在我国仍处于发展阶段。

2 卫星通信的优势

相较于传统的通信方式来说，卫星通信具有很明显的优势，尤其是在航空领域的发展过程中，传统的通信方式由于覆盖面积和距离的限制，在航空通信中受到了很大的制约，但是通过卫星通信，就能在很大程度上避免地理因素和距离因素的影响，保证通信的效率和质量。

2.1 通信距离远，且不受地理环境的影响

在航空事业的发展过程中，由于飞机的飞行高度一般较高，加上飞行距离较远，就导致相关环境和通信距离对于通信的限制较大。传统的通信方式依赖信号塔进行信号的传递，但是相较于飞机飞行的距离来说，明显有所不足，而且飞机经行的区域很多会经过山地和丘陵，国际间的航空还会经过海洋，就很难进行相关基站的建立。利用专业的通信卫星，就能通过卫星进行信号的传递，最大传输距离可以达到18000千米，这对于航空来说具有明显的优势；而且传统的通信随着距离的增加通信费用也会增加，卫星通信则不会受距离的限制，也不会受到崎岖地形的影响。

2.2 线路稳定，安全性强，承载量很大

在通信事业的发展过程中，由于航空领域业务的特性，传统的通信手段会受到地形、距离以及气候等因素的影响，通信质量上出现问题，影响通信效果。卫星的电磁波主要在大气层外的空间进行信号的传递，相较于复杂的大气层，外部的真空环境较为平稳，所以其在传播过程中不会受到诸如山地、丘陵等地形的影响，安全性很强。现阶段的卫星通信逐步升级，在承载量上也有很大的突破。

3 现阶段卫星通信在航空领域存在的问题

卫星通信虽然具有无与伦比的优势，但是也存在一些问题制约着其功能的发挥。首先就是高纬地区信号覆盖难度大，所以还未实现信号的覆盖；其次就是会受到宇宙现象的影响，如日凌、星蚀以及太阳风暴等，都会对卫星造成不同程度的影响；然后就是信号的延迟问题和回流干扰现象，卫星的信号存在半秒左右的延迟，对于高精度的航空领域来说具有一定的危险性；最后就是花费较大且存在很强的技术难度，无论是发射卫星还是卫星维护，都需要花费大量的资金，而且技术上难度很大[4]。这些问题的存在，一定程度上制约了卫星通信在航空领域的应用。

图1

图2

4 卫星通信系统在航空领域的应用

4.1 卫星通信在民用航空的应用

我国庞大的人口基数对于交通出行有着很大的需求，也由此推动了航空运输的发展，截至2013年，我国的飞行人数已经达到3.8亿人次，而且飞机的数量也将近2500多架，如今的客运量更是已经达到了4.5亿人次，民航客机已经超过三千架[5]。这就需要相关部门加强航空通信能力，保证通信的质量和效率，C波段的卫星通信技术作为我国航空中的常用技术，就具有良好的通信能力。C波卫星通信技术由卫星通信PES与TES组成，是一款中速率的全数字的卫星通信系统。在全国范围内由300多个航空机场卫星地球站串联形成巨大的网络体系，可以实现语音传输、雷达数据传输与检测以及雷达信号的接收工作。我国的C波段的卫星通信网络主要包括地球站、卫星通信转发器以及综合网络控制中心等组成，分布广泛，应用灵活，能够在很大程度上方便航空通信

4.2 卫星通信在通用航空领域的运用

相较于民用航空运输功能较为单一，通用航空领域在功能上就很复杂，且涉及到诸多行业，就是说卫星通信在通用航空方面的应用也较为复杂。在通用航空中，相关企业或者是个人通常将飞机运用在航空摄影、医疗救助、气象探测、空中巡查以及农业方面的农药的喷洒、空中施肥等。所以卫星通信也兼具了多种功能，应用在不同的方面。在航空摄影方面，卫星通信主要应用在信号以及图片的传递，方便相关人员进行路线的规划和拍摄内容的选择；在医疗救助方面，借助卫星实时通信就能实现精准的定位，为空投物资提供目标。现阶段常见的通信技术主要有KU波段的卫星通信技术，该技术相较于传统的C波段的卫星通信技术不仅体积更小，通信更加精准，而且通信的速度明显提升，规避了传统航通通信存在的信号延迟现象。KU波段的卫星通信技术在航空中主要可以应用于多媒体业务的开展、视频可视会议的组织开展以及管制热线服务等多个方面。在现阶段的发展过程中，其性能也在不断地优化改良，KU波段卫星通信技术也成为了空管技术人员的一个新选择，得到了更广泛地使用。

4.3 在航空导航方面的应用

在航空事业的发展过程中，导航技术一直是航空发展的重要构成，良好的导航技术不仅能够合理地规划飞行路线，加快民航的工作效率，还能够及时地解决航空飞行中出现问题之后的紧急降落问题，对航空的发展具有重要帮助。卫星通信技术作为一种通过卫星实时通信的一种技术手段，也就能充分地利用卫星实现实时的导航。两者的结合能够实现四个“国产化”的结合：将国产卫星导航系统、国产卫星导航地基增强系统、国产机载导航系统结合到国产民用大飞机的平台上，为两个事关国计民生的重大专项的融合发展具有里程碑意义。并且正式拉开了国产卫星导航系统在国产民用客机应用的序幕，开辟了国产民机导航系统新纪元。