宽带卫星通信技术在智慧客舱中的应用

文 | 赵文强 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心

一、引言

智慧客舱是集通信、人工智能、大数据和人机工程学的复杂工程，客舱智能化是未来民用飞机客舱设计的核心。“互联网+”时代，航空公司基于互联网的商业模式正在发生改变，智慧客舱将是最好的降低成本和扩展增值的服务，将给航空公司带来全新的商业模式。未来飞行不仅要具备乘客、乘组、智能终端设备与飞机客舱四者之间的信息交互能力，还要实现飞机和地面通信网络之间的高速互联。因此，针对宽带通信技术在智慧客舱中的应用研究具有重要的意义。

二、客舱宽带通信技术概述

目前，客舱宽带通信实现方式主要有两种，如图1所示：一种是基于4G/5G技术的ATG通信技术，该技术是在陆地航线上部署地面基站，实现飞机与地面基站之间的高速互联；另一种是卫星宽带接入技术，可以实现跨洋跨洲的宽带服务功能，信号范围可以覆盖到非常偏远的地区。从覆盖范围和稳定性来看，卫星通信技术优势明显，卫星通信可以满足全天候全天时且不受地域限制的通信需求。

图1 航空宽带通信的两种实现方式

航空互联网作为卫星通信的重要应用场景，有着广阔的发展前景。国外尤其是欧美区域航空互联市场是客舱卫星通信发展最早也是最为成熟的市场，美联航、德国汉莎航空公司、美国西南航空等大型航空公司在欧洲、北美和亚洲等众多航线上提供基于Ku频段静止轨道卫星的机载宽带通信服务，Gogo公司在2016 年开始提供Ka频段服务。相比国外，中国航空公司加装宽带卫星通信设备的速度存在一定的差距，但是势头也非常迅猛。东方航空公司和南方航空公司已经在部分宽体客机上加装了机载卫星通信系统，青岛航空公司在2020年7月完成了基于中星16号的首次验证飞行[1]。从目前来看，各大航空公司已经充分意识到加装宽带卫星通信系统的重要性，并且随着未来高通量卫星、低轨卫星和空天地一体化网络的快速发展，基于宽带卫星的空地信息传输能提供充足的带宽资源，是未来全球航空应用发展的重要技术支撑。

三、卫星通信技术赋能客舱智能化发展

民机客舱存在大量的空地宽带传输需求，宽带卫星通信系统具备满足客舱宽带通信需求的独特潜力，除本身不受各种自然灾害的影响，可进行全天候、全天时通信的特点之外，还具有地域广、速率高、服务类型丰富的特点，具体特点如下：

1）覆盖地域广：卫星通信系统的覆盖范围能达到全球覆盖，涵盖了陆基通信系统如VHF、HF和ATG等无法覆盖的区域。

2）通信速率高：宽带卫星通信的速度可达每秒数十兆甚至百兆，能为航空运管提供话音和大流量数据通信业务，可以满足智慧客舱的数据传输需求。

3）服务类型丰富：高通量卫星通信系统支持IPv4和IPv6协议，具备接入互联网和ATN/IPS网络能力，从而实现与现有的航空数据链和互联网的融合，在满足乘客上网需求的同时也可实现航司运营数据和飞机健康数据的实时传输。

除此之外，宽带卫星通信技术还可以与人工智能技术、物联网技术、边缘计算技术以及大数据技术结合，为客舱提供丰富的航空信息化服务，真正让乘客体验到机上地面无差异化的网络服务。借助这些先进技术，客舱将更加智能、更加舒适和更加安全，主要体现在：

1）传统的环控系统将向综合感知与控制系统转变，通过温湿度传感器、烟雾报警器、可燃气报警器等智能传感器，为智慧客舱提供实时环境检测，乘组和航空公司可更加方便了解客舱环境，同时也能实现客舱环境智能控制，带给乘客一个更加舒适的飞行环境。

2）物联网技术在客舱中得以应用：利用物联网技术，实现客舱中智能设备（如座椅、舷窗、椅背显示屏、行李架等）和乘客可穿戴式智能设备（如手环、智能手表、智能旅行箱等）相连接，方便乘客放置和拿取行李。同时也可通过人脸识别和智能AR眼镜的实时拍摄功能，完成乘客登机计数、信息核对、VIP服务、行为监测等功能。

3）客舱娱乐将更加丰富：智慧客舱为乘客带来更加流畅的上网体验，满足乘客的互联网接入需求，还可根据乘客喜好推送相应的服务，使乘客在出行过程中具备和地面一样的上网体验。

四、智慧客舱宽带卫星通信系统架构及组成

智慧客舱宽带卫星通信技术利用卫星作为通信中继，实现飞机-卫星-地面用户之间的网络通信。机载宽带卫星通信系统主要由智慧客舱无线接入子系统、卫星传输子系统、地面网络子系统三部分组成，如图2所示，用于完成机上个人移动终端和客舱智能终端与地面通信网络和设备的互联互通，实现话音、数据、多媒体等通信业务。各子系统组成和功能如下：

图2 机载宽带卫星通信系统基本组成框图

1）智慧客舱无线接入子系统：包括多制式微型基站、交换控制设备、乘客移动终端、客舱智能终端等设备，主要完成手机、平板等乘客移动终端的类型识别与空口对接、移动终端的接入识别和鉴权认证、机上移动终端的业务请求和实现、终端用户数据存储和计费管理，完成与卫星传输链路、地面网络子系统的信号转接和信息交互。

· 乘客移动终端：指乘客随身携带的支持地面移动通信的手机、平板电脑、便携电脑等通信设备，支持机上互联网的接入；

· 客舱智能终端：包括客舱视频监控设备、客舱娱乐设备、座椅压力传感器以及各种温度、湿度、压力和风量等智能监控传感器，可以完成对乘客的身份认证、登机指引、机上娱乐以及客舱安全监控等功能；

· 多制式微型基站：能够提供2G/3G/4G/LTE/5G/WLAN（WiFi）等不同通信体制的无线信号接入的小型基站，用以完成在飞机上对乘客移动终端的无线信号识别、空口对接和信息交互，提供话音、短信、多媒体等通信服务；

· 交换控制设备：包括处理器、存储器、服务器等设备，用以完成手机等乘客移动终端和客舱智能终端接入宽带卫星通信所需的设备识别、鉴权认证、IP地址动态分配、路由、流量和带宽控制、计费管理以及机载宽带卫星通信设备与机载基站之间的信号转接与控制等功能。

2）卫星传输子系统：包括机载宽带卫星通信设备、通信卫星、地面信关站，为飞机提供接入地面通信网络的空中无线链路支持，实现在国内/国际航线上的全天候全天时的无线信号接入。

3）地面网络子系统：包括地面数据传输网络、用户数据存储设备、信息处理与配置单元、计费管理设备和网关等设备，在航空旅客宽带卫星通信中提供移动终端与地面通信网的网关接入、信息处理配置服务、位置登记、用户数据管理和计费管理等功能。

五、智慧客舱宽带通信应用场景

智慧客舱相比于传统的客舱服务会引入更多的电子化服务，为乘组提供高效、易用、好用的设备，为乘客提供愉悦、惊喜、沉浸式的飞行体验[2]。未来全球互联网覆盖将由地面发展至空天地一体化信息网络。届时，民航出行将与互联网深度融合。在这种背景下，智慧客舱的应用将成为现实。未来智慧客舱通过集成化的“神经网络”，在乘客和飞机之间建立一个智能化的互动界面，可以实时感知乘客需求并对乘客的需求做出响应，给乘客带来不同层次的定制化飞行体验，乘客可以在飞机上线上办公，也可以享受网上冲浪的乐趣。总之，宽带卫星通信系统不仅可以为乘客提供宽带互联网接入服务，还能提升航班飞行效率，提升智慧客舱舒适性、便捷性和安全性，具体应用场景如下。

1）提供旅客服务推送应用：通过卫星互联网空地链路，配合地面的云计算服务器，对乘客的个人信息、生活习惯、出行信息、行为模式等进行分析，经过人工智能和大数据学习后，为旅客提供智能推送服务，方便乘务员为乘客提供潜在需求推送服务，提升乘客的飞行体验和对航空公司的满意度。

2）提供客舱物联网服务：通过在客舱内部署智能无线物联网硬件设备，可以和乘客的穿戴设备（包括手环、智能手表、智能旅行箱等）进行连接，实现对乘客健康的监控、出行信息的获取，再利用宽带卫星通信业务将客舱物联网与互联网相连接，提供乘客全出行周期的数据服务，真正的实现智慧出行。

3）提高飞机的维修预见性：基于宽带卫星的通信网络，实时获取飞机的健康数据，提高系统、设备的维修预见性，从而减轻航线维护工作，缩短维修准备时间。

4）乘客紧急医疗：利用高通量卫星通信技术助力乘客紧急医疗，能够支持远程高清会诊和医学影像数据的高速传输与共享，并让地面专家能随时随地开展会诊和提供诊疗意见和救护指导，对于进一步提高保障机上乘客生命安全能力具有重要意义。

5）客舱安全监控：智慧客舱系统将人、设备以及客舱环境融合成统一的整体，从中提取有用信息，针对乘客的异构数据进行辨识和建模，利用人工智能、人脸识别等多种专业技术，对乘客人脸识别监控，对旅客身份、行为等特征进行预测和推理，发现乘客中的危险行为，遇到劫机危险和紧急情况，乘务和机组人员通过宽带卫星通信系统第一时间和地面联系，提高应急响应速度，提升客舱安全性，保障乘客生命安全和飞机飞行安全。

6）客舱环控信息实时监控：环控系统是现代飞机必不可少的保障系统，其作用是保证飞机机舱内的空气温度、压力、流量、湿度、气流速度和清洁度等参数控制在合理范围内，确保机上人员的安全舒适以及机载电子设备正常工作。利用宽带卫星通信系统将前端传感器数据下传到航司的地面服务器，实现对智慧客舱环境、消防安全情况的实时监控，保障飞行安全。

六、面临的问题

1.网络安保问题

宽带卫星通信技术在智慧客舱中的应用虽然满足了飞机在飞行过程中和地面间进行大量数据的信息交互需求，但是智慧客舱网络是一个建立于多种网络之上的运营网络，用户数据可能穿越各种接入网络及不同厂商提供的网络功能实体，可能会导致飞机的安全信息和用户隐私数据散布在网络的各个角落。因此，宽带卫星通信技术在智慧客舱中的应用必须全面考虑数据在各种接入技术以及不同运营网络中穿越时所面临的网络安全风险，需要制定周全的机载网络安保策略和乘客隐私防护策略，保障飞机的飞行安全和乘客信息安全。

2.商业运营问题

宽带卫星通信技术的高速、稳定和安全是其在智慧客舱成功应用的根本，但是乘客和航空公司愿意用、用得起、用得满意才是宽带卫星通信技术快速发展和成功商业运营的原始动力。因此，客舱宽带卫星网络商业化服务的一个关键是解决流量费用高的问题，这需要卫星网络运营商、航空公司、机载设备供应商以及内容运营商等多方协同努力，创新商业模式，扩展利润空间，才能促进机载宽带卫星通信技术在智慧客舱中成功应用，保证客舱宽带卫星通信产业持续健康发展。

七、总结

随着高通量卫星和低轨卫星通信的快速部署，宽带卫星通信技术将在民航中应用越来越广泛。宽带卫星通信系统具备的高带宽和广覆盖特点，可以为未来智慧客舱带来广泛的应用场景，将彻底打破机上信息孤岛局面，实现智慧客舱丰富的信息化服务，增强飞机的飞行安全，带给乘客舒适的飞行体验，同时宽带卫星通信技术也面临着网络安保和运营问题亟待解决。