相控陣天線在民航飛機(jī)衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李志明 覃金平 陳祥 吳飛

摘要：本項(xiàng)目以民航飛機(jī)對(duì)高速、寬帶、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需求為導(dǎo)向，開展基于相控陣天線的民航飛機(jī)寬帶衛(wèi)星通信上網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用需求分析和機(jī)載寬帶衛(wèi)通系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，突破機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備及相控陣天線關(guān)鍵技術(shù)、適航取證，實(shí)現(xiàn)機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備及天線國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)典型民航應(yīng)用示范，為基于相控陣天線的民航飛機(jī)寬帶衛(wèi)星通信上網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)在民航領(lǐng)域的大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；相控陣天線；衛(wèi)星寬帶通信

Keywords：aircraft； phased array antenna； satellite broadband communication

0引言

隨著我國(guó)民用航空運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，航空公司對(duì)基于寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的飛機(jī)健康管理、飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及乘客寬帶通信等上網(wǎng)應(yīng)用需求日益迫切。如何實(shí)現(xiàn)基于我國(guó)自主衛(wèi)星的民機(jī)機(jī)載寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化并實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信在民用航空領(lǐng)域的推廣應(yīng)用及商業(yè)化運(yùn)營(yíng)是我們必須面對(duì)和解決的問題。然而，我國(guó)目前民航寬帶衛(wèi)星通信應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及設(shè)備等基本依賴國(guó)外。提升我國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平及自主配套能力、有效保障國(guó)家航空信息傳輸安全、推動(dòng)我國(guó)民航運(yùn)輸業(yè)進(jìn)一步發(fā)展、具備我國(guó)自主可控民機(jī)寬帶衛(wèi)星通信能力、確保我國(guó)航空信息傳輸安全，是我國(guó)從航空大國(guó)向航空強(qiáng)國(guó)發(fā)展的必然選擇。

1 項(xiàng)目意義

2021年4月，中國(guó)民用航空局發(fā)布了《中國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖》，其中提到將重點(diǎn)發(fā)展“新一代航空寬帶通信技術(shù)”。 該路線圖制定依托中國(guó)民用航空局正在組織編制的民航“十四五”發(fā)展規(guī)劃，將新基建作為“十四五”民航發(fā)展的重要抓手，使得未來新一代航空寬帶通信技術(shù)成為促進(jìn)民航業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、賦能“智慧民航”的核心技術(shù)。

基于我國(guó)自主衛(wèi)星系統(tǒng)的民航寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)迎來前所未有的市場(chǎng)契機(jī)和發(fā)展機(jī)遇。本項(xiàng)目基于我國(guó)自主研制的相控陣天線寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，開展自主可控的機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及設(shè)備研制，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)健康數(shù)據(jù)及客艙寬帶數(shù)據(jù)的高速、可靠、實(shí)時(shí)傳輸，提高飛機(jī)飛行安全，提高飛機(jī)派遣率和運(yùn)營(yíng)效率、飛行狀態(tài)監(jiān)控及健康管理能力，提高旅客的乘機(jī)體驗(yàn)?？傊_展基于相控陣天線機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)研究，對(duì)于整體提升我國(guó)民機(jī)自主寬帶衛(wèi)星通信能力，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，逐步擺脫受制于人的局面，推進(jìn)我國(guó)航電產(chǎn)業(yè)發(fā)展、振興我國(guó)航空工業(yè)、實(shí)現(xiàn)我國(guó)的航空強(qiáng)國(guó)夢(mèng)具有重要意義。

2 可行性分析

目前國(guó)際上廣泛采用的客艙衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)都是基于機(jī)械式天線，技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性都不是很好。

從趨勢(shì)上來看，系統(tǒng)呈現(xiàn)集成化、小型化及低成本化發(fā)展趨勢(shì)；機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信天線將逐漸向平面化、輕量化、低成本、高效率方向發(fā)展，以有源相控陣天線、可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列VICTS天線和液晶超材料天線為代表的低剖天線將成為機(jī)載衛(wèi)通天線的主流發(fā)展方向。

國(guó)外在傳統(tǒng)機(jī)械天線方面具有全面豐富的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。相控陣天線方面，電科航電走在世界前列，申請(qǐng)了機(jī)載相控陣天線系統(tǒng)與算法方面多個(gè)專利，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，避免了卡脖子風(fēng)險(xiǎn)。

南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)由于強(qiáng)大的飛機(jī)改裝方案設(shè)計(jì)能力和豐富的飛機(jī)改裝實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，完成了多架飛機(jī)的客艙局域網(wǎng)和上網(wǎng)系統(tǒng)的加改裝工作，能夠設(shè)計(jì)并實(shí)施各種復(fù)雜的飛機(jī)改裝并實(shí)施。

基于南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)需求，電科航電公司利用自身在飛機(jī)通信導(dǎo)航設(shè)備方面的專業(yè)技術(shù)背景，針對(duì)相控陣天線在民航飛機(jī)上網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用開展了研制工作。

3 設(shè)備研發(fā)

該項(xiàng)目主要完成了相控天線設(shè)備研發(fā)、飛機(jī)改裝和上網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用研究。

設(shè)備研發(fā)方面，機(jī)載寬帶衛(wèi)通天線是機(jī)載寬帶衛(wèi)通系統(tǒng)的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)電磁波的輻射和接收。本項(xiàng)目針對(duì)中星十六寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開展機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信相控陣天線研制，該相控陣天線系統(tǒng)主要由發(fā)射天線和接收天線構(gòu)成，如圖1所示。

如圖1所示，機(jī)載衛(wèi)通相控陣發(fā)射天線利用電控相掃方式，將若干個(gè)帶有獨(dú)立通道的天線單元組成平面陣列。利用多通道的合成波束快速掃描，以滿足高速機(jī)動(dòng)平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的衛(wèi)星通信需求。相控陣發(fā)射天線的工作過程為：當(dāng)設(shè)備加電后，天線DC/DC電源模塊對(duì)天線各有源模塊供電；工作時(shí)，由調(diào)制解調(diào)單元送給天線的中頻信號(hào)經(jīng)過上變頻之后，進(jìn)入波束形成網(wǎng)絡(luò)，完成第一級(jí)路功分，再由T組件完子陣級(jí)二級(jí)功分，將信號(hào)送入T組件的多個(gè)射頻通道，經(jīng)過移相、放大后，最后饋入天線單元，并向空間輻射，在預(yù)定方向形成波束，完成對(duì)衛(wèi)星上行鏈路的建立；反向鏈路與前述過程類似，天線接收信號(hào)經(jīng)移相、合成、放大后，形成中頻信號(hào)傳輸至調(diào)制解調(diào)單元。調(diào)制解調(diào)單元實(shí)現(xiàn)中頻-基帶變換、調(diào)制解調(diào)、編解碼、協(xié)議處理、接口與數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)監(jiān)控代理等功能。

通過系統(tǒng)研發(fā)和優(yōu)化，機(jī)載衛(wèi)通相控陣天線除了實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信功能外，還將實(shí)現(xiàn)如下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)極短的天線切換時(shí)間（<100ms），并且能夠兼容高軌/低軌衛(wèi)星；

（2）天線具備極低剖面；

（3）安裝總重量相比機(jī)械天線明顯減輕；

（4）相比機(jī)械天線，大量減少風(fēng)阻；

另外，為了利用KA衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面的寬帶空地通訊功能，并滿足飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)的特性，以及實(shí)現(xiàn)大量旅客同時(shí)高速上網(wǎng)的需求，本項(xiàng)目研制的機(jī)載衛(wèi)通相控陣天線將具備如下的技術(shù)特性：

（1）工作頻段為Ka頻段：發(fā)射頻率為9.46GHz～30.0GHz，接收頻率18.7GHz～20.2GHz。

（2）終端可支持的最大工作速率：≥ 100mbps。

（3）可支持的最大飛行速度（對(duì)地速度）：1200km/h；

4 飛機(jī)改裝

4.1改裝方案設(shè)計(jì)

基于南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)強(qiáng)大的改裝設(shè)計(jì)能力，南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)將根據(jù)相控陣天線的KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，以及設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)飛機(jī)的改裝方案。設(shè)計(jì)的改裝方案，需要滿足局方的適航審定要求，包括如下方面的研究。

（1）基于相控陣天線的KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)安裝位置；

（2）KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備安裝位置；

（3）系統(tǒng)服務(wù)器以及客艙無線接入點(diǎn)設(shè)備安裝位置；

（4）系統(tǒng)線路走向；

（5）飛機(jī)結(jié)構(gòu)改裝；

（6）基于相控陣天線的KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)與飛機(jī)系統(tǒng)之間的相互干擾；

（7）旅客便攜式設(shè)備對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的影響。

最終的改裝方案將報(bào)局方審批并取得局方對(duì)改裝方案的STC批準(zhǔn)。

4.2改裝實(shí)施

南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)擁有非常豐富的飛機(jī)各類改裝實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，完成了多架飛機(jī)的客艙局域網(wǎng)和上網(wǎng)系統(tǒng)的加改裝工作。在取得局方認(rèn)可的基礎(chǔ)上，南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)出改裝方案后，將派出改裝經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員根據(jù)改裝方案進(jìn)行飛機(jī)改裝。這個(gè)改裝項(xiàng)目將涉及如下方面的內(nèi)容：

（1）飛機(jī)上部蒙皮的結(jié)構(gòu)改裝；

（2）安裝KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)天線；

（3）安裝KA衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備；

（4）安裝系統(tǒng)服務(wù)器以及客艙無線接入點(diǎn)設(shè)備；

（5）安裝系統(tǒng)電源跳開關(guān)；

（6）安裝系統(tǒng)控制開關(guān)以及維護(hù)接入口；

（7）安裝電壓和系統(tǒng)導(dǎo)線；

（8）進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試以及電磁干擾測(cè)試；

（9）進(jìn)行必要的T-PED測(cè)試。

在改裝過程中，將要對(duì)改裝涉及的區(qū)域進(jìn)行大量設(shè)備的拆裝以接近改裝區(qū)域，而且改裝過程中可能遇到飛機(jī)實(shí)際構(gòu)型與改裝方案不完全一致之處，及時(shí)將改裝現(xiàn)場(chǎng)遇到的問題反饋給方案設(shè)計(jì)工程師，確保及時(shí)對(duì)改裝方案進(jìn)行修訂。

4.3改裝包的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)

南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)擁有豐富的模型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和部件取證能力，擁有上萬件自制PMA產(chǎn)品，完備的機(jī)上客艙局域網(wǎng)和上網(wǎng)系統(tǒng)的加改裝工作經(jīng)驗(yàn)。在完成飛機(jī)改裝方案設(shè)計(jì)后，南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)將根據(jù)改裝方案設(shè)計(jì)出飛機(jī)改裝所需的改裝包，并進(jìn)行改裝包的生產(chǎn)。在改裝過程中，如遇到飛機(jī)實(shí)際構(gòu)型與改裝包不完全一致之處，可及時(shí)反饋給改裝包設(shè)計(jì)工程師，以及時(shí)對(duì)改裝包的設(shè)計(jì)進(jìn)行修訂，并迅速生產(chǎn)所需改裝材料。

5 應(yīng)用分析

5.1 應(yīng)用接口及機(jī)型范圍

基于機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信相控陣天線系統(tǒng)能夠滿足面向機(jī)組、乘客、空管、機(jī)務(wù)、航空公司的應(yīng)用需求，機(jī)載應(yīng)用接口如圖2所示。

如圖3所示，面向空管和機(jī)組（飛行員）的應(yīng)用主要與駕駛艙交聯(lián)，且安全級(jí)別較高；面向機(jī)組（乘務(wù)員）和乘客的應(yīng)用主要與客艙系統(tǒng)交聯(lián)；面向機(jī)務(wù)和航空公司的應(yīng)用主要與其他飛機(jī)系統(tǒng)交聯(lián)。這些應(yīng)用的交互數(shù)據(jù)通過機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送到衛(wèi)星，經(jīng)由衛(wèi)星關(guān)口站傳輸?shù)降孛婀W(wǎng)和專網(wǎng)。

先進(jìn)性方面，通過本項(xiàng)目研發(fā)，突破機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備及天線相關(guān)行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、適應(yīng)機(jī)載條件下的傳輸體制、針對(duì)機(jī)載平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)下的波束切換等關(guān)鍵技術(shù)，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載寬帶衛(wèi)星相控陣天線系統(tǒng)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化研制，搭建系統(tǒng)集成測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境完成系統(tǒng)集成測(cè)試和演示驗(yàn)證，提升我國(guó)機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備及天線自主研發(fā)和綜合集成能力。本項(xiàng)目成果未來可應(yīng)用于波音空客飛機(jī)的后改裝方面，同時(shí)在我國(guó)遠(yuǎn)程寬體客機(jī)、C919改、ARJ21改等機(jī)型，創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5.2 實(shí)現(xiàn)空地互聯(lián)

飛機(jī)上安裝基于相控陣天線的衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)后，將可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面的空地通信，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面互聯(lián)網(wǎng)以及專有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。飛機(jī)上對(duì)于空地互聯(lián)的應(yīng)用主要分為后艙應(yīng)用和前艙應(yīng)用。

后艙應(yīng)用主要是滿足飛行航班旅客訪問互聯(lián)網(wǎng)的需求，在實(shí)現(xiàn)飛機(jī)可接入互聯(lián)網(wǎng)后，旅客將可以使用個(gè)人設(shè)備（如

電腦、手機(jī)、平板等）接入互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)基于相控陣天線上網(wǎng)系統(tǒng)提供的高帶寬互聯(lián)網(wǎng)連接能力，旅客可以在飛行航班上實(shí)現(xiàn)與地面的即時(shí)通訊、參加遠(yuǎn)程會(huì)議、參與網(wǎng)絡(luò)游戲、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、瀏覽網(wǎng)絡(luò)視頻等活動(dòng)。提升客戶體驗(yàn)和上座率，滿足乘客對(duì)“美好飛行”的期望，有效增強(qiáng)高端客戶粘性和航空公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

而前艙應(yīng)用是指在滿足局方安全規(guī)定的前提下，飛機(jī)空地連接之后，還可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)前艙與地面的數(shù)據(jù)和語音通信，如飛行氣象情報(bào)更新、航線通告實(shí)時(shí)更新、飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)跟蹤、飛機(jī)位置跟蹤、飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)以及空地聯(lián)合決策、飛機(jī)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳、VoIP通話等。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目基于電科航電公司的設(shè)備研發(fā)能力和南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)的飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)與實(shí)施能力，開發(fā)了在飛機(jī)上安裝使用基于相控陣天線的衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將飛機(jī)與地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并依據(jù)其提供的高帶寬連接，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)前艙與后艙豐富的應(yīng)用。開展基于相控陣天線機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)研究，對(duì)于整體提升我國(guó)民機(jī)自主寬帶衛(wèi)星通信能力，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，逐步擺脫受制于人的局面，推進(jìn)我國(guó)航電產(chǎn)業(yè)發(fā)展、振興我國(guó)航空工業(yè)、實(shí)現(xiàn)我國(guó)的航空強(qiáng)國(guó)夢(mèng)具有重要意義。