王彥松 楊亮 李宗陽

0引言

2005年，空中客車公司宣布推出全球首個客艙“無線（Wi-Fi）網(wǎng)絡系統(tǒng)”，借助于“全球星”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)高空上網(wǎng)。2007年，全球首個基于CDMA技術(shù)的地空寬帶系統(tǒng)也隨之問世，借助地面基站信號覆蓋高空航線，從而給飛行中的飛機提供無線接入數(shù)據(jù)帶寬，以實現(xiàn)高空上網(wǎng)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，美國民航客機實現(xiàn)空地互聯(lián)上網(wǎng)的比例達85%，歐洲為50%，而中國國內(nèi)普及率相對較低，截至2020年底，這一比例僅為5.73%。

1機上互聯(lián)網(wǎng)政策和背景

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展以及人民群眾對美好生活的向往，社會公眾對飛機上使用便攜式電子設(shè)備特別是使用手機進行實時通信、社交的需求越來越強烈?；趪H上對相關(guān)技術(shù)的研究和技術(shù)測試，中國民航局于2018年先后修訂以及發(fā)布了CCAR-121部第121.573條款和相應的咨詢通告，為機上開放PED使用提供了法規(guī)依據(jù)和指導，極大促進了國內(nèi)航司、研究機構(gòu)、設(shè)備廠家、運營商等對于機上網(wǎng)絡的投入和發(fā)展。

2019年全國民航工作會議上指出，推進空中接入互聯(lián)網(wǎng)工作取得更大成效，增加能夠提供客艙無線局域網(wǎng)服務和空中接入互聯(lián)網(wǎng)服務的航空器數(shù)量，豐富遠程航線無線網(wǎng)絡服務內(nèi)容。

2021年民航局發(fā)布的“我為群眾辦實事”任務清單中重點提到要推進航空器客艙無線網(wǎng)絡服務。針對航空器無線網(wǎng)絡服務，民航局相關(guān)人士在5月例行新聞發(fā)布會上向媒體表示，目前，飛機上的無線網(wǎng)絡速率相對較慢，主要是受到通信技術(shù)體制限制原因。為解決此問題，民航局將會同國務院有關(guān)部門，通過將傳統(tǒng)衛(wèi)星通信技術(shù)升級為高通量衛(wèi)星通信技術(shù)；結(jié)合5G新基建，通過將空地（ATG）通信系統(tǒng)由4G升級為5G通信技術(shù)，以及優(yōu)化現(xiàn)有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，增強網(wǎng)絡覆蓋三種主要方式，加快推進網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施演進升級，有效提升通信速率。

伴隨著國內(nèi)各種政策以及指導措施的出臺與落地，相應基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速推進，機上互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務迎來了蓬勃發(fā)展。據(jù)《2020年民航業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，截至2020年底，20家航空公司的654架飛機能夠為旅客提供客艙網(wǎng)絡服務，其中，11家航空公司的213架飛機同時具備了空中接入互聯(lián)網(wǎng)能力。相比2019年可提供客艙網(wǎng)絡服務的航司數(shù)量和飛機數(shù)量分別增加了33%和59%；可實現(xiàn)空中接入互聯(lián)網(wǎng)的航司數(shù)量和飛機數(shù)量分別增加了22%和5.4%。

2國內(nèi)航司機上互聯(lián)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)各大航司很早就開始了對機上互聯(lián)解決方案以及相關(guān)生態(tài)運營進行了探索。國航從2011年開始試運營艙內(nèi)無線局域網(wǎng)航班，并在2013年利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)了由“封閉”局域網(wǎng)到外部互聯(lián)網(wǎng)接入的跨越。2014年，東航推出空地互聯(lián)商業(yè)航班，利用亞太6號衛(wèi)星實現(xiàn)空中互聯(lián)網(wǎng)實施接入。同年，南方航、海南航等也都開展了空中衛(wèi)星上網(wǎng)測試飛行或推出過空中互聯(lián)網(wǎng)服務。幾年間，各航司在航空互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域均進行了或多或少的測試和驗證，但限于可提供空中接入互聯(lián)網(wǎng)服務的基礎(chǔ)設(shè)施資源限制以及相關(guān)政策和指導措施不完善，均未能實現(xiàn)規(guī)模化裝機和商業(yè)運行。2018年開始，隨著機上手機開放使用，國內(nèi)各種政策及指導措施的出臺與落地，相應基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速推進，國產(chǎn)高通量衛(wèi)星機上互聯(lián)服務正式商用，5G ATG新基建方案強力出臺，3年間，各航司空中互聯(lián)網(wǎng)項目進入實質(zhì)實施階段。

國航于2018年正式確定了機上網(wǎng)絡項目方案，以提升客戶體驗，增強整體競爭力為目標，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的方案，分步實施艙內(nèi)Wi-Fi 和空地互聯(lián)改裝。2019年3月，北京飛機維修工程有限公司（Ameco）完成國航首架空客A320飛機艙內(nèi)Wi-Fi改裝，并取得CAAC 改裝設(shè)計批準，拉開了機隊改裝序幕。截至2021年3月，Ameco完成了包含空客A320、A330系列，波音777-300ER、737NG系列4個機型在內(nèi)的全部360架飛機改裝。同時，Ameco也啟動了基于中星16的Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)自主加裝方案的準備工作，并于2022年1月完成首架飛機改裝取證工作，此舉填補了國內(nèi)自主加裝衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案的空白，為機隊規(guī)?；难b實施奠定基礎(chǔ)。根據(jù)Ameco的經(jīng)驗，窄體機實施艙內(nèi)Wi-Fi改裝周期約3～5天，寬體機約7～10天；衛(wèi)星通信系統(tǒng)改裝周期約10～15天。

東航自2014年首次推出基于亞太6號衛(wèi)星的空客A330飛機空地互聯(lián)商業(yè)航班以來，陸續(xù)通過線裝引進、改裝等方式擴大其地空互聯(lián)機隊規(guī)模，其寬體機隊大部分飛機都實現(xiàn)了空中上網(wǎng)功能。近幾年，東航在平臺商業(yè)應用、運營管理、提升網(wǎng)絡服務質(zhì)量等方面持續(xù)發(fā)力。2020年12月，東航與中國電信、均瑤集團共同成立了空地互聯(lián)網(wǎng)絡科技股份有限公司，專注于航空互聯(lián)網(wǎng)綜合解決方案。2021年8月底，經(jīng)過對其波音777飛機進行軟硬件升級，并進行了測試飛行，成功地將飛機網(wǎng)絡切換至亞太6D高通量衛(wèi)星，機上上網(wǎng)速度大幅提升，后續(xù)將完成全部地空互聯(lián)飛機的服務升級。

南方航于2014年開始，同樣基于亞太6號衛(wèi)星開展驗證飛行，2016年正式開通互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)航班，并開始進行艙內(nèi)無線局域網(wǎng)測試與裝機，2017年開始規(guī)劃確定新飛機和存量飛機改裝方案，之后對其窄體機艙內(nèi)無線局域網(wǎng)項目進行了項目招標。海南航也是較早開展機上網(wǎng)絡測試與研究的航司，目前有30多架飛機可提供空地互聯(lián)服務。2021年6月與騰訊、多尼卡共同成立了飛享互聯(lián)航空科技有限公司，專注于海航系600多架飛機空中互聯(lián)網(wǎng)運營，并開展了機隊艙內(nèi)無線局域網(wǎng)加裝工作。另外，青島航、山航、川航等航司也紛紛開展機上網(wǎng)絡技術(shù)研究與測試工作。

3 改裝方案研究

典型的機上無線網(wǎng)絡包括兩部分內(nèi)容：一部分是艙內(nèi)無線網(wǎng)絡（Wi-Fi）系統(tǒng)，另一部分是用于實現(xiàn)機上互聯(lián)網(wǎng)接入的地空互聯(lián)系統(tǒng)，如圖1所示。其中，實現(xiàn)地空互聯(lián)的技術(shù)主要有衛(wèi)星通信和空地（Air to Ground，ATG）通信兩種形式。國內(nèi)主要設(shè)備供應商有多尼卡、中電科航電、飛天聯(lián)合等，國外供應商主要有Gogo、Kontron、Astronics、GEE、Viasat、Panasonic、Honeywell等。本文主要對民航飛機上加裝無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的設(shè)計方案和適航審定方案的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，鑒于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的天線在尺寸和重量上均比ATG系統(tǒng)的天線大，加裝方案也較為復雜，本文將予以重點介紹。

3.1 艙內(nèi)Wi-Fi系統(tǒng)

艙內(nèi)Wi-Fi系統(tǒng)主要功能是為飛機客艙提供無線信號服務。典型的艙內(nèi)Wi-Fi系統(tǒng)主要由服務器、無線接入點、控制與維護面板等設(shè)備組成?？团撝械某丝湍芡ㄟ^個人手機、ipad、筆記本電腦等帶有Wi-Fi功能的便攜式電子設(shè)備接入客艙無線局域網(wǎng)，獲得音視頻點播、互動游戲、電子書閱讀等服務。同時，Wi-Fi 系統(tǒng)包括有4G天線，系統(tǒng)在地面具有4G通信功能。飛機在地面時可通過此功能更新小容量數(shù)據(jù)，如下載系統(tǒng)運行信息、常旅客信息、上傳新聞資訊等。

艙內(nèi)Wi-Fi系統(tǒng)需要從飛機端獲取115V交流電源和28V直流電源，獲取離散信號和ARINC 429信號，通過軟件邏輯設(shè)置，如圖2所示，實現(xiàn)系統(tǒng)Wi-Fi信號開啟與關(guān)閉以及4G功能開啟與關(guān)閉的自動控制、PA廣播暫停等控制功能。

3.1.1網(wǎng)絡信號覆蓋測試

客艙內(nèi)Wi-Fi信號的覆蓋范圍和強度直接影響到乘客使用，由于各機型客艙內(nèi)環(huán)境不盡相同，為保障最佳體驗效果，除設(shè)備性能必須符合要求外，設(shè)計上必須合理確定無線接入點的安裝數(shù)量與安裝位置。

首先，根據(jù)單個無線接入點的信號覆蓋范圍、負載能力、客艙區(qū)域劃分，以及客艙內(nèi)隔板、廁所等“障礙物”布局情況確定無線接入點的數(shù)量和初步安裝位置。然后，利用無線信號熱圖測試分析軟件，在機上進行測試。根據(jù)熱圖測試結(jié)果，對無線接入點的位置和方向進行微調(diào)，找到相對最優(yōu)方案。在最終裝機完成后，利用和乘客數(shù)量相當?shù)谋銛y式電子設(shè)備接入無線網(wǎng)絡，進行負載壓力測試，如圖3所示，對系統(tǒng)性能進行全面驗證。

3.1.2 在飛機上使用2.4GHz & 5GHz頻段的無線發(fā)射便攜式電子設(shè)備（T-PED）影響分析

根據(jù)中國民用航空規(guī)章CCAR-121.573條便攜式電子設(shè)備（PED）的條款規(guī)定、咨詢通告AC-121-FS-2018-129機上便攜式電子設(shè)備（PED）使用評估指南的總政策要求，以及CCAR-25部適航審定的相關(guān)要求，在飛機上加裝和使用無線網(wǎng)絡，需要從以下兩個方面評估對飛機的影響：無線網(wǎng)絡系統(tǒng)對規(guī)章要求的必須的飛機系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾；便攜式電子設(shè)備的有意輻射或無意輻射對飛機系統(tǒng)的不利影響。

針對便攜式電子設(shè)備的有意輻射或無意輻射對飛機系統(tǒng)的不利影響，參考EASA Certification Memorandum CMES-003中要求，若加裝的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)限制為在除II類和III類進近和著陸及低能見度起飛以外的飛行階段使用，則僅需評估飛機對便攜式電子設(shè)備的有意輻射的容忍度，無需評估飛機對便攜式電子設(shè)備的無意輻射的容忍度。由于在運行中對無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的使用階段進行了限制，故只需要評估飛機對便攜式電子設(shè)備的有意輻射的容忍度。

EASA Certification Memorandum CM-ES-003中指出，驗證飛機對便攜式電子設(shè)備的有意輻射容忍有兩種方式：滿足EUROCAE ED-239/RTCA DO-307A Section 3要求或滿足EUROCAE ED-130A/RTCA DO-363 Section 6要求。

RTCA DO-363“機上移動電子設(shè)備使用指導”的相關(guān)分析流程圖如圖4所示。

根據(jù)分析流程，如果飛機滿足FULL HIRF要求，則滿足RTCA DO-363 Section 6要求，即滿足EASA Certification Memorandum CM-ES-003中飛機對便攜式電子設(shè)備的有意輻射容忍度的要求。如飛機不滿足FULL HIRF的要求，則需要按照流程進行進一步分析。

首先進行獨立系統(tǒng)評估，并對評估確定的系統(tǒng)進行飛機安全評估，評估現(xiàn)有的分析或測試數(shù)據(jù)。依據(jù)飛機不同等級設(shè)備及其安裝位置，根據(jù)OEM廠家規(guī)范要求確定其電磁抗擾性水平，結(jié)合飛機T-PED干擾場強，計算其受到 T-PED干擾的安全裕度，并篩選出不符合滿足要求的設(shè)備，通過進一步的分析，篩選出有關(guān)安全影響的設(shè)備且OEM廠家未對其進行T-PED兼容性評估的設(shè)備，即最終確定須在飛機上進行T-PED電磁兼容性測試的設(shè)備。

按照RTCA DO 363中要求，使用發(fā)射模擬器進行T-PED電磁防護機上試驗以驗證飛機對便攜式電子設(shè)備有意輻射的容忍度。

3.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要功能是為飛機提供外部數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)接入。典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)由機身天線（FMA）、變頻高功率放大器（BUC-HPA）、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)組件（KANDU）、調(diào)制解調(diào)器（MODMAN）、飛機構(gòu)型模塊（APM）等設(shè)備組成，如圖5所示。

3.2.1工作原理

需求端輸入的信息經(jīng)過處理和編碼后，進入調(diào)制解調(diào)器對載波（中頻）進行調(diào)制；調(diào)制后的中頻信號經(jīng)過變頻高功率放大器，將頻率變換至所需求的上行射頻頻率，并進行放大；經(jīng)放大的信號饋送至機身天線發(fā)往衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對所接受的上行信號提供足夠的增益，還將上行頻率變換為下行頻率，之后衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線將信號經(jīng)下行鏈路送至接受地球站，從而實現(xiàn)空地數(shù)據(jù)通信。

3.2.2安裝方案

衛(wèi)星通信系統(tǒng)機載設(shè)備從安裝位置和安裝環(huán)境角度，可分為艙內(nèi)設(shè)備和艙外設(shè)備。艙內(nèi)安裝的設(shè)備包括網(wǎng)絡數(shù)據(jù)組件、調(diào)制解調(diào)器、飛機構(gòu)型模塊。艙外設(shè)備為機身天線和變頻高功率放大器。

系統(tǒng)設(shè)計方案：從飛機端取115V 400Hz交流電和28V直流電為系統(tǒng)設(shè)備提供電源與控制，通過ARINC429數(shù)據(jù)獲取飛機的位置、時間等信息，獲取飛機離散信號（空地信號），通過軟件邏輯，利用從飛機端獲取的信號實現(xiàn)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)射頻信號發(fā)射自動控制。

結(jié)構(gòu)安裝方案：機身天線將安裝在機身頂部，安裝部件包括天線罩、轉(zhuǎn)接托盤、接頭、裙邊。變頻高功率放大器和機身天線將安裝在天線罩內(nèi)部的安裝托盤上，如圖6所示。為符合強度要求，需要對天線安裝位置飛機結(jié)構(gòu)進行加強，設(shè)計短梁和接頭。由于機身天線需要和艙內(nèi)設(shè)備進行電氣連接，需要在機身蒙皮開口，設(shè)計補片對蒙皮開口處進行加強。適航審定方面需要對氣動分析、防冰、重量重心限制、穩(wěn)定性、機動性和操縱性、氣動彈性等關(guān)鍵問題進行驗證。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)航空互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策已經(jīng)開放，機載設(shè)備、安裝方案和適航審定技術(shù)日趨成熟，但普及率仍然較低。筆者認為主要有以下兩方面的原因：網(wǎng)絡方面，利用衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡帶寬有限，網(wǎng)速較慢，成本較高；相對衛(wèi)星通信技術(shù)，空地通信（ATG）具有帶寬、成本等諸多優(yōu)勢，但目前國內(nèi)5G ATG網(wǎng)絡仍處在試驗階段，尚未啟動全國建設(shè)。初次加改裝以及后續(xù)運行成本較高，尚無清晰的商業(yè)模式，加之疫情影響，大部分航司在機上網(wǎng)絡部署上仍處于觀望和探索階段，無明確規(guī)模化實施計劃。但在民航局的大力推動下，無論是空地互聯(lián)網(wǎng)絡還是商業(yè)生態(tài)方面均取得了積極進展。亞太6D高通量Ku衛(wèi)星成功發(fā)射并開始提供服務，衛(wèi)星上網(wǎng)體驗大幅提升；5G ATG納入中國民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖，電信運營商開始啟動審批和基站建設(shè)規(guī)劃，網(wǎng)絡建成后將進一步提升空地通信帶寬，大大降低運行流量成本；中國衛(wèi)通、中國電信、東航、海南航、騰訊等紛紛成立航空互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務公司，積極開展商業(yè)模式和運營探索，并取得可喜進展。中國民航有3700多架客運飛機，民眾對美好飛行體驗需求強烈，市場潛力巨大，相信在民航局的引導和各產(chǎn)業(yè)鏈大力協(xié)作下，國內(nèi)航空互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)必將迎來蓬勃發(fā)展。

參考文獻

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[3] RTCA DO-363 Guidance for the Development of Portable Electronic Devices （PED） Tolerance for Civil Aircraft[Z]. RTCA， Inc.， 2016-12.

作者簡介

王彥松，工程師，主要從事民用飛機客艙改裝電子電氣系統(tǒng)設(shè)計和適航審定。

楊亮，高級工程師，主要從事發(fā)動機和機隊運行管理。

李宗陽，主要從事飛機客艙產(chǎn)品市場營銷與客戶服務。

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