如何减少航班失联事件发生？这颗卫星或给飞机“永不失联的爱”
北航空事卫星一号卫星 天仪研究院供图
记者 朱晨曦 郭超凯
马航MH370客机事件让国际对飞机失联高度关注。如何让地面更便捷地实时获知飞机动态、减少失联事件发生？中国自主研发的北航空事卫星一号卫星或可派上用场；该卫星搭载的星基ADS-B载荷监视性能初步满足空管运行需求，达到国内领先、国际先进水平，填补了我国面向空管应用的星基航空监视技术的空白。
这颗卫星是如何工作的？对减少或解决飞机失联有何帮助？记者近日就此进行采访。
空中交通管制的“前世今生”
自飞机诞生以来，如何保障飞行安全、降低飞机空中失事概率便成为老生常谈的话题。2014年马航MH370客机失联事件，促使国际社会高度关注如何追踪一架飞机，切实保障飞机在空中“看得见、听得到、管得住”，也让空中交通管制技术再次进入众人视野。
在相当长一段时间里，人们对飞机的监控主要依靠雷达，但雷达覆盖范围一般为从海岸向外延伸350公里左右。这意味着，当飞机在跨海飞行或者在偏远地区飞行时，由于信号覆盖不到而无法被地面控制中心掌控精确位置和实际运行状态。一旦发生意外情况，定位和搜救将十分困难。
在地球上，这些“监视盲区”多位于海域、极地、山区和荒漠等——它们占据了地球80%以上的面积。因此，只有覆盖范围广、可靠性高的卫星才能彻底解决航空器全球监视问题。飞机通信寻址与报告系统(ACARS)在此基础上应运而生，该通信系统可以在航空器和地面用户之间通过甚高频、高频或卫星数据链传输报文，实时掌握飞机的空中情况。
不过，相比ACARS技术，广播式自动相关监视(ADS-B)具有更强的实时数据传输能力。随着航天技术的成熟与商业小卫星的成本降低，采用星基手段开展空管应用逐渐具备了可行性。未来，星基ADS-B卫星系统将有效解决陆基地面站覆盖能力不足的问题，成为空管系统的重要组成部分。
马航MH370客机事件暴露出空管领域缺乏全球航班跟踪能力，事件发生后，国际民航组织(ICAO)推出了“全球航空遇险与安全系统”(GADSS)的标准，规定“飞机每15分钟需要报告一次飞机所在位置和状态”，也就是说飞机的追踪间隔为15分钟，同时“要求2021年1月1日(含)之后首次颁发单机适航证的所有最大起飞质量超过27000千克的飞机，在遇险时应以每分钟至少一次的速率自主传输位置信息”，而星基ADS-B系统是实现该标准的最有效可行的手段。这直接促使了国内外科研人员加快对星基ADS-B载荷技术论证和试验进度，其中便包括中国工程院院士、北航国家空管新航行系统技术重点实验室主任张军和北京航空航天大学电子信息工程学院教授张学军等行业专家。
马航事件发生后不久，张军院士与相关领域的院士共同提出发展航班星基全球监视系统的院士建议，以提高航班全球运行监控能力。该建议得到了相关部门的高度重视。随后，张军院士带领张学军等团队成员，开启了中国空事卫星系统的自主研发与试验验证工作。
经过数年努力，2020年11月6日，由北航国家空管新航行系统技术重点实验室牵头，联合四川九洲空管科技有限责任公司、天仪研究院共同研制的中国空事卫星系统首颗技术验证卫星北航空事卫星一号发射成功。这是我国首颗初步满足空管运行需求的星基ADS－B卫星，也是目前国内唯一在轨运行的多波束接收ADS-B卫星。
北航空事卫星一号卫星获取的全球航空器分布 天仪研究院供图
把地面站“搬到”卫星上去
星基ADS-B载荷对飞机空中监管到底有何作用？张学军解释道，“星基ADS-B载荷就相当于把地面站放到卫星上去。把陆基的设备放到卫星上，成为天基系统，是大的技术发展趋势，其最大的好处就是全球覆盖。”
“天空虽然很大，但是飞机并不能随意飞，天上的航线犹如地面的公路。”张学军介绍，以往保障这条“看不见的公路”，靠的是沿着飞机的航路航线建在地面上的空管设施。而现在，因为地面设施覆盖的盲区问题，我们正试着将他搬到天上去。
由于飞机上设备的改动将带来巨大的成本和漫长的周期，而星基ADS-B载荷不改变飞机上的机载设备。在如此高度上，卫星接收到的信号与地面站相比非常弱。再加上卫星覆盖的范围远远超过一个地面站的覆盖范围，其覆盖范围内的飞机数量相当巨大，不同飞机发射的信号会相互干扰。这些对卫星上接收机的灵敏度和处理能力提出了非常高的要求。
谈及北航空事卫星一号，张学军说道，“这是我们第一次做卫星上的载荷”；在太空中，载荷会受到高低温及电子辐射的影响，“因为缺乏有关方面设计的经验，我们在最初研制时心里不是特别有底，通过一步步摸索，对相关防护手段的学习、应用，最终克服了难题”。
“如果卫星发射后不能正常工作，就等于发射了一块砖头。”张学军笑称，在技术研发压力太大时，他经常驾车去山里兜风，放空自己。“科研是允许失败的。但是国家给了我们不少支持，我们只能成功不能失败。”
在张学军带领下，研制团队突破了多波束相控阵天线、多通道高灵敏度接收算法和解交织技术等多个星基ADS-B关键技术，成功研制出中国首个面向空管运行需求的星基ADS-B载荷。
未来或以“上帝视角”进行飞机跟踪
按照规划，空事卫星系统包含低轨空事卫星星座、空事卫星地面应用系统和机载系统，可以为航空用户提供全球覆盖的连续实时通信、导航和监视服务，为航空飞行安全提供保障，并有利促进低空空域的开放与通航产业的发展。该系统将通过“上帝视角进行飞机跟踪”，有望让飞机“永不失联”。
作为中国空事卫星系统首颗技术验证卫星，北航空事卫星一号目前表现如何？
据了解，该卫星入轨后状态稳定，性能优良，获得了全球空域的大量飞行数据，经过分析表明：繁忙空域内，卫星平均每小时可接收ADS-B消息数超过100万条；最远探测距离达到2000公里以上；半径800公里的设计覆盖范围内，95%位置消息更新间隔低于8秒，目标检测率和报文更新率初步满足空管运行需求。此次任务的圆满成功标志着我国空事卫星系统在星基航空监视方面达到国内领先，国际先进水平，未来将有能力给航空用户提供基础的全球航空监视和跟踪服务，极大推动我国空事卫星系统全面组网建设的进程，对我国军民航和通航的发展具有极为重要的意义。
与国内外的同类卫星相比，北航空事卫星一号性能如何？
张学军说，国外对星基ADS-B系统的研究早于国内，在2013年欧洲航天局(ESA)发射的Proba-V卫星就首先验证了卫星接收ADS-B信号的可行性，而欧洲的GOMX-1卫星则验证了基于立方星的星基ADS-B载荷的可行性，随后加拿大Aireon公司建设的第二代铱星系统采用相控阵天线多波束接收的星基ADS-B载荷，具备了提供空管监视服务的能力。目前北航空事卫一号成功突破了多波束接收高灵敏度解调与解交织技术，在繁忙空域平均每小时接收报文超过100万条，连续24小时接收报文超过1000万条。这个数据代表了卫星接收机的灵敏度和处理能力，这样推导下来，就能表明北航空事卫星一号在星基ADS-B技术方面达到了国内领先、国际先进水平。按照北航空事卫星一号的单星评估性能，要实现全球覆盖需要超过300颗卫星进行组网，卫星接收全球航班的ADS-B数据后，通过星间通信和路由传输到国内上空的卫星，再通过卫星和地面信关站通信，下传到地面，然后由地面数据中心分发给各航空用户。
“第二代铱星系统是目前国际上唯一建成并投入商业试运行的星基ADS-B系统。北航空事卫星一号是技术试验星，是单星。”张学军表示，从单星而言，铱星是成吨级的大星，而北航空事卫星一号比较小，仅20kg。铱星单星覆盖半径超过3000km，接收灵敏度优于-102dBm。从指标上看北航，空事卫星一号略低于铱星。“如果把铱星比作一辆宝马汽车，那么北航空事卫星一号就是用宝马的技术做的一辆mini轿车。”张学军做了一个形象的比喻。
“因为铱星在建设时是一个通信星座，星基ADS-B载荷也并非其主载荷。而北航空事卫星一号是直接瞄准了空管需求，载荷还在不断完善，因而将会达到与其同等的水平，甚至超越。”张学军说。
目前北航空事卫星一号虽已成功发射，但是仅仅是在国内首次验证了多波束星基ADS-B技术，为了支撑我国星基ADS-B系统的全面建设，还需要进一步优化，提升其解调灵敏度，并且改进其相控阵天线和多通道处理设计，以提高有效覆盖范围，适应不同轨道高度和不同航空用户的需求。
此外，要想为全球范围内的航空用户提供通信、导航、监视服务，必须完成几百颗卫星的全球组网，这方面还涉及到星座与卫星平台设计、低时延星上路由、星间和星地超高带宽超大容量通信等大量研究与建设工作，需要联合国内相关领域的各个单位，各尽所长，共同完成我国自主可控的空事卫星系统建设。
谈及未来计划，张学军说：“我们后续会继续改进星基ADS-B载荷，扩大单星覆盖范围，同时也会尽可能在现有技术下减小重量与功耗，降低系统的建设成本”，当前合作各方正在努力推进全系统的卫星组网建设，实现全地域的互联互通。