記者 朱晨曦 郭超凱

馬航MH370客機事件讓國際對飛機失聯高度關注。如何讓地面更便捷地實時獲知飛機動態、減少失聯事件發生？中國自主研發的北航空事衛星一號衛星或可派上用場；該衛星搭載的星基ADS-B載荷監視性能初步滿足空管運行需求，達到國內領先、國際先進水平，填補了我國面向空管應用的星基航空監視技術的空白。

這顆衛星是如何工作的？對減少或解決飛機失聯有何幫助？記者近日就此進行采訪。

空中交通管制的“前世今生”

自飛機誕生以來，如何保障飛行安全、降低飛機空中失事概率便成為老生常談的話題。2014年馬航MH370客機失聯事件，促使國際社會高度關注如何追蹤一架飛機，切實保障飛機在空中“看得見、聽得到、管得住”，也讓空中交通管制技術再次進入眾人視野。

在相當長一段時間里，人們對飛機的監控主要依靠雷達，但雷達覆蓋范圍一般為從海岸向外延伸350公里左右。這意味著，當飛機在跨海飛行或者在偏遠地區飛行時，由于信號覆蓋不到而無法被地面控制中心掌控精確位置和實際運行狀態。一旦發生意外情況，定位和搜救將十分困難。

在地球上，這些“監視盲區”多位于海域、極地、山區和荒漠等——它們占據了地球80%以上的面積。因此，只有覆蓋范圍廣、可靠性高的衛星才能徹底解決航空器全球監視問題。飛機通信尋址與報告系統(ACARS)在此基礎上應運而生，該通信系統可以在航空器和地面用戶之間通過甚高頻、高頻或衛星數據鏈傳輸報文，實時掌握飛機的空中情況。

不過，相比ACARS技術，廣播式自動相關監視(ADS-B)具有更強的實時數據傳輸能力。隨著航天技術的成熟與商業小衛星的成本降低，采用星基手段開展空管應用逐漸具備了可行性。未來，星基ADS-B衛星系統將有效解決陸基地面站覆蓋能力不足的問題，成為空管系統的重要組成部分。

馬航MH370客機事件暴露出空管領域缺乏全球航班跟蹤能力，事件發生后，國際民航組織(ICAO)推出了“全球航空遇險與安全系統”(GADSS)的標準，規定“飛機每15分鐘需要報告一次飛機所在位置和狀態”，也就是說飛機的追蹤間隔為15分鐘，同時“要求2021年1月1日(含)之后首次頒發單機適航證的所有最大起飛質量超過27000千克的飛機，在遇險時應以每分鐘至少一次的速率自主傳輸位置信息”，而星基ADS-B系統是實現該標準的最有效可行的手段。這直接促使了國內外科研人員加快對星基ADS-B載荷技術論證和試驗進度，其中便包括中國工程院院士、北航國家空管新航行系統技術重點實驗室主任張軍和北京航空航天大學電子信息工程學院教授張學軍等行業專家。

馬航事件發生后不久，張軍院士與相關領域的院士共同提出發展航班星基全球監視系統的院士建議，以提高航班全球運行監控能力。該建議得到了相關部門的高度重視。隨后，張軍院士帶領張學軍等團隊成員，開啟了中國空事衛星系統的自主研發與試驗驗證工作。

經過數年努力，2020年11月6日，由北航國家空管新航行系統技術重點實驗室牽頭，聯合四川九洲空管科技有限責任公司、天儀研究院共同研制的中國空事衛星系統首顆技術驗證衛星北航空事衛星一號發射成功。這是我國首顆初步滿足空管運行需求的星基ADS－B衛星，也是目前國內唯一在軌運行的多波束接收ADS-B衛星。

把地面站“搬到”衛星上去

星基ADS-B載荷對飛機空中監管到底有何作用？張學軍解釋道，“星基ADS-B載荷就相當于把地面站放到衛星上去。把陸基的設備放到衛星上，成為天基系統，是大的技術發展趨勢，其最大的好處就是全球覆蓋。”

“天空雖然很大，但是飛機并不能隨意飛，天上的航線猶如地面的公路。”張學軍介紹，以往保障這條“看不見的公路”，靠的是沿著飛機的航路航線建在地面上的空管設施。而現在，因為地面設施覆蓋的盲區問題，我們正試著將他搬到天上去。

由于飛機上設備的改動將帶來巨大的成本和漫長的周期，而星基ADS-B載荷不改變飛機上的機載設備。在如此高度上，衛星接收到的信號與地面站相比非常弱。再加上衛星覆蓋的范圍遠遠超過一個地面站的覆蓋范圍，其覆蓋范圍內的飛機數量相當巨大，不同飛機發射的信號會相互干擾。這些對衛星上接收機的靈敏度和處理能力提出了非常高的要求。

談及北航空事衛星一號，張學軍說道，“這是我們第一次做衛星上的載荷”；在太空中，載荷會受到高低溫及電子輻射的影響，“因為缺乏有關方面設計的經驗，我們在最初研制時心里不是特別有底，通過一步步摸索，對相關防護手段的學習、應用，最終克服了難題”。

“如果衛星發射后不能正常工作，就等于發射了一塊磚頭。”張學軍笑稱，在技術研發壓力太大時，他經常駕車去山里兜風，放空自己。“科研是允許失敗的。但是國家給了我們不少支持，我們只能成功不能失敗。”

在張學軍帶領下，研制團隊突破了多波束相控陣天線、多通道高靈敏度接收算法和解交織技術等多個星基ADS-B關鍵技術，成功研制出中國首個面向空管運行需求的星基ADS-B載荷。

未來或以“上帝視角”進行飛機跟蹤

按照規劃，空事衛星系統包含低軌空事衛星星座、空事衛星地面應用系統和機載系統，可以為航空用戶提供全球覆蓋的連續實時通信、導航和監視服務，為航空飛行安全提供保障，并有利促進低空空域的開放與通航產業的發展。該系統將通過“上帝視角進行飛機跟蹤”，有望讓飛機“永不失聯”。

作為中國空事衛星系統首顆技術驗證衛星，北航空事衛星一號目前表現如何？

據了解，該衛星入軌后狀態穩定，性能優良，獲得了全球空域的大量飛行數據，經過分析表明：繁忙空域內，衛星平均每小時可接收ADS-B消息數超過100萬條；最遠探測距離達到2000公里以上；半徑800公里的設計覆蓋范圍內，95%位置消息更新間隔低于8秒，目標檢測率和報文更新率初步滿足空管運行需求。此次任務的圓滿成功標志著我國空事衛星系統在星基航空監視方面達到國內領先，國際先進水平，未來將有能力給航空用戶提供基礎的全球航空監視和跟蹤服務，極大推動我國空事衛星系統全面組網建設的進程，對我國軍民航和通航的發展具有極為重要的意義。

與國內外的同類衛星相比，北航空事衛星一號性能如何？

張學軍說，國外對星基ADS-B系統的研究早于國內，在2013年歐洲航天局(ESA)發射的Proba-V衛星就首先驗證了衛星接收ADS-B信號的可行性，而歐洲的GOMX-1衛星則驗證了基于立方星的星基ADS-B載荷的可行性，隨后加拿大Aireon公司建設的第二代銥星系統采用相控陣天線多波束接收的星基ADS-B載荷，具備了提供空管監視服務的能力。目前北航空事衛一號成功突破了多波束接收高靈敏度解調與解交織技術，在繁忙空域平均每小時接收報文超過100萬條，連續24小時接收報文超過1000萬條。這個數據代表了衛星接收機的靈敏度和處理能力，這樣推導下來，就能表明北航空事衛星一號在星基ADS-B技術方面達到了國內領先、國際先進水平。按照北航空事衛星一號的單星評估性能，要實現全球覆蓋需要超過300顆衛星進行組網，衛星接收全球航班的ADS-B數據后，通過星間通信和路由傳輸到國內上空的衛星，再通過衛星和地面信關站通信，下傳到地面，然后由地面數據中心分發給各航空用戶。

“第二代銥星系統是目前國際上唯一建成并投入商業試運行的星基ADS-B系統。北航空事衛星一號是技術試驗星，是單星。”張學軍表示，從單星而言，銥星是成噸級的大星，而北航空事衛星一號比較小，僅20kg。銥星單星覆蓋半徑超過3000km，接收靈敏度優于-102dBm。從指標上看北航，空事衛星一號略低于銥星。“如果把銥星比作一輛寶馬汽車，那么北航空事衛星一號就是用寶馬的技術做的一輛mini轎車。”張學軍做了一個形象的比喻。

“因為銥星在建設時是一個通信星座，星基ADS-B載荷也并非其主載荷。而北航空事衛星一號是直接瞄準了空管需求，載荷還在不斷完善，因而將會達到與其同等的水平，甚至超越。”張學軍說。

目前北航空事衛星一號雖已成功發射，但是僅僅是在國內首次驗證了多波束星基ADS-B技術，為了支撐我國星基ADS-B系統的全面建設，還需要進一步優化，提升其解調靈敏度，并且改進其相控陣天線和多通道處理設計，以提高有效覆蓋范圍，適應不同軌道高度和不同航空用戶的需求。

此外，要想為全球范圍內的航空用戶提供通信、導航、監視服務，必須完成幾百顆衛星的全球組網，這方面還涉及到星座與衛星平臺設計、低時延星上路由、星間和星地超高帶寬超大容量通信等大量研究與建設工作，需要聯合國內相關領域的各個單位，各盡所長，共同完成我國自主可控的空事衛星系統建設。

談及未來計劃，張學軍說：“我們后續會繼續改進星基ADS-B載荷，擴大單星覆蓋范圍，同時也會盡可能在現有技術下減小重量與功耗，降低系統的建設成本”，當前合作各方正在努力推進全系統的衛星組網建設，實現全地域的互聯互通。(完)