面向空中的移動衛星通信系統發展淺析

● 文 |星展測控科技股份有限公司 韓磊

一、引言

隨著無線通信技術的快速發展，人們對飛機上使用便攜式電子設備，特別是使用手機的需求越來越強烈，多個國家的研究機構和專業組織對機上便攜式電子設備（PED）使用進行了持續性研究。近年來，波音、空客等飛機制造商也在設計和制造環節考慮如何防止便攜式電子設備干擾。航空無線電技術委員會先后發布行業標準，提出了航空器抗PED電磁干擾的技術規范，這也為進一步開放機上便攜式電子設備使用奠定了基礎。2018年1月，中國民用航空局發布《機上便攜式電子設備（PED）使用評估指南》，用于指導航空公司驗證和評估機上便攜式電子設備的使用。國內航班從此開啟了中國空中互聯網時代。

二、國內外機載無線寬帶市場現狀及趨勢

目前，全新模式的客艙無線寬帶（Wi-Fi）娛樂系統已經被全球大多數航空公司所認可，而且也都在集中采取以優化系統的方式來提高自身品質的模式。

國外的機載Wi-Fi項目，始于“波音計劃”，隨著各種通信技術、安全技術的成熟，近年來國外的機載Wi-Fi服務覆蓋面越來越廣。目前，歐洲、美洲和亞洲等地的幾十家航空公司已經安裝了機載移動通信系統，并且均成立了專門的運營公司正式進入商業化運作。國外的機載Wi-Fi業務資費有以下四種典型模式：免費使用、按設備流量計費、按月計費、按小時計費。

根據美國全球工業分析家公司（GIA）的統計，截至2015年，全球裝配機載Wi-Fi系統的飛機有4000余架，其中北美航空公司的飛機超過80%，其次是中東航空公司和歐洲航空公司。另外根據統計，目前美國現已有超過71%的民航飛機完成了機載Wi-Fi系統的安裝，另外還有7%的民航飛機正在進行機載Wi-Fi系統的安裝。而美國以外的民航飛機這兩組數據僅為13%和12%，可見目前北美地區是機載Wi-Fi普及率最高的地區。2015年全球裝配機載Wi-Fi系統的飛機數量占比如圖1所示。

根據中國民航網《民航智庫》預測，到2022年，全球裝配機載Wi-Fi設備的民航飛機將達到11000余架次，其中19%的飛機屬于亞太地區航空公司（2015年該數據為3%)，相比2015年增長近17倍，其中以中國為主要增長地區?？梢娢磥韼啄陣鴥葯C載Wi-Fi市場將有較大的發展。

目前，全球范圍內能夠提供具備航空資格、性能卓越的客艙Wi-Fi系統的供應商為數不多。

我國的民用航空機載移動通信剛剛起步，兩種主要的技術手段(地空基站方式和衛星中繼方式)都處于試驗階段，還未大規模應用。我國作為一個幅員遼闊、民用航空發達的國家，此業務的需求非常巨大。隨著我國民用航空的快速發展，民航飛機數量、航線里程以及乘客數量都將增加，飛機上網的需求也會激增，發展機載公眾移動通信業務會帶來巨大收益。而在發展機載公眾移動通信系統的同時，也需要對該系統在用頻段和設臺等方面做充分考慮，進行系統間和系統級的兼容共存研究，制定詳細的標準和法規，以確保航空飛行的安全。

圖1 2015年全球裝配機載Wi-Fi系統的飛機數量占比

目前國內航空公司如中國東方航空股份有限公司、中國南方航空股份有限公司、中國國際航空股份有限公司、海南航空控股股份有限公司、深圳航空有限責任公司等已經推出了裝配有機載Wi-Fi系統的航班，春秋航空股份有限公司在2015年7月下旬也宣布進入。2015年7月28日中國國際航空股份有限公司發布公告稱，將投入1.5億元用于機上Wi-Fi項目。中國東方航空股份有限公司在其絕大多數的寬體機上已經安裝了機載Wi-Fi系統，相比國外飛機Wi-Fi，國內航空公司普遍采取的是對乘客免費的方式。一架飛機的Wi-Fi系統改造成本在300萬～500萬元左右，而且租賃衛星寬帶資源花費也不菲，這意味著國內航空公司將采取向商家收費的方式來消化高昂的成本。

相比國外的機載Wi-Fi系統供應商，國內的機載Wi-Fi設備廠商目前還處于起步階段。因此面對未來國內快速擴大的機載Wi-Fi市場，亟待解決包括機載衛星天線在內的一系列航電設備的國產化問題。國內衛星通信的設備供應商已經積極準備進入這一領域。多家企業已經推出了機載衛星通信系統的解決方案，其中星展測控科技股份有限公司已經取得了相關認證，并在海外市場中打開了銷路。

三、衛星通信發展趨勢

傳統的衛星通信產業格局正在發生巨大變化。這一變化的標志性事件是美國、中國等國家和地區的衛星運營機構，紛紛計劃和發射大容量Ka頻段高通量通信衛星，以美國休斯公司、美國衛訊公司為產業龍頭，以及20余個寬帶衛星通信星座項目，總數多于15000個在軌小通信衛星。

2017年4月，中星16號衛星成功發射，成為中國第一個高通量通信衛星，預計將在2018年開始面向海事、航空、陸地應用全面提供寬帶接入服務。亞太衛星控股有限公司將在2019年發射其第一顆高通量衛星，選擇Ku頻段為用戶提供服務。

2017年2月，一網公司（OneWeb）向美國聯邦通信委員會（FCC）提交申請，計劃建造更大的星座，將再追加2000顆在軌小衛星的制造、發射和運營，其在軌衛星將達到約2700顆，而不是最初宣稱的648顆。2017年6月，FCC已授權OneWeb，批準其在美國使用其衛星提供互聯網服務。OneWeb將向全球電信運營商提供光纜品質的接入服務。據最新消息2018年第四季度，首批OneWeb衛星將發射升空。

中國航天科技集團有限公司、中國航天科工集團有限公司、中國電子科技集團公司等國內央企也紛紛發布了低軌寬帶星座的計劃。

1.多功能融合

傳統的衛星移動通信系統主要是向用戶提供區域乃至全球范圍的話音、數據、短信等移動通信服務。隨著衛星移動通信的發展，單純的移動語音和短信業務已經不能滿足越來越高的數據和通信的要求，未來的衛星移動通信系統將融合越來越多的其他功能。

典型的例如銥星二代系統中兼具廣播式自動相關監視（ADS-B）航空器監視功能和船舶自動識別系統（AIS）監視功能。此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、溫濕度、風速、風向等。

隨著衛星定位服務的廣泛應用，衛星定位服務與衛星移動通信相結合也將越來越普遍，多個衛星移動通信系統終端可同時支持衛星定位服務。因此，未來的衛星移動通信系統要發展，必將不拘泥于傳統的數據和話音業務，多功能的融合將會變得越來越普遍。

2.天地一體化

天地一體化是未來移動網絡的發展趨勢。空間網絡與地面網絡互聯互通、互為補充、高效協同，構建全新的天地一體化網絡構架。目前地面5G移動通信技術預研正在日益升溫，衛星移動通信的發展可以借鑒地面5G移動通信網絡的研究思路，構建全新的融合衛星移動通信系統和地面移動通信系統的開放式、通用的體系架構，以實現地面空中移動無線系統的無縫切換和業務融合。

天地一體化主要包括體制、芯片、終端以及應用等幾個層面的融合。終端融合是芯片融合的結果。伴隨著衛星技術和終端技術的進步，衛星移動通信系統的地面終端小型化、手持化已成為可能。未來衛星移動通信的終端將向著各系統相互兼容，衛星與地面移動通信、移動與固定通信互聯互通，實現個人一個終端走遍全球的通信目標。

應用融合即將各類業務和應用集合打包推向市場。通過服務平臺融合，將地面移動通信和衛星移動通信有機結合，從而為用戶提供更廣泛、便捷、實用的服務。

3.多頻段共存

為滿足日益增加的帶寬需求和高速數據處理需求，積極應對業務寬帶化、IP 化的趨勢，衛星移動通信系統使用高頻段已經成為一種趨勢，各種頻段的系統相繼出現，并將共同存在。

例如，在銥星二代系統中所使用的技術，Ka饋電鏈路空閑時用于衛星寬帶通信，單用戶可獲得50Mbit/s的傳輸速率。這樣在銥星系統中，既有L頻段語音和窄帶數據通信業務，也有Ka頻段寬帶通信業務，從而實現了L/Ka頻段共存。海事衛星也開始發展Ka頻段衛星通信系統以滿足業務需求。工作在Ku頻段上的管理支撐系統（MSS）可分為多種載體提供寬帶業務。

4.寬窄帶協同

目前衛星移動通信寬窄帶業務均持續發展，一方面是高速率寬帶交互通信業務迅猛發展，構筑空間信息高速公路；另一方面，窄帶數字話音、傳真、數據低速業務也將繼續存在和發展。衛星移動通信系統寬帶和窄帶通信除了是平行應用，寬窄帶還將協同傳輸。

具有代表性的是銥星系統，其L頻段窄帶鏈路除了傳輸語音和窄帶業務，還可以被用于傳遞信令以調用Ka寬帶鏈路資源，從而傳輸寬帶數據業務，實現了寬窄帶協同。

2016年8月6日，天通一號01星發射成功，該衛星是由中國空間技術研究院負責研制的我國首顆移動通信衛星，也被譽為“中國版的海事衛星”，其成功發射標志著我國進入到了衛星移動通信的手機時代，填補了國內空白，具有重要的里程碑意義。系統整體建成后將為中國及周邊、中東、非洲等相關地區，以及太平洋、印度洋大部分海域和航空的用戶提供全天候、全天時、穩定可靠移動通信服務，支持話音、短信息和數據業務。

四、總結

目前從商業模式來看，高通量通信衛星和低軌寬帶衛星星座的容量、成本、全球無縫覆蓋特性，使衛星通信從衛星到軍隊（S2M）、衛星到政府（S2G）向衛星到電信運營商（S2T）和衛星到消費者（S2C）快速轉化，衛星通信手段由地面通信手段的補充轉而與地面手段并行和一體化。這就給衛星通信賦予了巨大的市場推動力。

衛星天線技術是決定衛星通信終端演進的關鍵技術，即統治衛星通信行業50年的拋物面“鍋狀天線”必須改變，由平板天線直至全電掃多波束柔性賦型天線替代。

面對日益發展的航空通信應用需求，需要產業鏈上下游聯動，共同面向未來為航空器設計一系列技術解決方案。同時，航空公司與互聯網運營企業也應把業務運營與衛星技術的發展相結合，不斷推出滿足市場需求的服務產品。