漫談機(jī)載衛(wèi)星通信技術(shù)

謝鷹

摘 要：伴隨著航空互聯(lián)網(wǎng)帷幕拉開，機(jī)載衛(wèi)星通信近年來(lái)熱度越來(lái)越高，各種媒體不斷有SBB、Ku、2Ku、Ka、HTS等專業(yè)術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)，萬(wàn)米高空發(fā)微博、看春晚、能上網(wǎng)了等熱點(diǎn)新聞不斷付諸媒體頭條。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的最后一個(gè)信息孤島——飛機(jī)客艙，逐步被機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的觸角終于登上萬(wàn)米高空，航空旅客們終于逐步擺脫飛行途中漫長(zhǎng)、枯燥且與世隔絕的飛行苦日子，開始體驗(yàn)云端娛樂、嗨購(gòu)且時(shí)時(shí)在線的旅途好生活。

機(jī)載衛(wèi)星通信技術(shù)到底是一種什么樣的技術(shù)，具備哪些技術(shù)特點(diǎn)，其系統(tǒng)的構(gòu)成是什么樣的，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是什么？本期老鷹漫談，幫你揭開機(jī)載衛(wèi)星通信神秘面紗，帶你探究機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載（航空）通信；Ku通信；2Ku通信；Ka通信；HTS通信

1、機(jī)載衛(wèi)星通信簡(jiǎn)介

機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)并非今日才出現(xiàn)的新鮮玩意，目前在我國(guó)承擔(dān)青藏高原地區(qū)飛行任務(wù)的飛機(jī)以及執(zhí)行跨洋飛行的寬體飛機(jī)很早就要求安裝了基于L波段的機(jī)載海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要用于解決ATC空中交通控制，這些飛機(jī)由于沒有陸基VHF系統(tǒng)支撐，無(wú)論是語(yǔ)音、ACARS均通過機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳送。民航局為加強(qiáng)AOC語(yǔ)音指揮暢通，要求加裝機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)也屬于這個(gè)范疇。

以上說(shuō)的機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)過去主要用于前艙通信需求，隨著客艙寬帶上網(wǎng)需求越來(lái)越迫切，機(jī)載海事衛(wèi)星系統(tǒng)推出了SBB業(yè)務(wù)（N*432kbps）用于客艙Wi-Fi接入，歐洲Onair陸續(xù)在數(shù)百架飛機(jī)上做了改裝。SBB業(yè)務(wù)基于L波段衛(wèi)星資源，由于L波段頻率有限，總體帶寬資源非常有限，加之SBB速率有限，現(xiàn)有海事衛(wèi)星通信在客艙應(yīng)用并未大規(guī)模推廣。

2、機(jī)載衛(wèi)星天線的幾種形態(tài)

機(jī)載Ku/Ka衛(wèi)星天線隨著技術(shù)發(fā)展，有機(jī)械式、機(jī)械分段陣列天線、相控陣天線等多種天線形態(tài)。

機(jī)械式Ku/Ka天線，如松下航電、Aerosat、Tcom、ROW44等天線均采用機(jī)械式衛(wèi)星天線，依靠水平、垂直機(jī)械伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天線精準(zhǔn)對(duì)星。

由于機(jī)械式衛(wèi)星天線，使用了馬達(dá)等機(jī)械部件，設(shè)備可靠性相比存電子部件大大降低，同時(shí)在接近赤道地區(qū)由于機(jī)械式天線對(duì)星波形畸變，導(dǎo)致鄰星干擾增加，往往通過降低發(fā)射功率方式，確保干擾水平可控，速率也大打折扣。

隨著天線技術(shù)發(fā)展，美國(guó)GoGo公司推出了基于機(jī)械分段陣列天線，如2Ku天線，2Ku使用的是機(jī)械分段陣列天線。這些天線使用了新一代的機(jī)載天線設(shè)計(jì)。與物理指向目標(biāo)衛(wèi)星不同，這些天線可以通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)一系列具有共振特性的內(nèi)部板，在所需方向上創(chuàng)造光束。相比機(jī)械式衛(wèi)星天線，在水平面上仍存在馬達(dá)，但在垂直面上，不再采用機(jī)械方式，而采用電子調(diào)整方式，降低了天線厚度，使得天線雷達(dá)罩迎風(fēng)面更小，氣流特性更好，相比傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)罩更省油，同時(shí)由于電子調(diào)整，在赤道等低緯度地區(qū)，天線輻射圖可以更加精準(zhǔn)，鄰星干擾可控，同時(shí)由于發(fā)射、接收天線分開，使得2Ku速率相比傳統(tǒng)機(jī)械式更高，基本達(dá)到了翻倍的能力。

雖然GoGo的2Ku技術(shù)有了很大進(jìn)步，但在水平面仍然使用機(jī)械調(diào)整方式，更加先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)也逐步由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入商用。

在軍事領(lǐng)域，PAA相控陣天線技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以預(yù)見PAA相控陣天線很快也會(huì)在民航領(lǐng)域商用。PAA相控陣天線，不再有任何機(jī)械部件，天線更薄，可靠性更高，天線不再需要安裝在雷達(dá)罩下，天線甚至可以安裝在機(jī)翼上，天線改裝及燃油經(jīng)濟(jì)性方面將大大提升。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)的Ku天線均為機(jī)械式，2016年美國(guó)GoGo大力推廣2Ku機(jī)械分段陣列天線，預(yù)計(jì)3-5年后，商用的航空PAA相控陣天線也將出現(xiàn)，可以預(yù)見未來(lái)飛機(jī)機(jī)載衛(wèi)星天線將隨著技術(shù)發(fā)展，呈現(xiàn)越來(lái)越小型化，更加扁平，安裝更加靈活，更加節(jié)省燃油消耗。

3、機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)由三部分組成，分別是空間段、地面段、以及機(jī)載段。

●空間段，顧名思義，指的是通信衛(wèi)星，主要指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。目前覆蓋我國(guó)傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星只有中星6A、10、11、12，亞洲5、6、7，亞太5、6、7、9等幾顆可用衛(wèi)星，由于Ku轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用率高（高于70%）可用于機(jī)載業(yè)務(wù)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器資源十分有限。覆蓋亞太地區(qū)IPSTAR（泰星）是Ku HTS衛(wèi)星，IPSTAR覆蓋我國(guó)容量有12G帶寬容量，航空移動(dòng)業(yè)務(wù)尚未開展。我國(guó)自有的Ku HTS衛(wèi)星尚未發(fā)射，最早也要2018年發(fā)射；我國(guó)2017年將發(fā)射第一顆Ka商用衛(wèi)星，海事衛(wèi)星GXpress第四顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)下半年發(fā)射。

●地面段，主要指地面上負(fù)責(zé)發(fā)送和接收衛(wèi)星信號(hào)以及對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理的地面設(shè)施，通常稱為地面站，包括天線、射頻、主站Hub以及網(wǎng)管系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中心（NOC）等設(shè)備/設(shè)施。

●機(jī)載段，指的是位于飛機(jī)上的通信設(shè)備，包括機(jī)外天線、天線控制單元、高功放、調(diào)制解調(diào)器以及艙內(nèi)無(wú)線接入設(shè)備。

4、機(jī)載衛(wèi)星通信發(fā)展建議

衛(wèi)星通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和方向是Ka頻段和HTS技術(shù)應(yīng)用。但考慮到我國(guó)尚不具備Ka商用以及Ku HTS商用條件（IPSTAR目前尚未在航空移動(dòng)業(yè)務(wù)上應(yīng)用，正在升級(jí)改造）。機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)如何選擇成為擺在各航空公司面前的難題。

選擇成熟的傳統(tǒng)Ku機(jī)載衛(wèi)星通信解決方案，還是積極試驗(yàn)，等待Ka/Ku HTS成熟？

國(guó)內(nèi)目前可落地的機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括L波段的海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)和Ku波段的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。海事GXpress第四顆衛(wèi)星（覆蓋我國(guó)）預(yù)計(jì)下半年發(fā)射，但是否能在我國(guó)落地尚未確認(rèn)；我國(guó)最早Ka商用衛(wèi)星“中星16號(hào)”2017年發(fā)射，中國(guó)最早的Ku HTS商用衛(wèi)星預(yù)計(jì)2019年發(fā)射。

考慮到民航局對(duì)AOC語(yǔ)音通信適航要求，如果選用L頻段海事衛(wèi)星方案，充分利用其SBB鏈路為客艙Wi-Fi尋找一條窄帶天地互聯(lián)鏈路解決IM等文本通信需求，不乏是一種很好的選擇。

對(duì)于寬帶天地互聯(lián)鏈路技術(shù)選擇，考慮到監(jiān)管政策、技術(shù)選擇、帶寬資源、機(jī)載硬件、改裝和流量的投資收益率在目前還存在一定風(fēng)險(xiǎn)，也是先期開展試運(yùn)行的關(guān)鍵原因之一，當(dāng)前進(jìn)行選擇規(guī)模裝機(jī)決策，均存在選擇性風(fēng)險(xiǎn)。與其押寶式一步到位，不如分階段部署實(shí)施，一方面探索不同技術(shù)方案商業(yè)模式，另一方面積極建設(shè)客艙Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，先行解決客艙娛樂問題，后續(xù)待技術(shù)驗(yàn)證，商業(yè)模式清晰后，再進(jìn)行機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)決策和部署。

5、結(jié)論

我們相信在2019-2020年，機(jī)載衛(wèi)星通信仍將以試驗(yàn)和試運(yùn)營(yíng)的形式展開。航空公司可以開展空中互聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)局或者分階段開始一期建設(shè)，也就是無(wú)論采用何種衛(wèi)星通信技術(shù)、何種天線形態(tài)都無(wú)法或缺的核心環(huán)節(jié)——艙內(nèi)Wi-Fi，這樣既解決了艙內(nèi)娛樂問題，又可進(jìn)行商業(yè)模式驗(yàn)證，同時(shí)留有接口以備隨時(shí)向成熟機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)平滑演進(jìn)。