1、引 言
伴隨著航空互聯(lián)網(wǎng)帷幕拉開，機(jī)載衛(wèi)星通信近年來熱度越來越高，各種媒體不斷有SBB、Ku、2Ku、Ka、HTS等專業(yè)術(shù)語出現(xiàn)，萬米高空發(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。
移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的最后一個信息孤島--飛機(jī)客艙，逐步被機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決，移動互聯(lián)網(wǎng)的觸角終于登上萬米高空，航空旅客們終于逐步擺脫飛行途中漫長、枯燥且與世隔絕的苦日子，開始體驗云端娛樂、嗨購且時時在線的旅途好生活。
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，未來發(fā)展趨勢是什么？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)未來發(fā)展趨勢。
2、機(jī)載衛(wèi)星通信簡介
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，無論是語音、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)也屬于這個范疇。
以上說的機(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公司陸續(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。
注解1：
L波段，指的是頻率位于1GHz~2GHz的電磁波信號。L波段海事SBB衛(wèi)星通信系統(tǒng)是目前覆蓋全球的窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可提供N*432Kbps的數(shù)據(jù)帶寬同時具有話音鏈路，可同時滿足前艙和后艙的使用需求。
基于Ku頻段的機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)在美國廣泛應(yīng)用，美西南航空公司等多家航空公司推出基于Ku頻段機(jī)載通信航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，由于Ku頻段擁有頻率資源高于L頻段，峰值速率也可達(dá)30Mbps（衛(wèi)星資源足夠前提下），所以當(dāng)前Ku頻段機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)成為最成熟的航空互聯(lián)網(wǎng)解決方案，當(dāng)前東航、國航、南航等航空公司試驗試飛飛機(jī)均采用基于Ku頻段的機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
注解2：
Ku波段，指的是頻率位于10GHz~20GHz的電磁波信號。Ku波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)是目前機(jī)載衛(wèi)星通信的主流應(yīng)用，其擁有豐富的衛(wèi)星資源（目前轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用率較高，可用于機(jī)載業(yè)務(wù)資源有限），且地面設(shè)施完善，同時擁有成熟的機(jī)載設(shè)備。
由于Ku頻段衛(wèi)星資源使用率高，可用于機(jī)載寬帶通信的衛(wèi)星資源有限，美國、海事衛(wèi)星組織近年來陸續(xù)發(fā)射了Ka波段衛(wèi)星，采用Ka頻段機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決航空互聯(lián)網(wǎng)需求，如美國Jetblue航空、新加坡航空等，由于Ka頻段衛(wèi)星頻率資源豐富，擁有3.5GHz頻率資源，同時采用多波束覆蓋，使得Ka衛(wèi)星通信容量相比Ku衛(wèi)星容量增大了數(shù)十倍，峰值速率也提高到了100Mbps量級（海事GX-press Ka峰值速率50Mbps）。
注解3：
Ka波段，指的是頻率位于20GHz~30GHz的電磁波信號。Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于頻率高、可用頻率資源豐富且采用點(diǎn)波束技術(shù)，使得終端尺寸小，且傳輸速率高，加之軌位資源豐富，是未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)。
面對Ka頻段機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)巨大優(yōu)勢，基于Ku頻段機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)也進(jìn)行積極應(yīng)對，2Ku技術(shù)、Ku HTS技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，2Ku技術(shù)老鷹漫談第七期已有介紹，下面就介紹一下HTS技術(shù)。
3、HTS是一種什么樣的技術(shù)
High Throughput Satellite 衛(wèi)星（高吞吐量衛(wèi)星）， 是新一代通信寬帶衛(wèi)星的統(tǒng)稱，HTS衛(wèi)星具有以下特征：
多波束覆蓋、對衛(wèi)星劃分頻率的重復(fù)使用是HTS衛(wèi)星提高吞吐容量的主要方法，在相同的劃分頻率范圍內(nèi)，該衛(wèi)星載荷的吞吐量至少是傳統(tǒng)大波束衛(wèi)星的兩倍以上（經(jīng)常為許多倍），一般為20倍到50倍。
使用Ka頻段或者Ku頻段，由于Ku 頻段已有傳統(tǒng)大波束衛(wèi)星，所以Ku HTS技術(shù)使用前提是傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星退出服務(wù)，采用新Ku HTS衛(wèi)星替代。
HTS衛(wèi)星容量覆蓋特定的較小地面區(qū)域，因此顯著增加了下行衛(wèi)星功率和容量。采用新一代的寬帶衛(wèi)星通信關(guān)口站和終端小站技術(shù)，支撐數(shù)十萬套用戶終端的高吞吐量通信需求。能有效的解決衛(wèi)星鏈路帶寬成本和容量問題。
HTS應(yīng)用高水平的頻率復(fù)用和點(diǎn)波束技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星容量的倍增，初期應(yīng)用于Ka衛(wèi)星，Ka衛(wèi)星技術(shù)直接采用了HTS技術(shù)，一方面頻率資源大大增加了，另一方面HTS技術(shù)應(yīng)用，才使得Ka衛(wèi)星容量數(shù)十倍于傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星。后在Ku衛(wèi)星上亦開始逐漸推廣HTS技術(shù)。
現(xiàn)有Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)均為大波束傳統(tǒng)衛(wèi)星，升級支持Ku HTS衛(wèi)星，需在后續(xù)Ku衛(wèi)星更替時采用Ku HTS衛(wèi)星替換原有傳統(tǒng)衛(wèi)星方能實現(xiàn)，同時現(xiàn)有機(jī)載衛(wèi)星通信終端設(shè)備，同步需要進(jìn)行軟硬件升級方能支持，如調(diào)制解調(diào)器更換等。針對機(jī)載衛(wèi)星通信終端而言，HTS技術(shù)引入更多的波束切換性能要求，Ku HTS效果究竟如何為未可知，仍需試驗驗證。
4、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)實現(xiàn)天線精準(zhǔn)對星。如下圖所示：
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，同時在接近赤道地區(qū)由于機(jī)械式天線對星波形畸變，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GoGo公司推出了基于機(jī)械分段陣列天線，如2Ku天線，如下圖所示：
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。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)也逐步由實驗室進(jìn)入商用。
在軍事領(lǐng)域，PAA相控陣天線技術(shù)在軍事領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用，可以預(yù)見PAA相控陣天線很快也會在民航領(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)前國內(nèi)試驗的Ku天線均為機(jī)械式，2016年美國GoGo將大力推廣2Ku機(jī)械分段陣列天線，預(yù)計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)越來越小型化，更加扁平，安裝更加靈活，更加節(jié)省燃油消耗。
5、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。目前覆蓋我國傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星的只有中星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)器的資源十分有限。
覆蓋亞太地區(qū)IPSTAR(泰星)是Ku HTS衛(wèi)星，IPSTAR覆蓋我國容量有12G帶寬容量，航空移動業(yè)務(wù)尚未開展。我國自有的Ku HTS衛(wèi)星尚未發(fā)射，最早也要2018年發(fā)射；我國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)星信號以及對衛(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)無線接入設(shè)備。
6、機(jī)載衛(wèi)星通信發(fā)展建議
衛(wèi)星通信系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢和方向是Ka頻段和HTS技術(shù)應(yīng)用。但考慮到我國尚不具備Ka商用以及Ku HTS商用條件（IPSTAR目前尚未在航空移動業(yè)務(wù)上應(yīng)用，正在升級改造）。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。
是選擇成熟的傳統(tǒng)Ku機(jī)載衛(wèi)星通信解決方案，還是積極試驗，等待Ka/Ku HTS成熟？
國內(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）預(yù)計今年下半年發(fā)射，但是否能在我國落地尚未確認(rèn)；我國最早Ka商用衛(wèi)星“中星16號”預(yù)計2017年發(fā)射，中國最早的Ku HTS商用衛(wèi)星預(yù)計2018年發(fā)射。
考慮到民航局對AOC語音通信適航要求，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，不失是一種很好的選擇。
對于寬帶天地互聯(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，也是先期開展試運(yùn)行的關(guān)鍵原因，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。
與其押寶式一步到位，不如分階段部署實施，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。
我們相信在未來幾年，機(jī)載衛(wèi)星通信仍將以試驗和試運(yùn)營的形式展開。航空公司可以開展空中互聯(lián)網(wǎng)試驗局或者分階段開始一期建設(shè)，也就是無論采用何種衛(wèi)星通信技術(shù)、何種天線形態(tài)都無法或缺的核心環(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)模式驗證，同時留有接口以備隨時向成熟機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)平滑演進(jìn)。