漫谈机载卫星通信技术

2016-12-13 航佳技术 信息与电子前沿

本文转载自微信公众号：航佳技术

一、引言

伴随着航空互联网帷幕拉开，机载卫星通信近年来热度越来越高，各种媒体不断有SBB、Ku、2Ku、Ka、HTS等专业术语出现，万米高空发微博、看春晚、能上网了等热点新闻不断付诸媒体头条。移动互联网服务的最后一个信息孤岛——飞机客舱，逐步被机载卫星通信系统解决，移动互联网的触角终于登上万米高空，航空旅客们终于逐步摆脱飞行途中漫长、枯燥且与世隔绝的苦日子，开始体验云端娱乐、嗨购且时时在线的旅途好生活。

机载卫星通信技术到底是一种什么样的技术，具备哪些技术特点，其系统的构成是什么样的，未来发展趋势是什么？本期老鹰漫谈，帮你揭开机载卫星通信神秘面纱，带你探究机载卫星通信系统未来发展趋势。

二、机载卫星通信简介

机载卫星通信系统并非今日才出现的新鲜玩意，目前在我国承担青藏高原地区飞行任务的飞机以及执行跨洋飞行的宽体飞机很早就要求安装了基于L波段的机载海事卫星通信系统，主要用于解决ATC空中交通控制，这些飞机由于没有陆基VHF系统支撑，无论是语音、ACARS均通过机载卫星通信系统传送。民航局为加强AOC语音指挥畅通，要求加装机载卫星通信系统也属于这个范畴。

以上说的机载卫星通信系统过去主要用于前舱通信需求，随着客舱宽带上网需求越来越迫切，机载海事卫星系统推出了SBB业务（N*432kbps）用于客舱Wi-Fi接入，欧洲Onair公司陆续在数百架飞机上做了改装。SBB业务基于L波段卫星资源，由于L波段频率有限，总体带宽资源非常有限，加之SBB速率有限，现有海事卫星通信在客舱应用并未大规模推广。

注解1：L波段，指的是频率位于1GHz~2GHz的电磁波信号。L波段海事SBB卫星通信系统是目前覆盖全球的窄带卫星通信系统，可提供N*432Kbps的数据带宽同时具有话音链路，可同时满足前舱和后舱的使用需求。

基于Ku频段的机载卫星通信系统在美国广泛应用，美西南航空公司等多家航空公司推出基于Ku频段机载通信航空互联网服务，由于Ku频段拥有频率资源高于L频段，峰值速率也可达30Mbps（卫星资源足够前提下），所以当前Ku频段机载卫星通信系统成为最成熟的航空互联网解决方案，当前东航、国航、南航等航空公司试验试飞飞机均采用基于Ku频段的机载卫星通信系统。

注解2：Ku波段，指的是频率位于10GHz~20GHz的电磁波信号。Ku波段宽带卫星通信系统是目前机载卫星通信的主流应用，其拥有丰富的卫星资源（目前转发器资源利用率较高，可用于机载业务资源有限），且地面设施完善，同时拥有成熟的机载设备。

由于Ku频段卫星资源使用率高，可用于机载宽带通信的卫星资源有限，美国、海事卫星组织近年来陆续发射了Ka波段卫星，采用Ka频段机载卫星通信系统解决航空互联网需求，如美国Jetblue航空、新加坡航空等，由于Ka频段卫星频率资源丰富，拥有3.5GHz频率资源，同时采用多波束覆盖，使得Ka卫星通信容量相比Ku卫星容量增大了数十倍，峰值速率也提高到了100Mbps量级（海事GX-press Ka峰值速率50Mbps）。

注解3：Ka波段，指的是频率位于20GHz~30GHz的电磁波信号。Ka波段卫星通信系统由于频率高、可用频率资源丰富且采用点波束技术，使得终端尺寸小，且传输速率高，加之轨位资源丰富，是未来卫星通信系统的发展重点。

面对Ka频段机载卫星通信系统巨大优势，基于Ku频段机载卫星通信系统也进行积极应对，2Ku技术、Ku HTS技术也应运而生，2Ku技术老鹰漫谈第七期已有介绍，下面就介绍一下HTS技术。

三、HTS是一种什么样的技术

High Throughput Satellite卫星（高吞吐量卫星），是新一代通信宽带卫星的统称，HTS卫星具有以下特征：

多波束覆盖、对卫星划分频率的重复使用是HTS卫星提高吞吐容量的主要方法，在相同的划分频率范围内，该卫星载荷的吞吐量至少是传统大波束卫星的两倍以上（经常为许多倍），一般为20倍到50倍。

使用Ka频段或者Ku频段，由于Ku 频段已有传统大波束卫星，所以Ku HTS技术使用前提是传统Ku卫星退出服务，采用新Ku HTS卫星替代。

HTS卫星容量覆盖特定的较小地面区域，因此显著增加了下行卫星功率和容量。采用新一代的宽带卫星通信关口站和终端小站技术，支撑数十万套用户终端的高吞吐量通信需求。能有效的解决卫星链路带宽成本和容量问题。

HTS应用高水平的频率复用和点波束技术，实现卫星容量的倍增，初期应用于Ka卫星，Ka卫星技术直接采用了HTS技术，一方面频率资源大大增加了，另一方面HTS技术应用，才使得Ka卫星容量数十倍于传统Ku卫星。后在Ku卫星上亦开始逐渐推广HTS技术。

现有Ku卫星通信系统均为大波束传统卫星，升级支持Ku HTS卫星，需在后续Ku卫星更替时采用Ku HTS卫星替换原有传统卫星方能实现，同时现有机载卫星通信终端设备，同步需要进行软硬件升级方能支持，如调制解调器更换等。针对机载卫星通信终端而言，HTS技术引入更多的波束切换性能要求，Ku HTS效果究竟如何为未可知，仍需试验验证。

四、机载卫星天线的几种形态

机载Ku/Ka卫星天线随着技术发展，有机械式、机械分段阵列天线、相控阵天线等多种天线形态。

机械式Ku/Ka天线，如松下航电、Aerosat、Tcom、ROW44等天线均采用机械式卫星天线，依靠水平、垂直机械伺服系统实现天线精准对星。如下图所示：

由于机械式卫星天线，使用了马达等机械部件，设备可靠性相比存电子部件大大降低，同时在接近赤道地区由于机械式天线对星波形畸变，导致邻星干扰增加，往往通过降低发射功率方式，确保干扰水平可控，速率也大打折扣。

随着天线技术发展，美国GoGo公司推出了基于机械分段阵列天线，如2Ku天线，如下图所示：

2Ku使用的是机械分段阵列天线。这些天线使用了新一代的机载天线设计。与物理指向目标卫星不同，这些天线可以通过机械旋转一系列具有共振特性的内部板，在所需方向上创造光束。相比机械式卫星天线，在水平面上仍存在马达，但在垂直面上，不再采用机械方式，而采用电子调整方式，降低了天线厚度，使得天线雷达罩迎风面更小，气流特性更好，相比传统机械式雷达罩更省油，同时由于电子调整，在赤道等低纬度地区，天线辐射图可以更加精准，邻星干扰可控，同时由于发射、接收天线分开，使得2Ku速率相比传统机械式更高，基本达到了翻倍的能力。

虽然GoGo的2Ku技术有了很大进步，但在水平面仍然使用机械调整方式，更加先进的相控阵天线技术也逐步由实验室进入商用。

在军事领域，PAA相控阵天线技术在军事领域已经开始应用，可以预见PAA相控阵天线很快也会在民航领域商用。PAA相控阵天线，不再有任何机械部件，天线更薄，可靠性更高，天线不再需要安装在雷达罩下，天线甚至可以安装在机翼上，天线改装及燃油经济性方面将大大提升。

当前国内试验的Ku天线均为机械式，2016年美国GoGo将大力推广2Ku机械分段阵列天线，预计3-5年后，商用的航空PAA相控阵天线也将出现，可以预见未来飞机机载卫星天线将随着技术发展，呈现越来越小型化，更加扁平，安装更加灵活，更加节省燃油消耗。

五、机载卫星通信系统构成

机载卫星通信系统由三部分组成，分别是空间段、地面段、以及机载段。

空间段，顾名思义，指的是通信卫星，主要指卫星转发器。目前覆盖我国传统Ku卫星的只有中星6A、10、11、12，亚洲5、6、7，亚太5、6、7、9等几颗可用卫星，由于Ku转发器资源利用率高（高于70%）可用于机载业务Ku转发器的资源十分有限。覆盖亚太地区IPSTAR(泰星)是Ku HTS卫星，IPSTAR覆盖我国容量有12G带宽容量，航空移动业务尚未开展。我国自有的Ku HTS卫星尚未发射，最早也要2018年发射；我国2017年将发射第一颗Ka商用卫星，海事卫星GXpress第四颗卫星预计下半年发射。
地面段，主要指地面上负责发送和接收卫星信号以及对卫星网络进行管理的地面设施，通常称为地面站，包括天线、射频、主站Hub以及网管系统和网络运营中心（NOC）等设备/设施。
机载段，指的是位于飞机上的通信设备，包括机外天线、天线控制单元、高功放、调制解调器以及舱内无线接入设备。

六、机载卫星通信发展建议

卫星通信系统未来发展趋势和方向是Ka频段和HTS技术应用。但考虑到我国尚不具备Ka商用以及Ku HTS商用条件（IPSTAR目前尚未在航空移动业务上应用，正在升级改造）。机载卫星通信应如何选择成为摆在各航空公司面前的难题。

是选择成熟的传统Ku机载卫星通信解决方案，还是积极试验，等待Ka/Ku HTS成熟？

国内目前可落地的机载卫星通信系统包括L波段的海事卫星通信系统和Ku波段的宽带卫星通信系统。海事GXpress第四颗卫星（覆盖我国）预计今年下半年发射，但是否能在我国落地尚未确认；我国最早Ka商用卫星“中星16号”预计2017年发射，中国最早的Ku HTS商用卫星预计2018年发射。

考虑到民航局对AOC语音通信适航要求，如果选用L频段海事卫星方案，充分利用其SBB链路为客舱Wi-Fi寻找一条窄带天地互联链路解决IM等文本通信需求，不失是一种很好的选择。

对于宽带天地互联链路技术选择，考虑到监管政策、技术选择、带宽资源、机载硬件、改装和流量的投资收益率在目前还存在一定风险，也是先期开展试运行的关键原因，当前进行选择规模装机决策，均存在选择性风险。与其押宝式一步到位，不如分阶段部署实施，一方面探索不同技术方案商业模式，另一方面积极建设客舱Wi-Fi网络，先行解决客舱娱乐问题，后续待技术验证，商业模式清晰后，再进行机载卫星通信系统决策和部署。

我们相信在2016-2017年，机载卫星通信仍将以试验和试运营的形式展开。航空公司可以开展空中互联网试验局或者分阶段开始一期建设，也就是无论采用何种卫星通信技术、何种天线形态都无法或缺的核心环节——舱内Wi-Fi，这样既解决了舱内娱乐问题，又可进行商业模式验证，同时留有接口以备随时向成熟机载卫星通信系统平滑演进。

转自：航空互联CIC