【技術探討】機載衛星通信技術未來的發展趨勢

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文章作者：謝鷹

1 引 言

伴隨著航空互聯網帷幕拉開，機載衛星通信近年來熱度越來越高，各種媒體不斷有SBB、Ku、2Ku、Ka、HTS等專業術語出現，萬米高空發微博、看春晚、能上網了等熱點新聞不斷付諸媒體頭條。

移動互聯網服務的最後一個信息孤島——飛機客艙，逐步被機載衛星通信系統解決，移動互聯網的觸角終於登上萬米高空，航空旅客們終於逐步擺脫飛行途中漫長、枯燥且與世隔絕的苦日子，開始體驗雲端娛樂、嗨購且時時在線的旅途好生活。

機載衛星通信技術到底是一種什麼樣的技術，具備哪些技術特點，其系統的構成是什麼樣的，未來發展趨勢是什麼？本期老鷹漫談，幫你揭開機載衛星通信神秘面紗，帶你探究機載衛星通信系統未來發展趨勢。

2 機載衛星通信簡介

機載衛星通信系統並非今日才出現的新鮮玩意，目前在承擔青藏高原地區飛行任務的飛機以及執行跨洋飛行的寬體飛機很早就要求安裝了基於L波段的機載海事衛星通信系統，主要用於解決ATC空中交通控制，這些飛機由於沒有陸基VHF系統支撐，無論是語音、ACARS均通過機載衛星通信系統傳送。民航局為加強AOC語音指揮暢通，要求加裝機載衛星通信系統也屬於這個範疇。

以上說的機載衛星通信系統過去主要用於前艙通信需求，隨著客艙寬頻上網需求越來越迫切，機載海事衛星系統推出了SBB業務（N*432kbps）用於客艙Wi-Fi接入，歐洲Onair公司陸續在數百架飛機上做了改裝。

SBB業務基於L波段衛星資源，由於L波段頻率有限，總體帶寬資源非常有限，加之SBB速率有限，現有海事衛星通信在客艙應用並未大規模推廣。

註解1：L波段，指的是頻率位於1GHz~2GHz的電磁波信號。L波段海事SBB衛星通信系統是目前覆蓋全球的窄帶衛星通信系統，可提供N*432Kbps的數據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。

基於Ku頻段的機載衛星通信系統在美國廣泛應用，美西南航空公司等多家航空公司推出基於Ku頻段機載通信航空互聯網服務，由於Ku頻段擁有頻率資源高於L頻段，峰值速率也可達30Mbps（衛星資源足夠前提下），所以當前Ku頻段機載衛星通信系統成為最成熟的航空互聯網解決方案，當前東航、國航、南航等航空公司試驗試飛飛機均採用基於Ku頻段的機載衛星通信系統。

註解2：Ku波段，指的是頻率位於10GHz~20GHz的電磁波信號。Ku波段寬頻衛星通信系統是目前機載衛星通信的主流應用，其擁有豐富的衛星資源（目前轉發器資源利用率較高，可用於機載業務資源有限），且地面設施完善，同時擁有成熟的機載設備。

由於Ku頻段衛星資源使用率高，可用於機載寬頻通信的衛星資源有限，美國、海事衛星組織近年來陸續發射了Ka波段衛星，採用Ka頻段機載衛星通信系統解決航空互聯網需求，如美國Jetblue航空、新加坡航空等，由於Ka頻段衛星頻率資源豐富，擁有3.5GHz頻率資源，同時採用多波束覆蓋，使得Ka衛星通信容量相比Ku衛星容量增大了數十倍，峰值速率也提高到了100Mbps量級（海事GX-press Ka峰值速率50Mbps）。

註解3：Ka波段，指的是頻率位於20GHz~30GHz的電磁波信號。Ka波段衛星通信系統由於頻率高、可用頻率資源豐富且採用點波束技術，使得終端尺寸小，且傳輸速率高，加之軌位資源豐富，是未來衛星通信系統的發展重點。

面對Ka頻段機載衛星通信系統巨大優勢，基於Ku頻段機載衛星通信系統也進行積極應對，2Ku技術、Ku HTS技術也應運而生，2Ku技術老鷹漫談第七期已有介紹，下面就介紹一下HTS技術。

3 HTS是一種什麼樣的技術

High Throughput Satellite 衛星（高吞吐量衛星）， 是新一代通信寬頻衛星的統稱，HTS衛星具有以下特徵：

多波束覆蓋、對衛星劃分頻率的重複使用是HTS衛星提高吞吐容量的主要方法，在相同的劃分頻率範圍內，該衛星載荷的吞吐量至少是傳統大波束衛星的兩倍以上（經常為許多倍），一般為20倍到50倍。

使用Ka頻段或者Ku頻段，由於Ku 頻段已有傳統大波束衛星，所以Ku HTS技術使用前提是傳統Ku衛星退出服務，採用新Ku HTS衛星替代。

HTS衛星容量覆蓋特定的較小地面區域，因此顯著增加了下行衛星功率和容量。採用新一代的寬頻衛星通信關口站和終端小站技術，支撐數十萬套用戶終端的高吞吐量通信需求。能有效的解決衛星鏈路帶寬成本和容量問題。

HTS應用高水平的頻率復用和點波束技術，實現衛星容量的倍增，初期應用於Ka衛星，Ka衛星技術直接採用了HTS技術，一方面頻率資源大大增加了，另一方面HTS技術應用，才使得Ka衛星容量數十倍於傳統Ku衛星。后在Ku衛星上亦開始逐漸推廣HTS技術。

現有Ku衛星通信系統均為大波束傳統衛星，升級支持Ku HTS衛星，需在後續Ku衛星更替時採用Ku HTS衛星替換原有傳統衛星方能實現，同時現有機載衛星通信終端設備，同步需要進行軟硬體升級方能支持，如數據機更換等。針對機載衛星通信終端而言，HTS技術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 機載衛星天線的幾種形態

機載Ku/Ka衛星天線隨著技術發展，有機械式、機械分段陣列天線、相控陣天線等多種天線形態。

機械式Ku/Ka天線，如松下航電、Aerosat、Tcom、ROW44等天線均採用機械式衛星天線，依靠水平、垂直機械伺服系統實現天線精準對星。如下圖所示：

由於機械式衛星天線，使用了馬達等機械部件，設備可靠性相比存電子部件大大降低，同時在接近赤道地區由於機械式天線對星波形畸變，導致鄰星干擾增加，往往通過降低發射功率方式，確保干擾水平可控，速率也大打折扣。

隨著天線技術發展，美國GoGo公司推出了基於機械分段陣列天線，如2Ku天線，如下圖所示：

2Ku使用的是機械分段陣列天線。這些天線使用了新一代的機載天線設計。與物理指向目標衛星不同，這些天線可以通過機械旋轉一系列具有共振特性的內部板，在所需方向上創造光束。

相比機械式衛星天線，在水平面上仍存在馬達，但在垂直面上，不再採用機械方式，而採用電子調整方式，降低了天線厚度，使得天線雷達罩迎風面更小，氣流特性更好，相比傳統機械式雷達罩更省油，同時由於電子調整，在赤道等低緯度地區，天線輻射圖可以更加精準，鄰星干擾可控，同時由於發射、接收天線分開，使得2Ku速率相比傳統機械式更高，基本達到了翻倍的能力。

雖然GoGo的2Ku技術有了很大進步，但在水平面仍然使用機械調整方式，更加先進的相控陣天線技術也逐步由實驗室進入商用。

在軍事領域，PAA相控陣天線技術在軍事領域已經開始應用，可以預見PAA相控陣天線很快也會在民航領域商用。PAA相控陣天線，不再有任何機械部件，天線更薄，可靠性更高，天線不再需要安裝在雷達罩下，天線甚至可以安裝在機翼上，天線改裝及燃油經濟性方面將大大提升。

當前國內試驗的Ku天線均為機械式，2016年美國GoGo將大力推廣2Ku機械分段陣列天線，預計3-5年後，商用的航空PAA相控陣天線也將出現，可以預見未來飛機機載衛星天線將隨著技術發展，呈現越來越小型化，更加扁平，安裝更加靈活，更加節省燃油消耗。

5 機載衛星通信系統構成

機載衛星通信系統由三部分組成，分別是空間段、地面段、以及機載段。

空間段，顧名思義，指的是通信衛星，主要指衛星轉發器。目前覆蓋傳統Ku衛星的只有中星6A、10、11、12，亞洲5、6、7，亞太5、6、7、9等幾顆可用衛星，由於Ku轉發器資源利用率高（高於70%）可用於機載業務Ku轉發器的資源十分有限。

覆蓋亞太地區IPSTAR(泰星)是Ku HTS衛星，IPSTAR覆蓋容量有12G帶寬容量，航空移動業務尚未開展。自有的Ku HTS衛星尚未發射，最早也要2018年發射；2017年將發射第一顆Ka商用衛星，海事衛星GXpress第四顆衛星預計下半年發射。

地面段，主要指地面上負責發送和接收衛星信號以及對衛星網路進行管理的地面設施，通常稱為地面站，包括天線、射頻、主站Hub以及網管系統和網路運營中心（NOC）等設備/設施。

機載段，指的是位於飛機上的通信設備，包括機外天線、天線控制單元、高功放、數據機以及艙內無線接入設備。

6 機載衛星通信發展建議

衛星通信系統未來發展趨勢和方向是Ka頻段和HTS技術應用。但考慮到尚不具備Ka商用以及Ku HTS商用條件（IPSTAR目前尚未在航空移動業務上應用，正在升級改造）。機載衛星通信應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Ku機載衛星通信解決方案，還是積極試驗，等待Ka/Ku HTS成熟？

國內目前可落地的機載衛星通信系統包括L波段的海事衛星通信系統和Ku波段的寬頻衛星通信系統。海事GXpress第四顆衛星（覆蓋）預計今年下半年發射，但是否能在落地尚未確認；最早Ka商用衛星「中星16號」預計2017年發射，最早的Ku HTS商用衛星預計2018年發射。

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鏈路解決IM等文本通信需求，不失是一種很好的選擇。

對於寬頻天地互聯鏈路技術選擇，考慮到監管政策、技術選擇、帶寬資源、機載硬體、改裝和流量的投資收益率在目前還存在一定風險，也是先期開展試運行的關鍵原因，當前進行選擇規模裝機決策，均存在選擇性風險。

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方案商業模式，另一方面積極建設客艙Wi-Fi網路，先行解決客艙娛樂問題，後續待技術驗證，商業模式清晰后，再進行機載衛星通信系統決策和部署。