面向空中的移动卫星通信系统发展浅析

2018-08-21星展测控科技股份有限公司韩磊

卫星应用 2018年7期

● 文 |星展测控科技股份有限公司韩磊

一、引言

随着无线通信技术的快速发展，人们对飞机上使用便携式电子设备，特别是使用手机的需求越来越强烈，多个国家的研究机构和专业组织对机上便携式电子设备（PED）使用进行了持续性研究。近年来，波音、空客等飞机制造商也在设计和制造环节考虑如何防止便携式电子设备干扰。航空无线电技术委员会先后发布行业标准，提出了航空器抗PED电磁干扰的技术规范，这也为进一步开放机上便携式电子设备使用奠定了基础。2018年1月，中国民用航空局发布《机上便携式电子设备（PED）使用评估指南》，用于指导航空公司验证和评估机上便携式电子设备的使用。国内航班从此开启了中国空中互联网时代。

二、国内外机载无线宽带市场现状及趋势

目前，全新模式的客舱无线宽带（Wi-Fi）娱乐系统已经被全球大多数航空公司所认可，而且也都在集中采取以优化系统的方式来提高自身品质的模式。

国外的机载Wi-Fi项目，始于“波音计划”，随着各种通信技术、安全技术的成熟，近年来国外的机载Wi-Fi服务覆盖面越来越广。目前，欧洲、美洲和亚洲等地的几十家航空公司已经安装了机载移动通信系统，并且均成立了专门的运营公司正式进入商业化运作。国外的机载Wi-Fi业务资费有以下四种典型模式：免费使用、按设备流量计费、按月计费、按小时计费。

根据美国全球工业分析家公司（GIA）的统计，截至2015年，全球装配机载Wi-Fi系统的飞机有4000余架，其中北美航空公司的飞机超过80%，其次是中东航空公司和欧洲航空公司。另外根据统计，目前美国现已有超过71%的民航飞机完成了机载Wi-Fi系统的安装，另外还有7%的民航飞机正在进行机载Wi-Fi系统的安装。而美国以外的民航飞机这两组数据仅为13%和12%，可见目前北美地区是机载Wi-Fi普及率最高的地区。2015年全球装配机载Wi-Fi系统的飞机数量占比如图1所示。

根据中国民航网《民航智库》预测，到2022年，全球装配机载Wi-Fi设备的民航飞机将达到11000余架次，其中19%的飞机属于亚太地区航空公司（2015年该数据为3%)，相比2015年增长近17倍，其中以中国为主要增长地区。可见未来几年国内机载Wi-Fi市场将有较大的发展。

目前，全球范围内能够提供具备航空资格、性能卓越的客舱Wi-Fi系统的供应商为数不多。

我国的民用航空机载移动通信刚刚起步，两种主要的技术手段(地空基站方式和卫星中继方式)都处于试验阶段，还未大规模应用。我国作为一个幅员辽阔、民用航空发达的国家，此业务的需求非常巨大。随着我国民用航空的快速发展，民航飞机数量、航线里程以及乘客数量都将增加，飞机上网的需求也会激增，发展机载公众移动通信业务会带来巨大收益。而在发展机载公众移动通信系统的同时，也需要对该系统在用频段和设台等方面做充分考虑，进行系统间和系统级的兼容共存研究，制定详细的标准和法规，以确保航空飞行的安全。

图1 2015年全球装配机载Wi-Fi系统的飞机数量占比

目前国内航空公司如中国东方航空股份有限公司、中国南方航空股份有限公司、中国国际航空股份有限公司、海南航空控股股份有限公司、深圳航空有限责任公司等已经推出了装配有机载Wi-Fi系统的航班，春秋航空股份有限公司在2015年7月下旬也宣布进入。2015年7月28日中国国际航空股份有限公司发布公告称，将投入1.5亿元用于机上Wi-Fi项目。中国东方航空股份有限公司在其绝大多数的宽体机上已经安装了机载Wi-Fi系统，相比国外飞机Wi-Fi，国内航空公司普遍采取的是对乘客免费的方式。一架飞机的Wi-Fi系统改造成本在300万～500万元左右，而且租赁卫星宽带资源花费也不菲，这意味着国内航空公司将采取向商家收费的方式来消化高昂的成本。

相比国外的机载Wi-Fi系统供应商，国内的机载Wi-Fi设备厂商目前还处于起步阶段。因此面对未来国内快速扩大的机载Wi-Fi市场，亟待解决包括机载卫星天线在内的一系列航电设备的国产化问题。国内卫星通信的设备供应商已经积极准备进入这一领域。多家企业已经推出了机载卫星通信系统的解决方案，其中星展测控科技股份有限公司已经取得了相关认证，并在海外市场中打开了销路。

三、卫星通信发展趋势

传统的卫星通信产业格局正在发生巨大变化。这一变化的标志性事件是美国、中国等国家和地区的卫星运营机构，纷纷计划和发射大容量Ka频段高通量通信卫星，以美国休斯公司、美国卫讯公司为产业龙头，以及20余个宽带卫星通信星座项目，总数多于15000个在轨小通信卫星。

2017年4月，中星16号卫星成功发射，成为中国第一个高通量通信卫星，预计将在2018年开始面向海事、航空、陆地应用全面提供宽带接入服务。亚太卫星控股有限公司将在2019年发射其第一颗高通量卫星，选择Ku频段为用户提供服务。

2017年2月，一网公司（OneWeb）向美国联邦通信委员会（FCC）提交申请，计划建造更大的星座，将再追加2000颗在轨小卫星的制造、发射和运营，其在轨卫星将达到约2700颗，而不是最初宣称的648颗。2017年6月，FCC已授权OneWeb，批准其在美国使用其卫星提供互联网服务。OneWeb将向全球电信运营商提供光缆品质的接入服务。据最新消息2018年第四季度，首批OneWeb卫星将发射升空。

中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司、中国电子科技集团公司等国内央企也纷纷发布了低轨宽带星座的计划。

1.多功能融合

传统的卫星移动通信系统主要是向用户提供区域乃至全球范围的话音、数据、短信等移动通信服务。随着卫星移动通信的发展，单纯的移动语音和短信业务已经不能满足越来越高的数据和通信的要求，未来的卫星移动通信系统将融合越来越多的其他功能。

典型的例如铱星二代系统中兼具广播式自动相关监视（ADS-B）航空器监视功能和船舶自动识别系统（AIS）监视功能。此外，还可能包括一些别的附加信息，如航向、温湿度、风速、风向等。

随着卫星定位服务的广泛应用，卫星定位服务与卫星移动通信相结合也将越来越普遍，多个卫星移动通信系统终端可同时支持卫星定位服务。因此，未来的卫星移动通信系统要发展，必将不拘泥于传统的数据和话音业务，多功能的融合将会变得越来越普遍。

2.天地一体化

天地一体化是未来移动网络的发展趋势。空间网络与地面网络互联互通、互为补充、高效协同，构建全新的天地一体化网络构架。目前地面5G移动通信技术预研正在日益升温，卫星移动通信的发展可以借鉴地面5G移动通信网络的研究思路，构建全新的融合卫星移动通信系统和地面移动通信系统的开放式、通用的体系架构，以实现地面空中移动无线系统的无缝切换和业务融合。

天地一体化主要包括体制、芯片、终端以及应用等几个层面的融合。终端融合是芯片融合的结果。伴随着卫星技术和终端技术的进步，卫星移动通信系统的地面终端小型化、手持化已成为可能。未来卫星移动通信的终端将向着各系统相互兼容，卫星与地面移动通信、移动与固定通信互联互通，实现个人一个终端走遍全球的通信目标。

应用融合即将各类业务和应用集合打包推向市场。通过服务平台融合，将地面移动通信和卫星移动通信有机结合，从而为用户提供更广泛、便捷、实用的服务。

3.多频段共存

为满足日益增加的带宽需求和高速数据处理需求，积极应对业务宽带化、IP 化的趋势，卫星移动通信系统使用高频段已经成为一种趋势，各种频段的系统相继出现，并将共同存在。

例如，在铱星二代系统中所使用的技术，Ka馈电链路空闲时用于卫星宽带通信，单用户可获得50Mbit/s的传输速率。这样在铱星系统中，既有L频段语音和窄带数据通信业务，也有Ka频段宽带通信业务，从而实现了L/Ka频段共存。海事卫星也开始发展Ka频段卫星通信系统以满足业务需求。工作在Ku频段上的管理支撑系统（MSS）可分为多种载体提供宽带业务。

4.宽窄带协同

目前卫星移动通信宽窄带业务均持续发展，一方面是高速率宽带交互通信业务迅猛发展，构筑空间信息高速公路；另一方面，窄带数字话音、传真、数据低速业务也将继续存在和发展。卫星移动通信系统宽带和窄带通信除了是平行应用，宽窄带还将协同传输。

具有代表性的是铱星系统，其L频段窄带链路除了传输语音和窄带业务，还可以被用于传递信令以调用Ka宽带链路资源，从而传输宽带数据业务，实现了宽窄带协同。

2016年8月6日，天通一号01星发射成功，该卫星是由中国空间技术研究院负责研制的我国首颗移动通信卫星，也被誉为“中国版的海事卫星”，其成功发射标志着我国进入到了卫星移动通信的手机时代，填补了国内空白，具有重要的里程碑意义。系统整体建成后将为中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域和航空的用户提供全天候、全天时、稳定可靠移动通信服务，支持话音、短信息和数据业务。