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淺談機(jī)上衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端:天線與調(diào)制解調(diào)器

發(fā)布時(shí)間:2018-01-25 14:54

1月23日,國防科工局、國家航天局對外正式宣布,我國首顆高通量通信衛(wèi)星“實(shí)踐十三號”在軌交付,正式投入使用,將納入“中星”衛(wèi)星系列,命名為“中星十六號”衛(wèi)星,標(biāo)志著我國正式步入Ka高通量衛(wèi)星商用運(yùn)營時(shí)代。


就在上周,東方航空、海南航空率先宣布可空中開機(jī),隨后共13家航空公司加入“手機(jī)解禁”行列,網(wǎng)站及社交媒體掀起對機(jī)上手機(jī)開放的討論熱潮,航空互聯(lián)網(wǎng)一下子被社會輿論推到了風(fēng)口浪尖,連一向“高冷”的各種衛(wèi)星技術(shù)都得到熱議。


結(jié)合此次“實(shí)踐十三號”投入使用,本文將對航空互聯(lián)網(wǎng)所涉及的衛(wèi)星及終端設(shè)備技術(shù)發(fā)展進(jìn)行詳細(xì)解讀,以飼讀者。


一、“實(shí)踐十三號”(“中星十六號”)閃亮登場


根據(jù)官方資料,實(shí)踐十三號衛(wèi)星創(chuàng)造了我國及世界通信衛(wèi)星多個(gè)“首次”,標(biāo)志著我國衛(wèi)星通信進(jìn)入高通量衛(wèi)星時(shí)代。

● 首次在我國通信衛(wèi)星上應(yīng)用Ka頻段寬帶技術(shù)。通信總?cè)萘窟_(dá)20Gbps,超過了我國已研制發(fā)射的通信衛(wèi)星容量總和;

● 首次在國際上開展高軌衛(wèi)星與地面的雙向激光通信試驗(yàn),速率最高達(dá)到5Gbps;

● 首次在我國高軌長壽命通信衛(wèi)星上工程化應(yīng)用地球敏感器、Ka頻段寬帶接收機(jī)等國產(chǎn)化產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星關(guān)鍵核心單機(jī)的自主可控;

● 首次在我國衛(wèi)星上配置電推進(jìn)分系統(tǒng)來完成全壽命期的軌道位置定點(diǎn)工作,推動(dòng)我國衛(wèi)星平臺技術(shù)全面跨入電推進(jìn)時(shí)代。

我國高通量衛(wèi)星覆蓋示意圖


“中星十八號”衛(wèi)星擬于2019年初發(fā)射,屆時(shí)我國將擁有覆蓋中國全境的Ka系統(tǒng),容量高達(dá)30G(“中星十六號”20G、“中星十八號”10G),加上未來計(jì)劃發(fā)射的東方紅五號平臺高通量衛(wèi)星,預(yù)計(jì)到2020年,形成可覆蓋中國全境以及亞太地區(qū),容量接近200Gbps的通信能力。


未來有如此多的衛(wèi)星資源保障,航空互聯(lián)網(wǎng)的前景具有相當(dāng)廣闊的想象空間!機(jī)上要實(shí)現(xiàn)上網(wǎng),除了衛(wèi)星還涉及什么產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)?下面筆者從衛(wèi)星的兩個(gè)最關(guān)鍵部分——機(jī)載衛(wèi)星天線和機(jī)載衛(wèi)星調(diào)整解調(diào)器,跟大家聊聊機(jī)載衛(wèi)星系統(tǒng)。


二、機(jī)載衛(wèi)星天線技術(shù)發(fā)展


機(jī)載衛(wèi)星天線技術(shù)有三種形態(tài),各有特點(diǎn)。


(一)傳統(tǒng)機(jī)械衛(wèi)星天線



此類天線是航空互聯(lián)網(wǎng)目前應(yīng)用的主流天線技術(shù)。


優(yōu)點(diǎn):技術(shù)成熟,成本較低,在高緯度地區(qū)的效果優(yōu)于后面兩種天線;


缺點(diǎn):低緯度地區(qū)效果欠佳,機(jī)械部件較多,維護(hù)要求高,可靠性略差,需要雷達(dá)罩,同時(shí)雷達(dá)罩輪廓高度超過30cm,未來無法兼容中低軌道星座。


國內(nèi)技術(shù)水平:已基本與國際水平相當(dāng),國產(chǎn)產(chǎn)品性價(jià)比優(yōu)勢明顯。



(二)單向電調(diào)衛(wèi)星天線



此類天線是美國航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商GoGo公司主力推廣的天線,現(xiàn)階段采用的是2Ku天線,未來2Ka天線也即將面世裝機(jī)。


優(yōu)點(diǎn):機(jī)械部件減少一半,僅有水平面有電機(jī),雷達(dá)罩輪廓低,高度只有傳統(tǒng)機(jī)械天線雷達(dá)罩的一半;左右,低緯度地區(qū)效果兩倍于傳統(tǒng)天線,未來可以兼容中低軌道星座;


缺點(diǎn):高緯度地區(qū)由于投射面積小,效果可能劣于傳統(tǒng)天線,兩幅天線,重量略大于傳統(tǒng)天線,成本略高于傳統(tǒng)天線。


國內(nèi)技術(shù)水平:相比國外還有些差距,目前國內(nèi)正在研發(fā)此類型天線,國外已有成熟裝機(jī)產(chǎn)品。



(三)全電調(diào)衛(wèi)星天線



此類天線仍處于原型機(jī)階段,有廠家宣稱2019年將推出商用產(chǎn)品。


優(yōu)點(diǎn):沒有機(jī)械部件,雷達(dá)罩可以與天線一體,輪廓小于10cm,可以與飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行共形設(shè)計(jì),未來可以兼容中低軌道星座;


缺點(diǎn):成本高昂,現(xiàn)階段暫不具備大規(guī)模商用條件,預(yù)計(jì)2020年以后成本可以達(dá)到商用條件;


國內(nèi)技術(shù)水平:相比國外還一定的差距,國際上已有原型產(chǎn)品,但國內(nèi)尚沒有完成民品原型的開發(fā)。



以上三種天線形態(tài),既可以做Ku天線,也可以做Ka天線。不過從發(fā)展的眼光看,Ka衛(wèi)星一定是未來的大趨勢;但由于Ku HTS的出現(xiàn),Ku也不會走向消亡,在全球跨洋衛(wèi)星市場,Ku相當(dāng)長時(shí)間內(nèi),仍會是市場的主流。但在區(qū)域衛(wèi)星市場(例如國內(nèi)),Ka豐富的頻率資源、充裕的衛(wèi)星容量很可能使之成為航空公司的首選。當(dāng)然選擇了Ku的航空公司也不必太悲觀,Ku HTS的出現(xiàn),將極大地緩解Ka對Ku造成的競爭壓力,Ku HTS的未來也不容小覷。


三、衛(wèi)星調(diào)整解調(diào)設(shè)備詳解


相對于龐大的移動(dòng)通信市場,衛(wèi)星市場是一個(gè)小眾市場,所以衛(wèi)星通信領(lǐng)域沒有像移動(dòng)通信領(lǐng)域那樣,先有行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),才有下設(shè)備和網(wǎng)絡(luò),相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)都是開放的。衛(wèi)星領(lǐng)域的調(diào)制解調(diào)各廠家均采用了私有協(xié)議,導(dǎo)致衛(wèi)星主站和衛(wèi)星終端的調(diào)制解調(diào)器選擇必須匹配。


此前,在非高通量衛(wèi)星時(shí)代,衛(wèi)星運(yùn)營商的模式如同賣管道,用戶基于管道通路可以自行建立主站,并選擇匹配的終端開展業(yè)務(wù),調(diào)制解調(diào)器的選擇比較自由。經(jīng)過了長時(shí)間的市場發(fā)展及競爭,全球形成了一些知名的調(diào)制解調(diào)器提供商,如IDirect、Hughes、Viasat、Gilat等,很遺憾,其中基本沒有中國企業(yè)的身影,只有在政府專網(wǎng)中才有國產(chǎn)調(diào)制解調(diào)器的一席之地。


到了高通量衛(wèi)星時(shí)代,由于衛(wèi)星波束不再是一個(gè)大波束,而是由許多點(diǎn)波束組成,為了解決波束切換問題,衛(wèi)星運(yùn)營商必須有所作為。針對衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù),運(yùn)營模式已經(jīng)無法像過去那樣“賣管道”了,而是必須連兩端的龍頭也一并提供匹配產(chǎn)品。以此次投入商用的“中星十六號”為例,采用的地面段網(wǎng)絡(luò)由Gilat提供,因此航空公司選用Gilat的機(jī)載調(diào)制解調(diào)器即可在已運(yùn)行的“中星十六號”網(wǎng)絡(luò)中直接使用。


考慮到航空公司和機(jī)載業(yè)務(wù)服務(wù)提供商可能希望使用其它地面段網(wǎng)絡(luò),當(dāng)然也可以在“中星十六號”系統(tǒng)下建設(shè)第二套或者第三套由不同設(shè)備廠商提供的地面網(wǎng)絡(luò),但建設(shè)一套完整的高通量地面網(wǎng)絡(luò)需要龐大的資金投入和專業(yè)團(tuán)隊(duì)實(shí)施運(yùn)維,因此,像傳統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)代那樣可以隨意選擇地面網(wǎng)絡(luò)及調(diào)制解調(diào)器的時(shí)代已經(jīng)過去了。


下表說明了全球主要航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商對調(diào)制解調(diào)器的選擇情況:


序號
航空互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商
調(diào)制解調(diào)器選擇


第一代
新一代
1
GoGo
Idirect
Gilat
2
松下
Idirect
Newtech
3
GEE
Hughes
Hughes
4
Inmarsat
Idirect

5
Viasat
Viasat

注:GoGo、松下與GEE目前已升級采用新一代調(diào)制解調(diào)器,Inmarsat、Viasat仍沿用第一代產(chǎn)品。


未來,擁有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的高通量寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)將直接為國家“一帶一路”戰(zhàn)略服務(wù)。


結(jié)束語


航空互聯(lián)網(wǎng)從美國ATG(3G)起步,到傳統(tǒng)Ku天線、傳統(tǒng)Ka天線,再到單向電調(diào)2Ku天線;未來是否會有單向電調(diào)2Ka天線,或是一步發(fā)展到全電調(diào)Ku或Ka天線,均未可知。不過可以預(yù)見的是,隨著機(jī)上“手機(jī)禁令”的解除,航空互聯(lián)網(wǎng)切切實(shí)實(shí)迎來了飛速發(fā)展的契機(jī)。“中星十六號”的商用標(biāo)志著Ka高通量衛(wèi)星正式啟動(dòng)商業(yè)服務(wù),今天中國的傳統(tǒng)衛(wèi)星行業(yè)已經(jīng)今非昔比,相信未來不僅僅是民族航電,高通量寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用也將創(chuàng)造中國“超級工程”的輝煌。



作者介紹

謝 鷹

老鷹漫談壇主

深圳市多尼卡電子副總裁

20年的通信行業(yè)經(jīng)驗(yàn)(通信規(guī)劃、通信設(shè)計(jì)、技術(shù)研究、政策咨詢、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)、客戶服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全),見證了中國移動(dòng)通信的興起;2014進(jìn)入航空互聯(lián)網(wǎng)(跨界),3年以上電子制造,ATG運(yùn)營,衛(wèi)星運(yùn)營和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。


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