【精度】浅谈机上卫星互联网终端：天线与调制解调器

1月23日，国防科工局、国家航天局对外正式宣布，我国首颗高通量通信卫星“实践十三号”在轨交付，正式投入使用，将纳入“中星”卫星系列，命名为“中星十六号”卫星，标志着我国正式步入Ka高通量卫星商用运营时代。

就在上周，东方航空、海南航空率先宣布可空中开机，随后共13家航空公司加入“手机解禁”行列，网站及社交媒体掀起对机上手机开放的讨论热潮，航空互联网一下子被社会舆论推到了风口浪尖，连一向“高冷”的各种卫星技术都得到热议。

结合此次“实践十三号”投入使用，本文将对航空互联网所涉及的卫星及终端设备技术发展进行详细解读，以饲读者。

一、“实践十三号”（“中星十六号”）闪亮登场

根据官方资料，实践十三号卫星创造了我国及世界通信卫星多个“首次”，标志着我国卫星通信进入高通量卫星时代。

● 首次在我国通信卫星上应用Ka频段宽带技术。通信总容量达20Gbps，超过了我国已研制发射的通信卫星容量总和；

● 首次在国际上开展高轨卫星与地面的双向激光通信试验，速率最高达到5Gbps；

● 首次在我国高轨长寿命通信卫星上工程化应用地球敏感器、Ka频段宽带接收机等国产化产品，实现了卫星关键核心单机的自主可控；

● 首次在我国卫星上配置电推进分系统来完成全寿命期的轨道位置定点工作，推动我国卫星平台技术全面跨入电推进时代。

我国高通量卫星覆盖示意图

“中星十八号”卫星拟于2019年初发射，届时我国将拥有覆盖中国全境的Ka系统，容量高达30G（“中星十六号”20G、“中星十八号”10G），加上未来计划发射的东方红五号平台高通量卫星，预计到2020年，形成可覆盖中国全境以及亚太地区，容量接近200Gbps的通信能力。

未来有如此多的卫星资源保障，航空互联网的前景具有相当广阔的想象空间！机上要实现上网，除了卫星还涉及什么产业链环节？下面笔者从卫星的两个最关键部分——机载卫星天线和机载卫星调整解调器，跟大家聊聊机载卫星系统。

二、机载卫星天线技术发展

机载卫星天线技术有三种形态，各有特点。

（一）传统机械卫星天线

此类天线是航空互联网目前应用的主流天线技术。

优点：技术成熟，成本较低，在高纬度地区的效果优于后面两种天线；

缺点：低纬度地区效果欠佳，机械部件较多，维护要求高，可靠性略差，需要雷达罩，同时雷达罩轮廓高度超过30cm，未来无法兼容中低轨道星座。

国内技术水平：已基本与国际水平相当，国产产品性价比优势明显。

（二）单向电调卫星天线

此类天线是美国航空互联网服务提供商GoGo公司主力推广的天线，现阶段采用的是2Ku天线，未来2Ka天线也即将面世装机。

优点：机械部件减少一半，仅有水平面有电机，雷达罩轮廓低，高度只有传统机械天线雷达罩的一半；左右，低纬度地区效果两倍于传统天线，未来可以兼容中低轨道星座；

缺点：高纬度地区由于投射面积小，效果可能劣于传统天线，两幅天线，重量略大于传统天线，成本略高于传统天线。

国内技术水平：相比国外还有些差距，目前国内正在研发此类型天线，国外已有成熟装机产品。

（三）全电调卫星天线

此类天线仍处于原型机阶段，有厂家宣称2019年将推出商用产品。

优点：没有机械部件，雷达罩可以与天线一体，轮廓小于10cm，可以与飞机机身进行共形设计，未来可以兼容中低轨道星座；

缺点：成本高昂，现阶段暂不具备大规模商用条件，预计2020年以后成本可以达到商用条件；

国内技术水平：相比国外还一定的差距，国际上已有原型产品，但国内尚没有完成民品原型的开发。

以上三种天线形态，既可以做Ku天线，也可以做Ka天线。不过从发展的眼光看，Ka卫星一定是未来的大趋势；但由于Ku HTS的出现，Ku也不会走向消亡，在全球跨洋卫星市场，Ku相当长时间内，仍会是市场的主流。但在区域卫星市场（例如国内），Ka丰富的频率资源、充裕的卫星容量很可能使之成为航空公司的首选。当然选择了Ku的航空公司也不必太悲观，Ku HTS的出现，将极大地缓解Ka对Ku造成的竞争压力，Ku HTS的未来也不容小觑。

三、卫星调整解调设备详解

相对于庞大的移动通信市场，卫星市场是一个小众市场，所以卫星通信领域没有像移动通信领域那样，先有行业统一标准，才有下设备和网络，相关的协议标准都是开放的。卫星领域的调制解调各厂家均采用了私有协议，导致卫星主站和卫星终端的调制解调器选择必须匹配。

此前，在非高通量卫星时代，卫星运营商的模式如同卖管道，用户基于管道通路可以自行建立主站，并选择匹配的终端开展业务，调制解调器的选择比较自由。经过了长时间的市场发展及竞争，全球形成了一些知名的调制解调器提供商，如IDirect、Hughes、Viasat、Gilat等，很遗憾，其中基本没有中国企业的身影，只有在政府专网中才有国产调制解调器的一席之地。

到了高通量卫星时代，由于卫星波束不再是一个大波束，而是由许多点波束组成，为了解决波束切换问题，卫星运营商必须有所作为。针对卫星移动业务，运营模式已经无法像过去那样“卖管道”了，而是必须连两端的龙头也一并提供匹配产品。以此次投入商用的“中星十六号”为例，采用的地面段网络由Gilat提供，因此航空公司选用Gilat的机载调制解调器即可在已运行的“中星十六号”网络中直接使用。

考虑到航空公司和机载业务服务提供商可能希望使用其它地面段网络，当然也可以在“中星十六号”系统下建设第二套或者第三套由不同设备厂商提供的地面网络，但建设一套完整的高通量地面网络需要庞大的资金投入和专业团队实施运维，因此，像传统卫星时代那样可以随意选择地面网络及调制解调器的时代已经过去了。

下表说明了全球主要航空互联网服务提供商对调制解调器的选择情况：

序号	航空互联网运营商	调制解调器选择
		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、松下与GEE目前已升级采用新一代调制解调器，Inmarsat、Viasat仍沿用第一代产品。

未来，拥有中国自主知识产权的高通量宽带卫星系统将直接为国家“一带一路”战略服务。

结束语

航空互联网从美国ATG（3G）起步，到传统Ku天线、传统Ka天线，再到单向电调2Ku天线；未来是否会有单向电调2Ka天线，或是一步发展到全电调Ku或Ka天线，均未可知。不过可以预见的是，随着机上“手机禁令”的解除，航空互联网切切实实迎来了飞速发展的契机。“中星十六号”的商用标志着Ka高通量卫星正式启动商业服务，今天中国的传统卫星行业已经今非昔比，相信未来不仅仅是民族航电，高通量宽带卫星系统的应用也将创造中国“超级工程”的辉煌。

作者介绍

谢 鹰

老鹰漫谈坛主

深圳市多尼卡电子副总裁

20年的通信行业经验（通信规划、通信设计、技术研究、政策咨询、网络运行维护、客户服务、网络安全），见证了中国移动通信的兴起；2014进入航空互联网（跨界），3年以上电子制造，ATG运营，卫星运营和互联网业务运营经验。