机载卫星通信技术

1、卫星通信

卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信，由卫星和地球站两部分组成。

卫星通信的特点是：通信范围大。只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信，不易受陆地灾害的影响；只要设置地球站电路即可开通，同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间。

2、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-pressKa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、KuHTS技术也应运而生。

3、高吞吐量卫星

HighThroughputSatellite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KuHTS技术使用前提是传统Ku卫星退出服务，采用新KuHTS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KuHTS卫星，需在后续Ku卫星更替时采用KuHTS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，KuHTS效果究竟如何为未可知，仍需试验验证。

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。

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。

4、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KuHTS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KuHTS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。

5、部件组成

机载卫星设备主要由4大部件组成，分别是卫星数据组件（SDU），SDU构型组件（SCM），低噪放大器和天线双工器（LNA/DIP），高增益天线（HGA）。SDU是机载卫星系统的*控制器。LNA/DIP可以实现该系统只利用一个天线同时发射和接收数据，同时增加卫星信号增益。HGA能够接收和发射卫星射频（RF）信号。飞机其他系统通过机载卫星系统提供的接口与之相连。

信号流——发射

机组通过音频控制面板（ACP）和CDU的操作，使麦克的语音信号通过REU到达卫星数据组件（SDU），SDU将该语音信号调制成L波段的RF信号。调制好的RF信号通过LNA/DIP送给高增益天线（HGA），HGA发送一个窄波束信号给卫星。

信号流——接收

HGA接收来自于卫星L波段RF信号，并将信号送给LNA/DIP。LNA/DIP耦合放大该信号，再将放大后的信号送给SDU，SDU解调出音频信号送给REU，REU处理音频信号到耳机或喇叭。