国外高通量卫星（HTS）在机载通信中的应用

航天 · 2016-11-22 23:45:51

坐过飞机的人都知道，在大多数航班上，上飞机后的一件大事，就是要关闭手机、iPad等移动电子设备，原因是防止对飞机的飞行造成信号干扰，确保飞行安全。即使你平日的工作、学习和生活离不开互联网，这个时候也只能回到没有网络的时代。但在遵守飞行规定的同时，忍受数小时甚至十几小时的“与世隔绝”，实在是不好受的事情。对于习惯了随时随地连接互联网的乘客来说，如此长时间的“不连接”是一种煎熬。如何消除飞行途中的“信息孤岛”，是航空服务业长期以来一直在努力解决的问题。　　　　一、机载通信及市场前景　　本文所称的机载通信，是指航空器对地面的通信，包括前舱通信和后舱通信。　　前舱通信属于安全业务通信。对于前舱通信，各航空公司都有较为成熟的手段，确保飞机飞行中通信的及时畅通。后舱通信主要是指乘客通过卫星或地面基站方式，接入互联网或与地面人员进行话音等通信，一般称之为“航空客舱通信娱乐”（IFEC）。随着3G及4G手机、平板电脑等移动电子设备的普及，航空客舱宽带业务需求呈显著增长态势，对航空公司的通信服务提出了更高的要求。　　机载通信为卫星应用提供了重要的市场机遇。有数据统计，目前全球有超过3000架次的航班可以为乘客提供基本的IFEC服务，其中一半是通过卫星技术来是实现的。据北方天空研究公司（NSR）的分析数据，未来10年机载卫星通信市场会有稳步发展。预计到2024年，全球机载卫星通信市场规模将从2014年的47500单元（units）增长到95500单元，零售业销售收入将达到32亿美元。　　欧洲咨询公司（Euroconsult）2014年发布的《航空客舱通信娱乐服务展望》的报告，勾画出了一个令人鼓舞的情景。报告预计，随着全球航空公司对IFEC的需求增加，到2023年，大约有12900架客机和24000架公务机会为乘客提供IFEC服务。　　IFEC服务的实现有多种方式，有的服务提供商采用的是地空宽带互联技术（ATG），通过地面基站为旅客提供互联网服务，如美国的GOGO。随着大容量、高频段、点波束及复用技术的发展，卫星通信在IFEC服务中的比重逐渐增加，特别是高通量卫星（HTS）在IFEC服务中扮演着越来越重要的角色，机载通信成为卫星通信越来越重要的目标市场。　　　　二、高通量卫星（HTS）概况前景　　“高通量卫星”（HTS）一词最早由北方天空研究公司（NSR）于2008年提出。“高通量”一词是相对于同等轨道频谱的常规卫星而言的，主要体现在高水平的频率复用及点波束技术上，通过上述技术可提供比常规卫星高出数倍甚至数十倍的容量。　　在这一概念刚提出不久，业界95%的人都自然地认为HTS的基本特点是：Ka频段、多点波束、整星吞吐量100Gbit/s以上、主要用于宽带接入服务，认为Hughes网络、Exede或者Tooway提供的就是这样的服务。但是在NSR看来，HTS可以使用任意频段（例如Thaicom-4使用的就是Ku频段），总吞吐量视所分配的在轨频率及频率复用情况可大可小，从技术上可以服务于任何目前由传统C频段及Ku频段固定卫星业务（FSS）提供的商业卫星应用或服务。业界对HTS有不同的分类。　　按使用频段和卫星轨道划分，HTS主要有三种类型：　　1）Ku频段GEO的HTS：主要在宽体飞机上使用，用于越洋连接，满足长途飞行机载通信的需要。根据NSR的预测，未来10年，对Ku频段GEO的HTS容量需求将达到30Gbit/s，其中45%为宽体客机使用，用于越洋连接。　　2）Ka频段GEO的HTS：主要在窄体飞机和商务机上使用。对于商务机乘客来说，飞机提供更高带宽服务应该是标配。　　3）非GEO的HTS：主要在宽体飞机上使用，但目前吸引力较低，随着电控平板天线技术的成熟，应用会更广。最为典型的是OneWeb公司，计划发射700颗LEO卫星，其业务之一就是提供航空宽带服务。　　从系统分类上看，HTS主要分为两类：开放系统和封闭系统。所谓开放系统，是指服务提供商向卫星运营商购买容量，自己定义服务等级，选择设备并向用户出售服务。欧洲的Avanti、SES、亚洲的IPstar、Intelsat的EPIC、O3B网络等就属于这种类型。封闭系统则是指服务提供商只能转售由卫星运营商确定的服务，不能定义服务等级。北美地区的Hughes网络、 Viasat Exede，欧洲的Tooway以及中东地区的YahClick就属于封闭系统。　　根据NSR的报告，到2023年，全球对HTS的通信容量需求将超过1000Gbit/s，全球HTS容量租用销售收入将超过20亿美元，而2011年底仅为1.63亿美元。到2021年，宽带接入将成为HTS需求的最大业务。　　从当前及未来技术发展趋势看，HTS集中了以下几个优点：频谱效率高、点波束天线、超宽带转发器，可以实现高带宽和高吞吐量，基本是传统卫星的5～10倍。尽管大多数HTS在设计之初使用的是Ka频段，但运营商也在将该技术运用于其他频段，特别是Ku频段。HTS的点波束可以改善链路性能，相比于传统卫星，HTS数据速率更高，可用性更好。　　HTS最大的优势是降低成本。有资料统计，目前一颗HTS卫星的总容量超过100Gbit/s，但卫星建造、火箭发射、发射保险的费用与传统卫星持平，每Gbit/s的投资已经降到400～500万美元，仅是一颗传统FSS卫星的1/50。由此，HTS卫星网络的带宽成本可以与地面网络的带宽成本相当。　　三、HTS提供IFEC服务的现状　　在HTS服务于机载通信的链条中，涉及卫星运营商、机载通信服务提供商和航空公司。卫星运营商提供通信所需要的卫星，机载通信服务提供商租用卫星运营商的带宽，再向航空公司的航班提供机载通信服务，有的情况下卫星运营商直接为航空公司的航班提供机载通信服务。从卫星运营商的角度看，提供HTS机载通信服务的既有固定卫星运营商，也有移动卫星运营商。近年来，全球卫星运营商不断寻求新的增长引擎，主要措施一个是针对新兴市场发射新卫星，另一个就是投资于HTS系统及载荷。　　1．固定卫星运营商（FSS）　　根据欧洲咨询公司的报告，2013年有11家固定卫星运营商向市场提供HTS容量，总容量达550Gbit/s，另有9家运营商在未来4年内发射首颗HTS卫星。表1是主要固定卫星运营商2013年HTS容量的基本情况，后面对几个重点的运营商情况进行介绍。　　表1 全球提供HTS的固定运营商

（1）卫讯（Viasat）公司　　在轨卫星为Viasat-1，2011年10月发射，由劳拉空间系统公司（SS/L）采用1300平台制造，起飞质量6740kg，轨位115°W，设计寿命15年。卫星总容量150Gbit/s，72个Ka频段点波束，可以覆盖美国大陆地区75%，以及阿拉斯加、夏威夷及加拿大人口稠密地区。除Viasat-1外，卫讯公司还拥有Ka频段的Wildblue-1卫星，还租用了加拿大Anik-F2的部分容量。Viasat-2卫星计划2016年夏季由SpaceX公司发射，届时其覆盖区域是Viasat-1的7倍，带宽是Viasat-1的2倍。　　卫讯是GEO HTS服务的重要提供商，在全球商务机通信市场中占比从2013年的19%上升到2014年的26%。服务对象主要是美国的捷蓝航空和联合大陆两家公司，HTS机载通信的下载速度可达12Mbit/s，上传速度1Mbit/s。卫讯目前在捷蓝航空公司航班上提供的是免费服务。　　2014年7月，卫讯公司与Eutelsat订立了一份开创性的协议，将允许在各自的HTS卫星网络上（Eutelsat公司的Ka-SAT卫星和卫讯的ViaSat-1 卫星）进行漫游和接入服务。两个Ka频段网络容量超过全球所有在轨Ka频段容量的一半以上，共享相同的HTS卫星系统，网络使用卫讯宽带系统，以及其他由Eutelsat和卫讯拥有和运营的地面基础设施。基于以上网络的高容量服务区域将跨越北美、欧洲和地中海盆地。用户将能够在两网覆盖范围内的任意地点，使用包括机载通信在内的一系列固定和移动服务。　　（2） Eutelsat公司　　Eutelsat公司为松下电子公司（美国的一家IFEC服务商）订购了Eutelsat-172B卫星上的HTS载荷。通过172B卫星可以为亚洲地区提供空中联网服务。172B卫星由空客防务与航天公司制造，采用C和Ku两种频段。172B卫星在轨道转移上采用了电推进技术，还在连接到高通量载荷的波束之间采用动态功率分配技术。松下电子公司通过该HTS载荷为跨太平洋及亚洲的商业航班提供空中宽带及实时电视服务。松下公司的全球连接服务的名称为eXConnect，可以为用户提供免费的客舱Wi-Fi服务。乘客可以在网上冲浪、与朋友及家人通过社会网络保持联系、甚至可以查看电子邮件并发送最新的销售情况。　　除了172B卫星外，Ka-Sat卫星是Eutelsat公司提供Ka频段HTS服务的主力。　　Ka-Sat卫星2010年发射，2011年5月开始提供服务，是首颗新一代Ka频段HTS，制造商也是空客防务与航天公司。卫星系统容量超过70Gbit/s，能够支持100万个用户，它所提供的服务与地面的ADSL2+类似。　　（3） Intelsat公司　　Intelsat的HTS卫星为EpicNG系列，第一颗星是Intelsat 29e，由波音公司采用702MP平台制造。卫星的覆盖区域包括南北美洲、墨西哥湾、加勒比海以及连接北美与欧洲的北大西洋航线。EPIC IS-29e卫星开始正式运行后，可向松下电子公司提供1Gbit/s的带宽租赁服务，用于服务北大西洋航线。　　2．移动运营商（MSS）　　提供HTS的移动运营商以全球移动卫星组织（Inmarsat）为代表。Inmarsat卫星系列目前已发展到第五代。　　在Inmarsat-5之前，Inmarsat通过L、Ku等频段向陆、海、空用户提供通信服务。2010年，Inmarsat与波音公司签订合同，由波音公司利用702平台制造3颗Ka频段的大容量卫星，称之为Inmarsat-5，每颗卫星有89个Ka频段点波束，Inmarsat利用该系列卫星开展名为“全球快车”（Global Xpress， GX）的宽带服务。　　Inmarsat公司的HTS机载通信服务是由著名的IFEC服务提供商Thales公司实现的。两家公司于2013年签订航空通信备忘录，Inmarsat的GX和SwiftBroadband（L频段）成为Thales的TopSeries IFEC系统主要的和首选的卫星连接服务。　　　　四、HTS在IFEC中应用的商业模式探讨　　尽管目前IFEC服务发展如火如荼，但其商业模式尚未建立，依靠这一服务盈利尚需时日。根据欧洲咨询公司的报告，只有6%的乘客愿意为客舱通信娱乐付费。航空公司更会将其看作是对乘客体验的增强，而不是把它作为创收的工具。因此，IFEC服务提供商有必要找到适当的商务模式，既能使其挣钱，又能保持稳定性和可获利性。　　从整体上说，目前航空公司是免费提供飞行途中的连接服务的。欧洲咨询公司的报告发现，在它们所考察的服务提供商中，包括ATG、全球鹰和GoGo，还没有通过IFEC获利。目前尽管有不少航班已经开始提供IFEC服务，但成熟的商业模式远未建立，还处于不断探索之中。　　　　……　　上文选自《卫星应用》，如需详情请查阅该期刊。

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