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国产机载Ka卫星天线解决方案浅析

作者 |  谢鹰


背景

航空互联网热潮下,国内越来越多的企业投身于这个领域掘金,有积累了十多年的企业,也有入行仅数年的新锐公司,部分国产航电陆续突破了FAA、EASA、CAAC三大适航门槛,产品也由IFE系统中的视频播放系统、音频播放系统,拓展到客舱Wi-Fi系统。

国产航电企业的产品体系经历了零部件到简单系统的跨越,但这些创新,大多集中在飞机客舱内部,基本不涉及飞机机体结构的变化,随着空中接入互联网的需求的日渐迫切,一些国内航电企业开始涉足更复杂的机载卫星天线的系统集成工作。

笔者已有多篇文字详述Ku与Ka卫星解决方案的优劣(链接附于文末),加上国外已有多种成熟Ku解决方案,国产Ku方案动力略显不足,而Ka解决方案国外也仅刚刚出现数年,国内外差距有限,本文将重点探讨国产Ka解决方案的进展情况,希冀有更多的仁人志士投身其中。

ARINC-791规范浅析

说到做产品,一定离不开标准规范,为了规范指导Ku卫星天线和Ka卫星天线机载航电产品开发和适航改装,美国航空电子ARINC标准下特别制定了ARINC-791标准,该标准作为一个全球行业公认的参考指引标准,可以作为卫星天线开发者重要的参考依据。

该标准分为两个部分:

第1部分:提供了Ku频段和Ka频段卫星通信系统的概述。定义了天线子系统,包含OAE(外部天线单元)、KANDU(Ku或Ka天线控制单元)、KRFU(Ku或Ka射频单元)等三个部件,以及ModMan(调制解调器)部件,网络架构图,相关接口,安装固定等相关要求;

第2部分:提供了卫星系统的接口定义。包含天线子系统内接口定义,特别是ModMan与天线子系统之间的接口定义,包含OpenAMIP、SNMP等协议要求。

参照ARINC-791标准,国产企业研发的Ka卫星天线就具备了与海内外相关航空产品的互通性,不至于五花八门了。

海外Ka天线设备现状

与拥有上亿量级用户量的地面移动通信行业相比,卫星行业是一个较小众的垂直市场,因此这个行业没有形成统一的标准,各厂家通信协议封闭,虽然采用类似的技术,但在协议互通性上,无法做到像移动通信那样遵守一个开放统一的空口标准,因此在商业卫星领域,基本是国外企业的天地,有Huges、Viasat、Idirect、Gilat、Comtec、Newtec等国外厂家。

Ka宽带卫星业务也是近年来,随着宽带需求迅猛发展,而出现的新生事物,目前在航空互联网领域,Ku卫星天线技术仍然占据主流,随着Ku卫星资源利用率越来越高,一些新兴的进入者开始在Ka卫星资源上弯道超车,比较典型的案例就是美国的Viasat,其作为一家拥有Ka卫星资源的运营商,面对业已瓜分完毕的美国航空互联网市场,通过Ka解决方案近乎完美的用户体验,一举打破了GoGo、松下航电、全球鹰等该领域大佬们三足鼎立的格局,在美国新增市场和一些剩余市场攻城略地,也在航空互联网领域刮起了Ka的旋风。

Inmarsat在第三代海事卫星、第四代海事卫星上成功实现了语音电话和窄带数据链路服务规模应用,面对日益高涨的客舱互联网宽带需求,Inmarsat在第五代海事卫星方案上,选择了Ka频段;机载天线设备与霍尼韦尔合作(Jetwave产品),推出了GlobalXpress服务,成功在美国以外的欧洲市场、亚太、中东市场攻城略地。

目前海外较为成熟的Ka解决方案为以上两种。此两种方案或因为地面网络原因,或因为政策许可问题都无法直接在国内应用。

国产Ka天线解决方案

国内首颗Ka商用卫星中星16号,2017年4月发射升空,2018年投入商业运营。这其中,机载Ka卫星天线一直是制约Ka卫星网络在航空市场商用的关键因素之一。

曾几何时,卫星天线设备成为了国外设备厂家的自留地,鲜有国内厂家介入。举个例子,上世纪90年代,中国电信的卫星网络大建设期间,笔者当时所供职的邮电部设计院专门设置了两个卫星设计室,同事们最疲于应付的就是出国考察清一色的欧美厂家。也因此,卫星就是昂贵的代名词。

2000年后,随着我国陆地移动通信行业的迅猛发展,海洋通信需求也迫切起来,国内陆续涌现了一大批卫星集成制造企业,开始在海洋卫星通信领域掘金。彼时,公务船、客轮、游轮、货运船、乃至渔船带宽通信需求突然爆发,刚开始欧美卫星设备厂家仍旧摆出高高在上的姿态;但随着需求井喷,国内卫星集成制造企业发展起来,相继推出了物美价廉的卫星终端产品,甚至把卫星设备的价格打到数万人民币一套。而欧美企业高昂的成本,使其产品难以在中国市场立足,目前在海洋卫星通信终端领域,欧美完整的解决方案基本退出了中国市场。

当然,卫星通信中核心的调制解调器市场,仍被欧美厂家把持,只有一些专网或者保密通信单位采用了我国自主研发的调制解调器。

现阶段,国内卫星终端制造产业已形成一定规模,涌现了大批优秀的卫星终端制造企业,也陆续有企业开始涉足机载卫星终端设备的制造,诸如成都的GlobalWay和西安的SATPRO,国产Ka卫星解决方案产业环境业已成熟。

有了下游的Ka天线厂家,加上与地面配套的ModMan和配套的Ka雷达罩,国产Ka天线硬件解决方案就完备了,加上国产Wi-Fi设备,由航电设备厂家负责集成与适航取证,打造基于中星16号的Ka卫星天线解决方案,就显得顺理成章。国内目前已有几家企业在做这样的尝试,不过各自选择的路径不尽相同,有些企业选择了Ku/Ka双频天线,有些企业选择了Ka天线。

笔者愚见,Ka天线才是正道,毕竟双频天线本质上是两套系统,一套工作,另一套闲置,两套系统的增重,运营切换、系统复杂、维护成本高等问题导致在实际应用中困难重重,Viasat就是典型的案例,作为航空互联网的后来者,Viasat的Ka方案只有区域覆盖,面对Ku全球覆盖,Viasat下决心完成了Ku/Ka双频卫星天线的开发和适航取证,但由于增重明显、组网切换等诸多问题,欧美的航空公司并不认可Ku/Ka双频天线,Viasat最终放弃了Ku/Ka双频天线方案,转而全力推动Ka卫星的覆盖范围,大力发展Ka单频天线。可以说,Ku/Ka双频天线方案目前在国际上尚没有成功案例。

观点

随着人民对美好生活向往与我们落后的客舱娱乐服务的矛盾日益突出,作为真情服务为重要内容的航空互联网已箭在弦上,无论是客舱娱乐系统升级改造,还是空中接入互联网的实现,都成为航空公司未来品牌和服务竞争的重点,客舱娱乐系统升级改造或航空互联网改造与升级必将成为航空运输业未来3-4年工作的重点,国产Ka解决方案的出现无疑将极大促进此项工作推动落地执行,使得航空公司有更多的选择机会。

我国由航空大国向航空强国迈进,航空制造强国是基础。航空互联网作为客舱娱乐通信需求的满足者,其设备等级要求相对较低,其开放的特性,完全可以作为我国航空电子制造产业发展的弯道超车机会。在空间信息应用于服务成为国家战略新兴产业的大背景下,借助我国移动互联网和通信产业发展优势,结合我国航空制造产业积累的宝贵经验,我们有理由相信,国产机载Ka卫星天线解决方案必将拥有更加灿烂的明天!