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传统通信技术无法满足飞机上网需求 卫星激光通信该出手了

通信 来源:腾讯科技 INDU03 2018-01-18 15:17:47 查看评论 加入收藏

  2018年1月18日,必将载入中国民航史册,东航和海航先后宣布解除飞机上使用手机的限制。从这一天起,执行了几十年的“禁止在飞机上使用手机”的法规正式作古。航空业迎来空中流量经济的元年。

  为了争当第一,在17日晚上,海航与东航还展开了开机竞赛。海航宣布将在跨零点航班上首次允许开机,东航紧跟其后,宣布当晚的181个跨零点航班同时允许开机。为了再次“弯道超车”,海南航空总裁孙剑锋亲自执飞HU7781,并于当晚21:36分在机上宣布手机开放。对此,官方的解释是,海航在全球部署最东的航站是奥克兰。按照当地时间,海航已经跨过18日的国际日期变更线。

  飞行过程中允许使用手机,是一个多方共赢的决定,这是一个前景巨大的市场。每年超过35亿人次的飞行人群蕴含着巨大的商业价值。开机竞赛背后反应的是航空公司改善用户体验和获得增值收益的巨大迫切感。

  在这方面,欧洲和美国早在2008年就完成了标准和规范制定,解决了政策上的障碍,但也遇到各方博弈和角力,最终到了2013年,才全面开放手机禁令。现在,美国有超过80%的航班安装了机载上网系统,可以提供飞行中实时联网,过去与世隔绝的“飞行孤岛”变成了在线航班。

  但在商业上,不管是最成熟的美国市场,还是跃跃欲试的中国玩家,都面临着不小的难题。美国的两家航空互联网上市公司Gogo和Global Eagle 都面临着巨额亏损,前者更是从成立以来,就没有过盈利记录。设备供应商巨头Panasonic Avionics与波音和空客合作,占领了绝大多数线装飞机的市场份额,却也举步维艰,不时会在国际市场上寻求出售。

  那飞行上网背后的技术特点和商业逻辑又是怎样的呢,谁会在复杂多变的市场环境中,成为最后的赢家呢?

  飞行上网的技术路径

  航空互联现有的技术方案一共分为两大类,第一种是以陆地铁塔为基础的对空通信技术,第二类是以卫星中继为基础的对地通信技术。一般简称为陆基、星基。其中星基又分为静止轨道卫星和近地轨道的微小卫星,一般称为高轨卫星、小卫星。

  陆基的技术特点是速度较快、延迟小、通信成本相对低。但是缺点也很明显,就是基站建设周期长、成本高,而且只能覆盖陆地航线,无法覆跨洋飞行路线。目前,只有Gogo公司在美国本土部署了250个基站,为陆上航线提供接入服务。在其他市场没有出现复制者,Gogo本身也在积极转向星基路线,推出了以高轨卫星为中继的2Ku产品,为跨洋航班服务。

  高轨卫星通信目前是航空互联的主流。这种卫星,三颗就能覆盖全球,能支持跨洋飞行。世界各国航空公司,多采用成熟的Ku技术作为建设飞行联网服务的路径,包括美西南航空、达美航空、联合航空、阿联酋航空、汉莎航空,还有中国的东航、海航、厦航等,都采用这一技术体制实现网络服务。

  不过,航空互联是近几年兴起的新兴需求,正在服役的高轨卫星当初都不是为航空设计的,很多卫星已经接近生命周期后期,资源利用率很高,能为航空公司的强烈需求腾挪的资源不多。这就造成整个航空业都面临着资源紧张、价格高昂的困境。

  卫星流量成本是地面LTE的数百倍到上千倍不等。一架飞机上网的费用动辄上百万,使得任何地面上的成功的互联网商业模式创新,都面临着无法收回成本的难题,因为在地面上开展这种创新的通信资源非常便宜。

  由于频率和轨道资源的稀缺,造成高轨道卫星市场,不是一个自由竞争的局面。为了解决这一问题。硅谷的创业者们,采取了另外一种办法。发起了“轨道革命”。他们在1400公里以内的近地空间,部署几百甚至数千颗微小卫星,组成星座,形成一个动态的实时网络,进而实现全球覆盖。

  2010以来,全球范围内至少提出了近20多个大型低轨卫星星座项目。在Google、软银等互联网巨头支持下,SpaceX、OneWeb等相继获得数十亿美金的巨额融资,他们分别发布了从680颗到7518颗不等的星座发射计划,引发全球强烈关注。

  随着国际航班的日渐增多,可以说,未来民航飞行上网的主要趋势是卫星通信网络,而在卫星通信市场,高轨卫星与小卫星之间,必将展开一轮激烈的争夺。但是频谱的限制将是双方共同的瓶颈。

  频率才是咽喉要道

  看起来,航空互联网领域各种技术选择很多,对航空公司来说,其实左右为难。高轨卫星技术成熟,但成本高昂;陆基价格便宜,但不能全球漫游;小卫星无缝覆盖,但频率协调难。没有一个完美的方案,能解决航空面临的多种问题。

  无线电频率是卫星得以在空间正常运转的基础,是信息传播的通道,就目前在国际电联(ITU)登记情况看,Ku频段上的资源已经饱和,静止轨道上的卫星也已经十分拥挤,几乎不能再发新的卫星。微小卫星由于与高轨卫星会产生信号干扰,所有成熟波段的资源申请也会受到限制。只有OneWeb一家在频率协调工作取得进展,拿到了一小段仅在美国使用的频段。

  中国也有一些低轨道星座发射的计划,但目前也受限于频率协调难题,部分星座获得了一些甚高频波段的许可,但是这种资源仅能实现小数据量传输,可做物联网,无法实现互联网数据通信服务。

  频轨紧张和通信刚需,使得航空业面临着进退两难的境地。2017年底,一家叫做LaserFleet的卫星创业公司成立,它采用微小卫星的组网方案,实现全球覆盖,又采用激光通信链路,代替无线电、微波。相当于把硅谷创业者进行了一半的轨道革命又向前推进一步,实现了频轨革命。所以在一开始,就获得国科嘉和在内的三家顶级机构的投资

  LaserFleet的创业者是航空互联的业内人,其创始人潘运滨在2012年创办了喜乐航。这家技术公司,为海航机队提供机载互联网建设服务。那架抢得头筹的HU7781上的机载卫星天线,就是喜乐航安装并运营的。

  潘运滨说,卫星通信流量昂贵、带宽资源有限,这不只是喜乐航面临的问题,也是全球民航业共同面临的成本障碍。卫星公司解决问题的动力不大,那么民航业者就想上去试试。他于2017年底辞职,创办激光卫星通信公司LaserFleet,开启第二次创业旅程。

  激光通信并不是什么前沿技术,从上世纪八十年代就已经成熟,但一直无法落地,原因就在大气湍流。在对流层内,大气涡流和温度梯度会引起投射场折射率变化。激光信号在“最后一公里”产生漂移和偏转,不能完成全时服务。但是,飞机平飞阶段是在平流层之上。激光在这这里的通过率高达99%,基本不受大气扰动影响。LaserFleet正是瞄准这一特性,开发光学卫星,为平流层飞行器提供高速、大容量互联网服务。

  激光通信优点明显,其通信速率高、信息容量大,轻易就能达到10-40Gbps的速率。再由于光源功耗小、转换效率高、收、发天线就会做的很小,所以在设备的体积、重量、功耗上都容易控制成本。根据国际电联的定义,空间激光通信链路无需审批,可直接使用,不存在频谱规管难题。随着航空业需求日益增大,特别是前舱飞行数据的海量化趋势,超高容量的激光链路将发挥出巨大价值。

  在国际上,像LaserFleet这种定位的公司不止一家,发展速度都非常快。在德国宇航中心的支持下,一家叫Mynaric的公司,不光获得了一些技术订单,还于2017年10月,在法兰克福交易所实现上市。美国技术企业Laser light也在计划发射激光星座,为洲际骨干通信提供服务,以取代建设成本巨大、灵活性差的海底光缆。

  民航客机的互联化、智能化将是一个不可逆的趋势,据Oliver Wyman预计,到2026年,飞机每年产生的数据量将达到9800万TB。在今天,最新型的飞机,每飞行一次将产生5-8TB的数据。这些大数据可以对燃油消耗、机组操作进行优化;可以对零部件更换进行预测;可以在起飞前改变航线,避免风暴,降低延误;可以通过系统自动处理常规驾驶任务辅助飞行员;可以通过更精准的调度来填补飞行员短缺。

  航空业正处于数字科学革命的前沿。但是,狭窄的传统链路远远无法完成海量数据的实时传输。所以,卫星激光通信,将在未来成为互联飞行真正的变革者。

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