傳統通信技術無法滿足飛機上網需求 衛星激光通信該出手了
文/劉浩辰
2018年1月18日，必將載入中國民航史冊，東航和海航先後宣布解除飛機上使用手機的限制。從這一天起，執行了幾十年的「禁止在飛機上使用手機」的法規正式作古。航空業迎來空中流量經濟的元年。
為了爭當第一，在17日晚上，海航與東航還展開了開機競賽。海航宣布將在跨零點航班上首次允許開機，東航緊跟其後，宣布當晚的181個跨零點航班同時允許開機。為了再次「彎道超車」，海南航空總裁孫劍鋒親自執飛HU7781，並於當晚21:36分在機上宣布手機開放。對此，官方的解釋是，海航在全球部署最東的航站是奧克蘭。按照當地時間，海航已經跨過18日的國際日期變更線。
飛行過程中允許使用手機，是一個多方共贏的決定，這是一個前景巨大的市場。每年超過35億人次的飛行人群蘊含著巨大的商業價值。開機競賽背後反應的是航空公司改善用戶體驗和獲得增值收益的巨大迫切感。
在這方面，歐洲和美國早在2008年就完成了標準和規範制定，解決了政策上的障礙，但也遇到各方博弈和角力，最終到了2013年，才全面開放手機禁令。現在，美國有超過80%的航班安裝了機載上網系統，可以提供飛行中實時聯網，過去與世隔絕的「飛行孤島」變成了在線航班。
但在商業上，不管是最成熟的美國市場，還是躍躍欲試的中國玩家，都面臨著不小的難題。美國的兩家航空互聯網上市公司Gogo和Global Eagle 都面臨著巨額虧損，前者更是從成立以來，就沒有過盈利記錄。設備供應商巨頭Panasonic Avionics與波音和空客合作，佔領了絕大多數線裝飛機的市場份額，卻也舉步維艱，不時會在國際市場上尋求出售。
那飛行上網背後的技術特點和商業邏輯又是怎樣的呢，誰會在複雜多變的市場環境中，成為最後的贏家呢？
飛行上網的技術路徑
航空互聯現有的技術方案一共分為兩大類，第一種是以陸地鐵塔為基礎的對空通信技術，第二類是以衛星中繼為基礎的對地通信技術。一般簡稱為陸基、星基。其中星基又分為靜止軌道衛星和近地軌道的微小衛星，一般稱為高軌衛星、小衛星。
陸基的技術特點是速度較快、延遲小、通信成本相對低。但是缺點也很明顯，就是基站建設周期長、成本高，而且只能覆蓋陸地航線，無法覆跨洋飛行路線。目前，只有Gogo公司在美國本土部署了250個基站，為陸上航線提供接入服務。在其他市場沒有出現複製者，Gogo本身也在積極轉向星基路線，推出了以高軌衛星為中繼的2Ku產品，為跨洋航班服務。
高軌衛星通信目前是航空互聯的主流。這種衛星，三顆就能覆蓋全球，能支持跨洋飛行。世界各國航空公司，多採用成熟的Ku技術作為建設飛行聯網服務的路徑，包括美西南航空、達美航空、聯合航空、阿聯酋航空、漢莎航空，還有中國的東航、海航、廈航等，都採用這一技術體制實現網路服務。
不過，航空互聯是近幾年興起的新興需求，正在服役的高軌衛星當初都不是為航空設計的，很多衛星已經接近生命周期後期，資源利用率很高，能為航空公司的強烈需求騰挪的資源不多。這就造成整個航空業都面臨著資源緊張、價格高昂的困境。
衛星流量成本是地面LTE的數百倍到上千倍不等。一架飛機上網的費用動輒上百萬，使得任何地面上的成功的互聯網商業模式創新，都面臨著無法收回成本的難題，因為在地面上開展這種創新的通信資源非常便宜。
由於頻率和軌道資源的稀缺，造成高軌道衛星市場，不是一個自由競爭的局面。為了解決這一問題。矽谷的創業者們，採取了另外一種辦法。發起了「軌道革命」。他們在1400公里以內的近地空間，部署幾百甚至數千顆微小衛星，組成星座，形成一個動態的實時網路，進而實現全球覆蓋。
2010以來，全球範圍內至少提出了近20多個大型低軌衛星星座項目。在Google、軟銀等互聯網巨頭支持下，SpaceX、OneWeb等相繼獲得數十億美金的巨額融資，他們分別發布了從680顆到7518顆不等的星座發射計劃，引發全球強烈關注。
隨著國際航班的日漸增多，可以說，未來民航飛行上網的主要趨勢是衛星通信網路，而在衛星通信市場，高軌衛星與小衛星之間，必將展開一輪激烈的爭奪。但是頻譜的限制將是雙方共同的瓶頸。
頻率才是咽喉要道
看起來，航空互聯網領域各種技術選擇很多，對航空公司來說，其實左右為難。高軌衛星技術成熟，但成本高昂；陸基價格便宜，但不能全球漫遊；小衛星無縫覆蓋，但頻率協調難。沒有一個完美的方案，能解決航空面臨的多種問題。
無線電頻率是衛星得以在空間正常運轉的基礎，是信息傳播的通道，就目前在國際電聯（ITU）登記情況看，Ku頻段上的資源已經飽和，靜止軌道上的衛星也已經十分擁擠，幾乎不能再發新的衛星。微小衛星由於與高軌衛星會產生信號干擾，所有成熟波段的資源申請也會受到限制。只有OneWeb一家在頻率協調工作取得進展，拿到了一小段僅在美國使用的頻段。
中國也有一些低軌道星座發射的計劃，但目前也受限於頻率協調難題，部分星座獲得了一些甚高頻波段的許可，但是這種資源僅能實現小數據量傳輸，可做物聯網，無法實現互聯網數據通信服務。
頻軌緊張和通信剛需，使得航空業面臨著進退兩難的境地。2017年底，一家叫做LaserFleet的衛星創業公司成立，它採用微小衛星的組網方案，實現全球覆蓋，又採用激光通信鏈路，代替無線電、微波。相當於把矽谷創業者進行了一半的軌道革命又向前推進一步，實現了頻軌革命。所以在一開始，就獲得國科嘉和在內的三家頂級機構的投資。
LaserFleet的創業者是航空互聯的業內人，其創始人潘運濱在2012年創辦了喜樂航。這家技術公司，為海航機隊提供機載互聯網建設服務。那架搶得頭籌的HU7781上的機載衛星天線，就是喜樂航安裝並運營的。
潘運濱說，衛星通信流量昂貴、帶寬資源有限，這不只是喜樂航面臨的問題，也是全球民航業共同面臨的成本障礙。衛星公司解決問題的動力不大，那麼民航業者就想上去試試。他於2017年底辭職，創辦激光衛星通信公司LaserFleet，開啟第二次創業旅程。
激光通信並不是什麼前沿技術，從上世紀八十年代就已經成熟，但一直無法落地，原因就在大氣湍流。在對流層內，大氣渦流和溫度梯度會引起投射場折射率變化。激光信號在「最後一公里」產生漂移和偏轉，不能完成全時服務。但是，飛機平飛階段是在平流層之上。激光在這這裡的通過率高達99%，基本不受大氣擾動影響。LaserFleet正是瞄準這一特性，開發光學衛星，為平流層飛行器提供高速、大容量互聯網服務。
激光通信優點明顯，其通信速率高、信息容量大，輕易就能達到10-40Gbps的速率。再由於光源功耗小、轉換效率高、收、發天線就會做的很小，所以在設備的體積、重量、功耗上都容易控制成本。根據國際電聯的定義，空間激光通信鏈路無需審批，可直接使用，不存在頻譜規管難題。隨著航空業需求日益增大，特別是前艙飛行數據的海量化趨勢，超高容量的激光鏈路將發揮出巨大價值。
在國際上，像LaserFleet這種定位的公司不止一家，發展速度都非常快。在德國宇航中心的支持下，一家叫Mynaric的公司，不光獲得了一些技術訂單，還於2017年10月，在法蘭克福交易所實現上市。美國技術企業Laser light也在計劃發射激光星座，為洲際骨幹通信提供服務，以取代建設成本巨大、靈活性差的海底光纜。
民航客機的互聯化、智能化將是一個不可逆的趨勢，據Oliver Wyman預計，到2026年，飛機每年產生的數據量將達到9800萬TB。在今天，最新型的飛機，每飛行一次將產生5-8TB的數據。這些大數據可以對燃油消耗、機組操作進行優化；可以對零部件更換進行預測；可以在起飛前改變航線，避免風暴，降低延誤；可以通過系統自動處理常規駕駛任務輔助飛行員；可以通過更精準的調度來填補飛行員短缺。
航空業正處於數字科學革命的前沿。但是，狹窄的傳統鏈路遠遠無法完成海量數據的實時傳輸。所以，衛星激光通信，將在未來成為互聯飛行真正的變革者。
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