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国外ATG网络进展及余割平方波束ATG地面天线设计.docx
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2022-07-06
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国外ATG网络进展及余割平方波束ATG地面天线设计.docx
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【摘 要】欧美已部署 ATG 网络并在向 5G 升级,飞机上旅客的上网体验有望提
升, 航空 运营 及服 务的 新模 式有 望出 现。 针对 新一 代 ATG 地面基站天线长距离、
高增益覆盖的需求,在原理分析的基础上,提出以余割平方曲线为目标方向图函
数,用粒子群算法迭代出馈到垂直阵列中每个辐射单元的幅相权值、采用威尔金
森功分器及调整馈电线路在功分板上实现上述权值,从而实现垂直面上的余割平
方方向图,最后给出经实用验证的 Massive MIMO 天线性能。
【关键词】ATG;余割平方;天线;Massive MIMO
0 引言
ATG(Air to Ground,地空通信,也称 A2G)或 DA2G(Direct Air to
Ground,直接地空通信)系统沿航路部署地面基站,并在地面基站与飞行器
之间建立直接的无线连接(如图 1),比之由卫星和地面站组成的航路覆盖
系统,ATG 部署快、投资少,更容易做到大带宽、低延时,且受高空气象条
件影响小。由于 ATG 是在地面基站与飞行器间通讯,无法覆盖深海区域,因
此洲际航线仍需卫星通讯支持,可由卫星与 ATG 联合组网。基于 Massive
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)天线系统的信道
容量较大,飞机不再只是运输工具,也可能成为高速上网的办公室、会议室
甚至家庭影院。同时,乘客旅行行为及航空管理模式也有望发生变化,比
如,乘客在飞机上就可以办理转机手续而不必要长时间聚集在机场转机柜
台;机长可根据航线的气象条件动态调整飞行高度,提升安全性及乘客舒适
度;地勤可根据在途飞机的实际情况提前准备好合适数量的油料及补给品,
减少浪费;机械师可根据实时的机上设备数据做好分析诊断,减少飞机维保
时间等。此外,ATG 通讯对于新兴起的无人机行业也提供了技术支撑。
1 ATG 在国外的进展
目前,ATG 网络的大规模应用主要是在美、欧两地。在美国,老牌 ATG 运营
商 GOGO 和新兴运营商 Smartsky 正就建设 5G ATG 网络展开激烈竞争;而在
欧洲,由 Nokia 和 Skyfive 建设、维护的 EAN(European Aviation
Network,欧洲航空网络)处于 ATG 网络的垄断地位。
1.1 美国
GOGO(原名 Aircell)是 ATG 大规模应用的鼻祖
[1]
,于 2020 年把商业航空部
门出售给 Intelsat,此后专注于公务航空领域,至 2021 年 11 月,GOGO 的
ATG 系统已安装在 5 550 架公务机(Business Jet)上。由于芯片短缺等影
响,GOGO 把开始 5G ATG 服务的时间由 2021 年推迟到 2022 年。2021 年 11
月,GOGO 宣布全球最大的私人公务机维修、保养修服务提供商邓肯航空正在
完成基于来自庞巴迪、湾流、达索、德事隆(TEXTRON)的 30 多个机型的首
件 STC 认证(First-article Supplemental Type Certification,首条补
充型式认证),并称其正在建造的是全球第一个,也是唯一真正的机舱 5G
网络。GOGO 5G ATG 网络中,5G 云核及数据中心方面的合作伙伴是思科。
GOGO 的计划是一开始就提供包含 150 个地面站点,覆盖全部 CONUS(即除阿
拉斯加外的美国本土)的公务航空端到端 5G 网路服务,然后快速延申至加
拿大及阿拉斯加;每个地面天线的覆盖距离达 200~300 km,其主要竞争对
手 Smartsky 则在不断宣传其服务随区域性部署渐次展开。2021 年底,GOGO
成功完成了基于 7 个站点的试运行试验,并称全国网络的运行会在 2020 年
下半年。GOGO 预期基于其 5G ATG 的平均上网速率接近 25 Mbps,峰值速率
为 75~80 Mbps。
Smartsky 公司是美国另一家活跃的新兴 ATG 技术提供商,一直宣称的所拥有
的 200 项围绕 ATG 的专利是其强大的竞争优势。GOGO 曾向美国专利与商标局
申请就 Smartsky 专利中通过软件定义无线电进行波束赋形的部分进行多方
重审,但没有得到支持。裁决之后,Smartsky 首席执行官称竞争对手 GOGO
很难绕开其专利建成 5G 网络,而 GOGO 则回应:无论是裁决结果还是
Smartsky 的专利组本身都不影响其拓展 GOGO 5G 以及增强在公务航空市场地
位的能力。在经过一系列的延误并把设备供应商告上法庭之后,Smartsky
于 2021 年加快了网路部署。Smartsky 目前的计划是在今年第一季度完成对
不含阿拉斯加的美国本土航线的网络覆盖,至 2021 年底已建成约 80%。该公
司也是第一家接入主流工业物联网数据分析平台 Honneywell Forge 的 ATG
运营商,使飞机上不需降落就可把飞行数据传至平台进行分析。业界领先的
舱内娱乐服务商霍尼韦尔已成为 Smartsky 的增值分销商。
1.2 欧洲
EAN(European Aviation Network,欧洲航空网络)的地面部分是第一个按
3GPP 标准建造的 ATG 网络,包含了 300 多个地面 LTE 站点,其频谱来自国际
海事卫星运营商 Inmarsat,地面网络直接建在德国电信的 4G 网络上,天线
安装在原塔址
[2]
。图 2 为 EAN ATG 天线垂直面方向图。EAN 是由有实力的传
统运营商运营,有 Nokia 等领先设备商提供设备,因此比起美国同行,在频
谱、硬件上有一定优势。EAN 频谱采用的是 S 波段 B65 的下半部分(UL:1
980—1 995 MHz,DL:2 170—2 185 MHz)
[3]
,待需求上升,可扩展至上半
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- mzmzmz902023-09-12资源太好了,解决了我当下遇到的难题,抱紧大佬的大腿~
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