磯子

2023年8月，在毫無預告的情況下，華為公司開售Mate 60系列手機，一時風光無兩，互聯(lián)網(wǎng)上一片“遙遙領先”之聲。之所以公眾如此驚喜，是因為一方面該系列手機搭載了華為自研并由國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的麒麟9000S芯片，另一方面其Mate 60 Pro型手機首次在大眾智能手機上搭載了衛(wèi)星電話功能。

無獨有偶，2024年的1月和2月，另兩大國產(chǎn)手機廠商—榮耀和小米也分別開售了搭載衛(wèi)星電話功能的Magic6 Pro手機和Xiaomi 14 Ultra手機。比起華為Mate 60 Pro，這兩款智能手機通過硬件和配套算法的通力協(xié)作，不僅以更小的衛(wèi)星通信模塊面積、更低的功耗實現(xiàn)了衛(wèi)星通話和短信功能，還在搜星速度上更勝一籌。此外，小米還別具匠心地開發(fā)了一款兼具鏡頭蓋、手機支架功能的衛(wèi)星信號增幅儀，可以讓手機的衛(wèi)星信號性能提升129%；在雨雪等惡劣天氣或山區(qū)等遮擋地形下，能降低通話延遲，讓手機獲得更好的通話質(zhì)量，為用戶提供更強的安全保障。

上述幾款智能手機讓原本只在某些專業(yè)領域使用的衛(wèi)星電話功能“飛進”尋常百姓家—若您持有上述幾款手機，只需要開通中國電信推出的“天通一號”手機衛(wèi)星電話業(yè)務，就能體驗“天地暢聊”。而且，每月僅10元的使用費（附贈2分鐘的免費通話時間）也大幅降低了大眾對衛(wèi)星電話功能的使用門檻。

管窺“遙遙領先”背后的奧秘

“遙遙領先”背后凝聚了眾多工程師的潛心鉆研和艱苦付出。為了讓大眾智能手機可以直連衛(wèi)星，他們開發(fā)了精心設計的天線陣、小型化的大功率射頻放大電路和智能的調(diào)制算法。通過閱讀公開的專利文件，我們得以管窺“遙遙領先”背后的奧秘。

先來看看硬件層面的革新。為了省去專用衛(wèi)星通信天線，華為公司開發(fā)了一種能將藍牙、WiFi或蜂窩通信天線整合并重構的技術，通過移相模塊調(diào)整不同天線的相位差，可將所發(fā)射的電磁波從地面通信所用的線極化方式更改為衛(wèi)星通信所用的圓極化方式，并采用了多收多發(fā)的設計以提高通信速率，實現(xiàn)了一套天線兩種用途。

其實，這種技術和在各種軍事裝備上大放異彩的相控陣雷達原理基本相同，都是通過調(diào)整陣列中不同天線發(fā)射的無線電波的相位，讓電波在指定方向上產(chǎn)生干涉，增強該方向上的信號強度。該技術無需傳統(tǒng)的機械掃描裝置，就能更快速地改變電磁波輻射最強的方向，切合手機直連衛(wèi)星所需。華為還開發(fā)了低損耗、高增益、能實現(xiàn)短時高功率發(fā)射的前端電路，并采用了國產(chǎn)芯片廠商推出的天通衛(wèi)星基帶和功放芯片，這些高集成度的芯片也大幅縮減了手機主板的占用面積。

再來看看軟件層面的改進。一方面，華為研發(fā)了高壓縮率的編碼算法，節(jié)約了寶貴的帶寬；另一方面，為了便于用戶在茫?；囊爸幸材軐士床灰姷男l(wèi)星，工程師們開發(fā)了衛(wèi)星信號覆蓋數(shù)據(jù)的同步程序和簡明易用的操作界面，用戶只需根據(jù)界面提示簡單操作手機，就能成功發(fā)送短信或撥打電話了。當然，作為運營商，中國電信也在編碼、協(xié)議和網(wǎng)絡層面上進行了優(yōu)化，以便讓普通用戶不必辦理衛(wèi)星電話卡，就能通過普通智能手機撥打衛(wèi)星電話。

正是手機廠商和運營商的通力合作、多管齊下，才讓用戶僅通過使用現(xiàn)有智能手機就能在超低帶寬的情況下?lián)艽蛐l(wèi)星電話，實現(xiàn)天地融合。而在幾十年前，人們還需要通過如房屋般大小的地面站來接收來自太空的電波。接下來，讓我們簡單回顧一下半個多世紀以來衛(wèi)星通信的發(fā)展歷程。

在太空轉(zhuǎn)發(fā)電波

現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術起源于1945年，當時還在英國皇家空軍擔任雷達技術員的著名科幻作家亞瑟·克拉克撰寫了一篇題為《地球外的中繼》的論文。他在文中指出，可以使用位于地球上空的衛(wèi)星作為信號中繼站來實現(xiàn)全球通信，并認為位于赤道上空約36000千米的地球靜止軌道是通信衛(wèi)星運行的最佳軌道。1957年10月，蘇聯(lián)將世界上第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克1號”送入地球軌道。雖然其貌不揚，但它是第一個被人類送入太空的航天器，開創(chuàng)了人類的航天紀元，人類從此跨入了航天時代。

1962年8月，由美國研發(fā)的世界上第一顆通信中繼衛(wèi)星“電星一號”發(fā)射升空。這顆衛(wèi)星配置了一種能將電磁波信號放大數(shù)萬倍的行波管，可以穩(wěn)定地將載有電視和電話信號的無線電波傳遞到大西洋的另一側(cè)。1964年8月，“辛康3號”同步衛(wèi)星成為地球靜止軌道的首位住戶，利用這顆衛(wèi)星，美國成功轉(zhuǎn)播了當年東京奧運會的盛況。1965年4月，首顆商業(yè)通信衛(wèi)星“晨鳥號”發(fā)射成功，正式為歐美提供高效的跨大西洋商業(yè)通信服務。

1984年4月，我國首顆地球靜止軌道的試驗通信衛(wèi)星—“東方紅二號”發(fā)射成功，開始進行電話、電視和廣播等各項通信試驗?！皷|方紅二號”的成功發(fā)射，標志著中國成為繼蘇聯(lián)、美國、法國和日本后世界上第五個有能力自行發(fā)射地球靜止軌道通信衛(wèi)星的國家。

不過，由于這一時期的電子設備大多采用晶體管技術，因此衛(wèi)星通信必須通過碩大的“衛(wèi)星鍋”來提高收發(fā)信號的“清晰度”。另外，雖然此時的衛(wèi)星地面站已經(jīng)盡量縮小了收發(fā)天線的尺寸，減小了發(fā)射功率，但信號處理裝置的體積仍然很大，完全談不上便攜。所以早期衛(wèi)星通信技術基本只在電視直播、緊急信息傳輸?shù)葓鼍爸杏兴鶓?，不能滿足公眾日常通信中短途、低成本、大帶寬和高并發(fā)用戶數(shù)等需求。

衛(wèi)星通信的普及嘗試

20世紀80年代，雖然各國都在加緊研究建設移動通信網(wǎng)絡，但人們并沒有真正進入移動通信時代。究其原因，那些初代移動通信網(wǎng)絡不僅組網(wǎng)成本高、覆蓋面積有限，而且使用各自獨有的信號格式，彼此之間互不相通；配套使用的“大哥大”，價格動輒數(shù)千美元，更是將大眾拒之門外。

那時，普通大眾可以通過信件、電話、傳真、電報等方式進行交流，但對于野外工作者和探險人員來說，他們和外界的通信仍主要依賴于中短波電臺等設備。這些設備不僅聯(lián)絡范圍有限、通信帶寬較窄，信號還很容易受到太陽風的干擾，一旦信號中斷，野外作業(yè)人員的人身安全就會面臨巨大威脅。為了降低特定行業(yè)的通信難度，讓人跡罕至之處和基礎設施遭破壞的災區(qū)的通信變得暢通無阻，國際各大衛(wèi)星通信廠商紛紛開啟了便攜終端和大通量高速商業(yè)通信衛(wèi)星的研發(fā)工作。

自1982年起，通過租賃美國和歐洲的通信衛(wèi)星，國際海事衛(wèi)星組織（已更名為國際移動衛(wèi)星組織，英文縮寫名仍為INMARSAT）開始提供最基礎的海事通信和海難應急發(fā)報業(yè)務，不僅解決了茫茫大海中船只求助的難題，也因此在這一專業(yè)領域拔得頭籌。

同時期，電子工業(yè)和航天工業(yè)的蓬勃發(fā)展也推動了低軌中小型衛(wèi)星技術和“一箭多星”發(fā)射技術的成熟，大大降低了建設通信衛(wèi)星星座的成本。此時，世界通信巨頭摩托羅拉公司認為，覆蓋能力更廣、性能更優(yōu)越的衛(wèi)星通信能在大眾移動通信市場的激烈競爭中脫穎而出，于是開始研發(fā)自己的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

根據(jù)摩托羅拉公司的計算，這套系統(tǒng)需要77顆近地軌道衛(wèi)星才能將信號覆蓋全球，由于“77”恰好是銥元素的原子序數(shù)，而這些衛(wèi)星的排布方式也猶如銥原子的核外電子層，因此該系統(tǒng)被冠以“銥星”之名。實際上，銥星最后只使用了66顆衛(wèi)星就完成了信號全球覆蓋的目標。銥星率先使用Ka波段來構建單星四向星間通信鏈路。為提高對用戶側(cè)L波段波束的快速指向能力，銥星裝備了基于相控陣原理的平板式主任務天線，平整的天線表面猶如一面巨大的陽光反射鏡，當衛(wèi)星運行到特定位置時，天線反射的太陽光會變得非常耀眼，形成一條寬達幾千米的光帶，“銥閃”這一浪漫的人造天文現(xiàn)象也由此產(chǎn)生。1998年，摩托羅拉公司推出了直連衛(wèi)星的9500衛(wèi)星手機，成功地將之前如公文包大小的衛(wèi)星手機“瘦身”到略大于同期的普通手機。

2001年，阿聯(lián)酋的“舒拉亞”（又名“歐星”）系統(tǒng)也成功投入運營。憑借衛(wèi)星上展開面積驚人的天線，舒拉亞配套的兩款衛(wèi)星手機首次實現(xiàn)了直連地球靜止軌道衛(wèi)星。銥星和舒拉亞衛(wèi)星手機基本奠定了“后代”的標志性外形：比普通手機體積略大，擁有粗壯的折疊天線。那么，面對一派勃勃生機的衛(wèi)星通信，傳統(tǒng)地面移動通信網(wǎng)絡會敗下陣來嗎？答案是否定的。

衛(wèi)星通信技術為何難以普及

早在銥星進入市場前的1995年，使用地面通信網(wǎng)絡的蜂窩網(wǎng)絡手機就因為統(tǒng)一采用GSM數(shù)字信號（即2G信號），大幅降低了組網(wǎng)成本和設備資費價格，在全球移動通信市場斬獲了千萬用戶。使用成本高昂的銥星手機讓普通用戶無法為其提供盈利支撐，面對廉價、輕便、信號良好的2G手機，銥星手機陷入了十分尷尬的境地。更不用說，負責運營的銥星公司還要維護復雜的通信衛(wèi)星星座。投入運營不到一年，凝結了大量科研人員十余年心血、耗資數(shù)十億美元的銥星項目便宣告破產(chǎn)。破產(chǎn)后的銥星公司將業(yè)務重心轉(zhuǎn)向政府和軍隊的緊急通信需求以及探險、航海等特殊場景運用中。

原本就在衛(wèi)星通信領域有所建樹的INMARSAT雖然直到2010年才推出了第一代衛(wèi)星手機產(chǎn)品，但它不斷推進旗下通信衛(wèi)星星座更新?lián)Q代，讓原本只支持語音、傳真和電傳高速數(shù)據(jù)的海事衛(wèi)星系統(tǒng)，可以向郵輪、客機和邊遠地區(qū)提供被稱為“全球特快”的高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務。近年來，INMARSAT還發(fā)射了兼顧個人便攜終端和寬帶上網(wǎng)的第六代海事衛(wèi)星。

不過，上述衛(wèi)星通信產(chǎn)品始終沒能解決配套設備便攜性和使用成本高昂的問題，只能在專業(yè)領域攻城略地，一直打不開大眾市場。相較于日新月異的大眾智能手機，很多衛(wèi)星手機的機身仍較厚重，天線較大，操作系統(tǒng)也較落后，功能單一不說（基本只能打電話或發(fā)短信），使用成本還遠高于大眾智能手機。以上種種，都讓衛(wèi)星通信愈發(fā)顯得曲高和寡，與“向公眾普及衛(wèi)星通信”的初始目標漸行漸遠。當然，仍有很多從業(yè)者相信，衛(wèi)星通信一定會很快被公眾廣泛使用。他們嘗試讓移動設備搭載衛(wèi)星通信相關硬件，主動“擁抱”現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而他們的努力也最終成就了如今的衛(wèi)星手機，甚至衛(wèi)星手表。

除了主動適配現(xiàn)有通信衛(wèi)星，也有企業(yè)嘗試通過優(yōu)化衛(wèi)星設計，將目前廣布于地面的蜂窩基站“搬”上衛(wèi)星，讓用戶無需另外購置任何設備，只利用現(xiàn)有手機或電腦即可實現(xiàn)直連衛(wèi)星。目前這一技術路線的“領頭羊”是美國AST太空移動通信公司（簡稱AST公司）開發(fā)的“藍行者3號衛(wèi)星”?！八{行者3號”衛(wèi)星擁有一個展開面積約64平方米的巨型平板相控陣天線，通過波束賦形技術，能在近地軌道上和未經(jīng)特殊優(yōu)化的手機構成有效連接。2023年4月25日，AST公司成功利用這顆衛(wèi)星進行了世界首次天基雙向電話通話。當然，我國的銀河航天（北京）科技有限公司（簡稱銀河航天）也有計劃開發(fā)類似的“翼陣合一”衛(wèi)星，并已完成二維展開關鍵技術攻關工作。

衛(wèi)星通信大眾化的另一賽道

目前衛(wèi)星通信主要針對個人衛(wèi)星電話業(yè)務和偏遠地區(qū)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務來設定，這也是當前衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的兩條技術賽道。前者的推廣主要靠消費級電子產(chǎn)品的直連衛(wèi)星技術來負責，后者的普及又該如何實現(xiàn)呢？

由于部署軌道低、不用架設基站、信號覆蓋不受地域限制，低軌衛(wèi)星通信一直被視為地面網(wǎng)絡通信的有效補充。2015年，美國太空探索技術公司（簡稱SpaceX）率先公布了“星鏈”計劃。為了避免重蹈銥星的覆轍，星鏈的秘訣是“開源節(jié)流”：一方面尋求更多的用戶分擔成本，一方面大幅降低系統(tǒng)的建設和維護成本。星鏈衛(wèi)星不僅可以量產(chǎn)，還可以經(jīng)“獵鷹9號”可回收火箭批量送入太空，“流水線般”的發(fā)射過程不僅降低了成本，還提高了布網(wǎng)速度。如此一來，即使星鏈用戶在上網(wǎng)前仍需另外購置終端，也完全負擔得起相關費用。此外，星鏈還為地面網(wǎng)絡建設尚不完善的偏遠地區(qū)居民提供了一條新的上網(wǎng)途徑。因此，星鏈一經(jīng)推出，其用戶規(guī)模就迅速爆發(fā)，目前已擁有超過230萬的用戶。

當然，星鏈本身也有不少問題亟需解決。比如，已有的5000多顆衛(wèi)星讓空間本就有限的近地軌道更加擁擠不堪，增加了太空碰撞風險，影響了天文觀測等。用戶數(shù)量的激增也讓很多地區(qū)的網(wǎng)絡出現(xiàn)擁堵，網(wǎng)速大幅下降。雖然，現(xiàn)階段的星鏈存在著眾多問題，但作為第一個“吃螃蟹的人”，SpaceX取得的探索成果也間接拉開了全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的競爭大幕，讓我國加快了衛(wèi)星移動通信星座系統(tǒng)的研發(fā)和實施步伐。

成立于2021年的中國衛(wèi)星網(wǎng)絡集團有限公司計劃發(fā)射一個包含1.3萬顆近地軌道衛(wèi)星的巨大星座，以提供覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)連接。為了實現(xiàn)這一宏偉目標，我國自2018年起已經(jīng)發(fā)射了多顆各型低軌寬帶通信技術驗證衛(wèi)星。銀河航天是民營航天隊伍中的佼佼者，自2020年起，該公司不僅成功發(fā)射了多批低軌通信衛(wèi)星，首次實現(xiàn)了在行駛車輛上利用低軌星座上網(wǎng)的“動中通”，還研發(fā)了我國首型平板式衛(wèi)星—靈犀03星。該衛(wèi)星結構形似汽車底盤，各種設備懸掛在平板結構兩側(cè)，如此設計不僅簡化了設計制造流程、實現(xiàn)了低成本量產(chǎn)，更利于完成“一箭多星”發(fā)射任務。此外，靈犀03星還首次搭載了此前只在中國空間站上有所應用的柔性太陽翼，該太陽翼重量輕、收納體積小、發(fā)電效率高，適合在平板通信衛(wèi)星等小體積、高功率平臺上使用。

目前，我國已發(fā)布的具有衛(wèi)星通信功能的大眾智能手機主要依靠天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)（簡稱“天通一號”）和北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱“北斗三號”）進行工作。其中，“天通一號”是我國首個自主研發(fā)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，可提供話音、短信、數(shù)據(jù)等服務，實現(xiàn)了我國全部陸地和海洋的網(wǎng)絡覆蓋。該系統(tǒng)包含2016—2021年先后發(fā)射的3顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星，為了提高信號的收發(fā)靈敏度和帶寬，衛(wèi)星上裝有口徑約15米的大型在軌展開天線，還采用了頻率復用技術。

“北斗三號”是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，除了可以為地面用戶提供常規(guī)定位服務外，它還具備獨一無二的區(qū)域短報文功能。該功能通過3顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星實現(xiàn)，最早是為了方便進行星間通信和星座聯(lián)絡的國內(nèi)地面站而設計，后開放給公眾使用，主要服務中國及周邊地區(qū)。

已經(jīng)在地面蜂窩通信領域“遙遙領先”的華為公司也不甘落后，在2023年的一次會議上，華為公開了其研發(fā)的再生轉(zhuǎn)發(fā)寬帶通信載荷的在軌試驗結果，其下行網(wǎng)速高達660兆，上行網(wǎng)速則可達135兆，同時達到了目前低軌通信衛(wèi)星中領先的頻譜效率。這意味著相同網(wǎng)速下，該技術所需帶寬更窄，大大節(jié)省了寶貴的頻譜資源。

作為新能源汽車領域的新巨頭，吉利公司也將目光投向了太空。吉利旗下的浙江時空道宇科技有限公司計劃建立全球首個商用通信導航遙感一體星座。這一名為“吉利未來出行星座”的計劃目前已部署了20顆衛(wèi)星，并計劃于2026年前部署完一期72顆多功能衛(wèi)星，提供全球?qū)崟r數(shù)據(jù)通信服務；二期將擴展至168顆衛(wèi)星，實現(xiàn)全球厘米級高精度定位服務。

當然，以上兩種技術賽道并非如某些商業(yè)宣傳所言那般勢如水火。相反，未來向全社會普及衛(wèi)星通信的歷程必然是兩條賽道的“雙向奔赴”。2023年6月，在第三代合作伙伴計劃（制定全球通信標準的組織）最新發(fā)布的5G-R17標準中，非地面網(wǎng)絡已經(jīng)成為關鍵部分，手機和衛(wèi)星將根據(jù)統(tǒng)一標準進行深度融合。2023年12月，我國中央經(jīng)濟工作會議也把包括商業(yè)衛(wèi)星在內(nèi)的商業(yè)航天列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。未來，人類通信將不再受地面通信網(wǎng)絡限制，甚至通過衛(wèi)星手機進行視頻聊天也不再是難題。相信衛(wèi)星通信這一原本“曲高和寡”的高新技術，一定會讓衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)駛?cè)敫哔|(zhì)量快速發(fā)展之路。

【責任編輯】諶 燕