基于专利分析的手机直连卫星技术发展研究

赵瑞环 杨艳芹 宋洁琼 张 蕾

1.中国航天系统科学与工程研究院

2.吉林省四平市伊通满族自治县融媒体中心

3.中国自控系统工程有限公司

手机直连卫星指使用消费级非专用移动终端，通过不改或少量修改基本配置，来解决传统专用卫星移动通信终端资费昂贵、外形笨重、通信速率低和功能有限等问题，从而突破应急和高端市场，走向大众应用。针对未来复杂作战环境，手机直连卫星也将成为单兵作战与救援的一类关键解决方案。

专利作为科技成果的重要体现，日渐成为技术创新的主要资源，通过充分挖掘专利中承载的技术信息，可以为我国相关技术发展提供有力支撑。为了全面掌握手机直连卫星相关技术发展动态，本文基于德温特和incoPat 专利数据库进行全球专利检索，截止日期为2023 年3 月10 日，筛选出相关专利873 项。通过手机直连卫星相关技术定量分析，对技术发展趋势、创新技术构成和专利申请人等进行研究，有助于国内相关单位了解手机直连卫星领域技术研制概况，洞悉国外技术发展动向，从而进一步推进我国卫星通信服务新赛道更快速地发展与培育。

一、技术构成分析

手机直连卫星相关技术的专利申请主要聚焦在天基系统构建、星上载荷、通信体制设计和终端应用等4 个关键技术领域（见图1）。其中，业内在卫星天线设计、星上数字处理、天地组网、星间链路、星地同频、非地面网络技术方面的关注度较高；手机直连下的低轨星座设计和大型相控阵天线则是未来技术突破方向。

图1 手机直连卫星全球专利技术构成

1. 天基系统构建技术

在天基系统构建技术领域，相关研究主要来自于中国和美国。其中，西安空间无线电技术研究所近年来投入颇多，先后在专利中提出小卫星集群自组网（CN103684576B）、低轨卫星星座系统小区切换方法（CN111182594B）、激光通信捕获跟踪系统（CN105356943B）等；上海卫星工程研究所对该领域也非常关注，分别在专利CN113489526B、CN108833010B 中提出了在环状网星座的分布式自主任务规划、星地激光通信光束漂移自适应补偿等方案。美国企业则相对侧重于应用层面的研究，全球星电子有限公司在专利US6233463B1 中描述了一种卫星地面移动终端自动漫游系统，该系统终端借助收发机实现卫星与网关之间的双向通信；休斯通信公司在专利US10856333B2 中提出了一种数据通信系统，通过地面无线网和卫星网中的用户终端与eNodeB 之间的空中接口，完成了因特网协议和非IP 物联网数据的有效传输。

2. 星上载荷技术

在星上载荷方面，相关专利技术主要集中在大型相控阵技术和数字再生技术方面。透过已公开专利申请可以看出，领域内技术先行者AST SpaceMobile 公司重视大型相控阵的设计和应用，先后在专利中提出卫星无线电接入网络波束和网关无缝切换方法（US11463159B2）、高通量分级卫星（US20220038174A1）、空间物体的动量轮和反作用轮（US20220297857A1）等。通信测控技术研究所也在有效载荷星上处理技术方面多角度创新，在透明与处理相结合的可重构柔性转发（CN105827305B）、数字信道化波束形成的星上柔性交换（CN114124194A）等方面陆续有方案公开。

3. 通信体制设计

在手机直连卫星通信体制设计方面，中国企业投入比重最大，美国次之。针对星地同频技术，各研制单位为解决卫星与地面基站在采用相同频率时产生的干扰等问题，正在加大干扰的协调和管理等新型方案部署，如Lynk Global 公司的专利US10951305B2 提出通信干扰抑制方法，专利US10951305B2 使用地面基站与轨道基站相同的协议、频谱或定时来过滤干扰。针对短报文通信技术，我国的华为技术有限公司（以下简称“华为”）创新方案丰富，在卫星通信网络与蜂窝网络间的短信服务方法、短报文消息接收／管理方法、北斗通信系统中的白名单控制方法等方向均有涉及。

4. 终端应用研究

在终端应用研究方面，国内外企业主要围绕移动通信芯片和智能场景展开创新设计。近年来，得益于国内半导体技术和北斗系统应用的发展，国内各厂商开始加大短报文芯片研制，主要专利申请单位涵盖了中国电子科技集团、东方红卫星移动通信有限公司、国防科技大学、联发科、华为等。如国防科技大学的专利CN111800184A 提出可嵌入手机低功耗服务的卫星通信方法；东方红卫星移动通信有限公司的专利CN113872678A 提出星内终端移动性管理方法；华为的专利CN105790824B 提出面向卫星系统的多终端寻址方法。国外的创新主体包含了高通在内的领先半导体公司，其专利EP1121604A1 提出卫星通信系统中的用户终端快速定位方法。

二、专利申请趋势分析

随着卫星移动通信的快速发展，美国有多个企业和研究机构在卫星天线设计、协同组网和星间链路等方面进行了大量创新，为其后续在手机直连卫星方面积累了良好的技术基础。由于低轨星座、星上载荷和终端芯片技术的不断突破，2018 年开始，全球专利申请量持续快速上升。从相关技术全球专利申请趋势（见图2）对比来看，近几年我国的专利申请量与欧美等国家相比有了大幅度提升。

图2 手机直连卫星相关技术全球专利申请趋势

全球专利申请量排名前18 位的创新主体中（见图3），中国企事业单位较多，共有10 家；国外在手机直连卫星研制上专利申请量排名靠前的创新主体有8 家。其中高通公司、AST SpaceMobile 公司、Lynk Global公司和华为公司作为手机直连卫星技术发展最具代表性的企业，其专利布局丰富且细致。以下结合这4 家公司的手机直连卫星发展动态分析其专利技术特点，以期掌握各企业在技术相关领域的研究侧重方向和关键突破点。

图3 国内外专利申请人排名

1. 高通公司

高通公司作为美国通信巨头，已开发一款名为骁龙卫星通信的产品，可以将其添加到任何安卓智能手机和其他设备中。据称，高通已与铱星公司达成协议，为下一代安卓旗舰智能手机提供基于卫星的连接，并发布全球首个可在高端智能手机上实现双向通信的解决方案，未来甚至将探索卫星连接笔记本电脑和汽车。

高通公司专利布局丰富，主要集中在卫星通信体制、星上载荷和终端应用上，专利技术涉及星间切换（IN201847009310A）、高增益卫星通信天线（AU2000069165A1）、波束间切换时的混合自动重传请求（HARQ）处理（IN201847009499A）、窄带非地面网络的波束重选（IN202247065361A）、多普勒频偏补偿（CN1783750B）等；另外，针对卫星通信系统中的快速用户终端定位（EP1121604A1）、低成本卫星用户终端的天线（IN201847012816A）、基于波束跳变的无线设备分集（US20220394497A1）、 波 束 管 理（IN202227040873A）、 窄 波 束 技 术（US20220045727A1）等专利技术，该公司也进行了大量专利布局。

2. AST SpaceMobile 公司

AST SpaceMobile 公司旨在构建一个包含16 个轨道面、243 颗卫星的低轨通信星座，实现普通智能手机不做任何功能修改即可通过卫星获得4G 和5G服务。该公司的原型卫星“蓝行者”3号（BlueWalker 3） 已 于2022 年9 月11 日成功发射，并已部署有史以来最大的商业通信阵列。AST SpaceMobile 公司计划2023 年第一季度进行直连地面蜂窝设备的卫星能力测试，支持移动网络运营商与“蓝行者”3 号互联，为未来与星座内的“蓝鸟”（BlueBird）卫星商业服务做准备。

作为手机直连卫星技术的先行者，AST SpaceMobile 公司的专利布局细致且丰富，其专利技术涉及高通量卫星系统（US20220038174A1）、多普勒频偏补偿（US20210218464A1）、网络访问管理（US20220014264A1）、卫星多输入多输出（MIMO）系统（US20210044349A1）等；另外，针对无线设备地理定位（US20220140890A1）、卫星姿态控制（US20220297857A1）、星上高增益相控阵天线的设计、管理与应用（US62671900P0、IN202117055963A）等，AST SpaceMobile 公司也进行了一定专利保护。

3. Lynk Global 公司

Lynk Global 公司是一家专注于为移动电话提供通用连接的移动技术公司，是唯一获得美国联邦通信委员会（FCC）许可并即将开展商业服务的手机直连卫星系统运营商。近期，该公司宣布即将在夏威夷建成一个地面站，这是其计划在全球部署的数十个地面站中的第一个，也是其不断增长的小型卫星群与标准智能手机连接计划的关键部分。

Lnyk Global 公司的专利相对少一点，主要涉及天地直连通信方法、接收机与发射机通信参数设置等，如专利IN201917036237A 和US20220038849A1。同时，该公司在由空中基站与地面基站构成的空间通信网络（US20220052753A1）、星间卫星通信和星上通信载荷（US20220021446A1）、星地直连设备认证与广播服务方法（US20220240084A1）等技术上也进行了多地域的专利布局。

4. 华为技术有限公司

作为移动设备制造商，华为公司于2022 年9 月发布了支持手机卫星通信的新机型Mate50，Mate50 系列支持“北斗”卫星消息。华为在手机直连卫星应用尝试上勇开先河，自2018 年起，先后布局了近30 项专利用于星地直连通信功能的保护围栏构建，对通信体制设计和终端应用尤为关注，其专利涉及卫星通信领域内的极化码编码方法（CN113810059A）、用于卫星系统的极化编码方法（CN113810060A）、高可靠性数据传输方法（CN113691300A）等。此外，针对短报文消息接收／管理方法也进行了专利布局，如专利CN115119138A 和CN114827913A。相关技术的提前研制和布局保护，为华为全球首款支持“北斗”卫星消息的智能手机的顺利发布与推广铺平了道路。

三、结论

基于专利的多维度分析结果来看，随着手机直连卫星热度的持续上升，专利申请量呈现快速走高趋势，主要来自于中国、美国、欧洲、印度和日本等国家。其中，中国和美国专利量最多，但技术构成区别明显：美国侧重于星上载荷技术和星座构建应用的发展，在通信体制设计和终端应用上相对欠缺；而中国在通信体制设计和终端应用投入比重大，也重视天基系统的构建，但是相较美国星座构建还有一定差距。从专利技术分布来看，国内外在星上处理、星地同频、星上载荷、协同组网关键技术领域均已实现较多技术突破，而大型相控阵天线和低轨星座设计则是未来主要技术突破方向。另外，从国外近几年公开的专利来看，如AST SpaceMobile、Lynk Global 等优势主体重视其创新技术的知识产权保护，部分关键创新在多个国家进行了广泛的同族专利布局。我国相关企业进行技术研制的同时，也要注意好规避，结合专利保护的地域性特点，防范侵权风险。