强大系统“幕后发力”手机直连卫星通话

文/孔晓燕

8 月底，全球首款支持卫星通话的大众智能手机华为Mate60 Pro 上市，“身怀绝技”：手机持有者即使在无信号的情况下，也可以拨打、接听卫星电话，收音清晰，体验良好。可以说，手机直连卫星通话服务正在迅速进入寻常百姓家，卫星移动通信的大众手机时代已经来临。

▲ 手机直连卫星通信示意图

“幕后功臣”很强大

卫星通信用户可以享受语音、数据、短消息、视频等服务，并实现了终端小型化、手机化，“幕后功臣”正是我国自主研制的天通一号卫星移动通信系统。

这款系统是我国自主研制建设的高轨卫星移动通信系统，也是我国空间信息基础设施的重要组成部分。首颗该系列移动通信卫星被誉为“中国版海事卫星”，其成功发射标志着我国进入了卫星移动通信的手机时代，填补了国家民商用自主卫星移动通信服务空白，具有重要的里程碑意义。

鲜为人知的是，天通一号卫星系统工程是在2008 年汶川大地震后提上日程并由总理专项基金支持的项目，首要任务是在我国遭受严重自然灾害时实现应急通信。

该系统于2010 年启动研制工作，其中，卫星由航天科技集团五院抓总研制。卫星基于东方红四号通用平台，配置S 波段移动通信载荷，采用了大口径可展开天线、多波束成形、低无源互调、阵列转发器、功率动态调配等先进技术。

低无源互调（PIM）技术是整个卫星系统最关键的技术之一，也是国际宇航界共同关注的技术难题。所谓无源互调，指的是天线在实施大功率发射的同时，由于天线接收灵敏度高，发射时产生的杂波会落入接收通道，严重干扰通信效能。为此，项目团队历经艰苦攻关，完成了国际首次整星级无线低无源互调试验，满足了卫星任务要求，标志着我国这一技术处于国际领先水平。

▲ 通信卫星在轨运行示意图

2016 年8 月，天通一号01 星成功发射，实现了我国领土常态化信号覆盖。2020 年11 月12 日和2021 年1 月20 日，天通一号02 星和03 星相继发射升空。尤其是03 星与01 星、02 星组网成功运行后，实现了亚太地区信号全覆盖，大大提升了国家应急通信保障能力。在我国国土及周边海域内，各类手持和小型移动终端的语音与数据通信覆盖范围显著扩展，满足了更多民商用户的多样化通信需求，能够提供全天候、全天时、稳定可靠的话音、短消息和数据等移动通信服务，可谓“神通广大”。

天通运营单位定期发布天通终端现网使用情况报告，包括活跃终端数量、呼叫成功率等数据。据近期数据显示，天通卫星电话行业用户已达18.8 万。仅在今年7～8 月北京、河北、黑龙江等地的抗汛救灾中，天通系统就调配卫星电话2100 多部，通话4.3万次。在地面网络损毁的情况下，天通卫星电话作为保底应急通信手段，为维护人民群众的生命财产安全发挥了重要作用。

事实上，卫星移动通信具有不依赖地面基站、覆盖范围广等特点，可以较好地弥补地面移动通信的不足。

比如，在地震、洪涝等灾害面前，一旦地面网络出现毁损，抢险救灾工作就需要卫星移动通信作为应急保底手段。天通一号01 星自2016 年发射至今，在轨7 年间，在玉树和九寨沟抗震、大兴安岭扑灭山火、广东强台风“山竹”登陆防汛指挥以及今年北京等地防汛救灾中，都发挥了重要作用。

工业和信息化部在今年8 月11 日召开的防汛救灾应急通信保障调度会上明确指出，“加快推动卫星通信设备特别是天通卫星电话基层预置，作为极端场景下的保底通信手段”。可以说，天通卫星电话为老百姓应对自然灾害增加了一重保护。

▲ 通信卫星配置了巨大的环状天线

而在海洋、沙漠、森林、山区等地面移动通信网络覆盖不佳的区域，用户借助天通移动卫星通信系统，能够享受语音、短消息、低速数据以及视频服务。因此，该系统在海上救助、偏远地带救援等工作中能够发挥重要作用。考虑到游客受困、渔民遇险等意外事件不时见诸报道，天通卫星电话大有可为。

此外，相关通信卫星还能在公共通信方面辅助开展远程教育、远程医疗、广播和直播等业务，在商业通信方面为科考、勘探等特殊用户提供互联网接入、个人移动通信等服务。

▲ 用户在飞机上、复杂建筑区等处连接卫星信号

终端接入有讲究

天通一号卫星设计之初，一个重要的设计目标就是促使卫星通信终端小型化，实现面向个人的手持卫星移动通话能力。为此，系统采用了传播特性较好、便于终端小型化的S 波段；卫星采用了大口径可展开反射面天线、阵列转发器等先进技术，确保卫星具有较高的接收灵敏度，卫星信号经过36000 千米“长途跋涉”后仍有出色的效果，从而为手机终端直连卫星通信奠定了基础。

据天通一号卫星研制人员介绍，天通卫星电话使用规定的频段，和我们通常使用的普通智能手机不同。因此，手机终端厂商在设计时必须增加兼容这个频段，同时在卫星天线极化方式、通信体制上进行适应性修改。

华为Mate60 Pro 手机上市，标志着天通卫星通信智能手机研制取得成功。这类手机在外观上与普通智能手机没有明显区别，用户只需开通天通卫星通信功能，就可以实现正常通话，操作便捷。目前，厂商陆续推出了多款支持卫星移动通信业务的手机，保护更多用户更安全方便地走向天涯海角。

▲ 通信卫星协同天地融合通信示意图

或许有人担心：随着相关终端普及且接入量迅速上升，该系统的承载能力是否满足需求呢？

关于天通一号卫星系统的承载力，根据卫星在轨遥测数据分析，系统仍有足够的功率和频率资源供使用。面对终端普及后接入量上升的情况，科研人员在技术上至少可以采取两大对策。

一方面，根据使用情况，对卫星和地面系统配置、资源调配策略进一步优化，对上下行功率进行精细控制，最大限度地“挖掘”系统潜力。当前，航天科技集团五院通信导航部正在开展天通卫星系统在轨效能评估，主要针对保障用户进行高质量、高稳定性的连续通话，特别是在通话需求高峰期能否实现随拨随通、一通畅联等通信服务，进行充分评估，进一步“挖掘”系统潜能，满足民商用户多样化通信需求。

另一方面，研制、发射备份卫星，增大系统容量。在技术状态不变的情况下，备份卫星可以快速完成研制并投入使用，在技术上可行，但在具体操作上还需要开展轨位、频率等众多协调和报批等工作。

令人欣慰的是，天通一号卫星是在2008 年汶川大地震后启动研制的，而历经10 多年发展后，高轨卫星移动通信技术有了飞速进步，东方红四号增强型平台、东方红五号大型卫星平台及其配套均已投入使用。在此基础上，航天人研制更大容量、更高信道速率的新一代高轨移动通信卫星，必将更好地满足国家安全、国民经济和人民群众的需求。

卫星通信着眼未来

我国卫星通信经过数十年发展，已形成了自主可控的卫星通信技术能力和产业结构，也细分出高通量通信卫星、数据中继卫星、高轨移动通信卫星、低轨卫星等多个领域和方向。其中，天通一号卫星属于高轨移动通信卫星。

未来，国家主管部门将安排卫星通信等基础设施建设、技术创新系统的规划和发展工作。相关研究机构、运营单位和产业链各单位则会定期对卫星通信的发展需求、技术路线等进行研讨，引领技术能力提升，促进产业发展。

具体到天通卫星移动通信系统，国家已有相应的发展和建设规划，相关部门会根据民众需求进一步优化和调整。

▲ 通信卫星在轨工作示意图

仅从技术方面来讲，有必要尽快启动天通一号在轨备份星的研制工作，实现对卫星移动通信能力的扩充，同时确保信号多重覆盖。这也是系统安全稳定运行的重要保障措施。

目前，智能手机直连天通卫星服务仅实现了基本的话音、短消息等功能。面对后续技术能力升级需求，下一代高轨卫星移动通信系统的研制工作也有必要尽快启动，以便促使个人手机直连卫星通信实现更高的通信速率、更多样化的通信业务，进一步提升用户体验。

此外，随着卫星通信服务广泛应用于社会和经济生活中，通信卫星已成为重要的国家信息基础设施和国家太空资产，在国民经济建设、国家安全等方面有着重要的影响和作用，安全保障问题已不容忽视。

▲ 天地移动通信融合发展是大势所趋

个人智能手机直连卫星通信功能推广后，卫星通信与大众日常生活的关系更加密切，有必要大力发展，而目前是卫星移动通信领域较好的发展机遇期。不论卫星运行在高轨还是低轨，手机直连卫星服务背后体现了近年天地移动通信融合发展的大趋势。我国航天和信息产业相关单位正联手国际业界一起大力推动卫星与地面5G、6G 技术的深度融合，通信卫星将在其中发挥更重要的作用。

不过，一些挑战仍值得关注。其一是轨位和频率资源。适用于卫星移动通信的轨位和频率资源相对稀缺，加上卫星通信信号覆盖范围广，具有很鲜明的跨国特点和全球化属性，为了完善建设和运营卫星移动通信系统，需要提早开展频率和轨位资源的国际申报和协调工作。面向天地融合发展趋势，卫星通信与地面通信的兼容用频技术也需要深入研究。

其二是卫星通信标准。通信技术标准对通信产业的发展至关重要。目前，面向6G 标准化，全球范围内正在深入开展卫星通信标准、卫星和地面融合通信标准的论证和制定。我们应当给予足够重视，加大投入，掌握通信标准的话语权，引领产业创新发展。