从笨重到便携 个人卫星通信如何实现“遥遥领先”

矶子

2023年8月，在毫无预告的情况下，华为公司开售Mate 60系列手机，一时风光无两，互联网上一片“遥遥领先”之声。之所以公众如此惊喜，是因为一方面该系列手机搭载了华为自研并由国内企业生产的麒麟9000S芯片，另一方面其Mate 60 Pro型手机首次在大众智能手机上搭载了卫星电话功能。

无独有偶，2024年的1月和2月，另两大国产手机厂商—荣耀和小米也分别开售了搭载卫星电话功能的Magic6 Pro手机和Xiaomi 14 Ultra手机。比起华为Mate 60 Pro，这两款智能手机通过硬件和配套算法的通力协作，不仅以更小的卫星通信模块面积、更低的功耗实现了卫星通话和短信功能，还在搜星速度上更胜一筹。此外，小米还别具匠心地开发了一款兼具镜头盖、手机支架功能的卫星信号增幅仪，可以让手机的卫星信号性能提升129%；在雨雪等恶劣天气或山区等遮挡地形下，能降低通话延迟，讓手机获得更好的通话质量，为用户提供更强的安全保障。

上述几款智能手机让原本只在某些专业领域使用的卫星电话功能“飞进”寻常百姓家—若您持有上述几款手机，只需要开通中国电信推出的“天通一号”手机卫星电话业务，就能体验“天地畅聊”。而且，每月仅10元的使用费（附赠2分钟的免费通话时间）也大幅降低了大众对卫星电话功能的使用门槛。

管窥“遥遥领先”背后的奥秘

“遥遥领先”背后凝聚了众多工程师的潜心钻研和艰苦付出。为了让大众智能手机可以直连卫星，他们开发了精心设计的天线阵、小型化的大功率射频放大电路和智能的调制算法。通过阅读公开的专利文件，我们得以管窥“遥遥领先”背后的奥秘。

先来看看硬件层面的革新。为了省去专用卫星通信天线，华为公司开发了一种能将蓝牙、WiFi或蜂窝通信天线整合并重构的技术，通过移相模块调整不同天线的相位差，可将所发射的电磁波从地面通信所用的线极化方式更改为卫星通信所用的圆极化方式，并采用了多收多发的设计以提高通信速率，实现了一套天线两种用途。

其实，这种技术和在各种军事装备上大放异彩的相控阵雷达原理基本相同，都是通过调整阵列中不同天线发射的无线电波的相位，让电波在指定方向上产生干涉，增强该方向上的信号强度。该技术无需传统的机械扫描装置，就能更快速地改变电磁波辐射最强的方向，切合手机直连卫星所需。华为还开发了低损耗、高增益、能实现短时高功率发射的前端电路，并采用了国产芯片厂商推出的天通卫星基带和功放芯片，这些高集成度的芯片也大幅缩减了手机主板的占用面积。

再来看看软件层面的改进。一方面，华为研发了高压缩率的编码算法，节约了宝贵的带宽；另一方面，为了便于用户在茫茫荒野中也能对准看不见的卫星，工程师们开发了卫星信号覆盖数据的同步程序和简明易用的操作界面，用户只需根据界面提示简单操作手机，就能成功发送短信或拨打电话了。当然，作为运营商，中国电信也在编码、协议和网络层面上进行了优化，以便让普通用户不必办理卫星电话卡，就能通过普通智能手机拨打卫星电话。

正是手机厂商和运营商的通力合作、多管齐下，才让用户仅通过使用现有智能手机就能在超低带宽的情况下拨打卫星电话，实现天地融合。而在几十年前，人们还需要通过如房屋般大小的地面站来接收来自太空的电波。接下来，让我们简单回顾一下半个多世纪以来卫星通信的发展历程。

在太空转发电波

现代卫星通信技术起源于1945年，当时还在英国皇家空军担任雷达技术员的著名科幻作家亚瑟·克拉克撰写了一篇题为《地球外的中继》的论文。他在文中指出，可以使用位于地球上空的卫星作为信号中继站来实现全球通信，并认为位于赤道上空约36000千米的地球静止轨道是通信卫星运行的最佳轨道。1957年10月，苏联将世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”送入地球轨道。虽然其貌不扬，但它是第一个被人类送入太空的航天器，开创了人类的航天纪元，人类从此跨入了航天时代。

1962年8月，由美国研发的世界上第一颗通信中继卫星“电星一号”发射升空。这颗卫星配置了一种能将电磁波信号放大数万倍的行波管，可以稳定地将载有电视和电话信号的无线电波传递到大西洋的另一侧。1964年8月，“辛康3号”同步卫星成为地球静止轨道的首位住户，利用这颗卫星，美国成功转播了当年东京奥运会的盛况。1965年4月，首颗商业通信卫星“晨鸟号”发射成功，正式为欧美提供高效的跨大西洋商业通信服务。

1984年4月，我国首颗地球静止轨道的试验通信卫星—“东方红二号”发射成功，开始进行电话、电视和广播等各项通信试验。“东方红二号”的成功发射，标志着中国成为继苏联、美国、法国和日本后世界上第五个有能力自行发射地球静止轨道通信卫星的国家。

不过，由于这一时期的电子设备大多采用晶体管技术，因此卫星通信必须通过硕大的“卫星锅”来提高收发信号的“清晰度”。另外，虽然此时的卫星地面站已经尽量缩小了收发天线的尺寸，减小了发射功率，但信号处理装置的体积仍然很大，完全谈不上便携。所以早期卫星通信技术基本只在电视直播、紧急信息传输等场景中有所应用，不能满足公众日常通信中短途、低成本、大带宽和高并发用户数等需求。

卫星通信的普及尝试

20世纪80年代，虽然各国都在加紧研究建设移动通信网络，但人们并没有真正进入移动通信时代。究其原因，那些初代移动通信网络不仅组网成本高、覆盖面积有限，而且使用各自独有的信号格式，彼此之间互不相通；配套使用的“大哥大”，价格动辄数千美元，更是将大众拒之门外。

那时，普通大众可以通过信件、电话、传真、电报等方式进行交流，但对于野外工作者和探险人员来说，他们和外界的通信仍主要依赖于中短波电台等设备。这些设备不仅联络范围有限、通信带宽较窄，信号还很容易受到太阳风的干扰，一旦信号中断，野外作业人员的人身安全就会面临巨大威胁。为了降低特定行业的通信难度，让人迹罕至之处和基础设施遭破坏的灾区的通信变得畅通无阻，国际各大卫星通信厂商纷纷开启了便携终端和大通量高速商业通信卫星的研发工作。

自1982年起，通过租赁美国和欧洲的通信卫星，国际海事卫星组织（已更名为国际移动卫星组织，英文缩写名仍为INMARSAT）开始提供最基础的海事通信和海难应急发报业务，不仅解决了茫茫大海中船只求助的难题，也因此在这一专业领域拔得头筹。

同时期，电子工业和航天工业的蓬勃发展也推动了低轨中小型卫星技术和“一箭多星”发射技术的成熟，大大降低了建设通信卫星星座的成本。此时，世界通信巨头摩托罗拉公司认为，覆盖能力更广、性能更优越的卫星通信能在大众移动通信市场的激烈竞争中脱颖而出，于是开始研发自己的卫星通信系统。

根据摩托罗拉公司的计算，这套系统需要77颗近地轨道卫星才能将信号覆盖全球，由于“77”恰好是铱元素的原子序数，而这些卫星的排布方式也犹如铱原子的核外电子层，因此该系统被冠以“铱星”之名。实际上，铱星最后只使用了66颗卫星就完成了信号全球覆盖的目标。铱星率先使用Ka波段来构建单星四向星间通信链路。为提高对用户侧L波段波束的快速指向能力，铱星装备了基于相控阵原理的平板式主任务天线，平整的天线表面犹如一面巨大的阳光反射镜，当卫星运行到特定位置时，天线反射的太阳光会变得非常耀眼，形成一条宽达几千米的光带，“铱闪”这一浪漫的人造天文现象也由此产生。1998年，摩托罗拉公司推出了直连卫星的9500卫星手机，成功地将之前如公文包大小的卫星手机“瘦身”到略大于同期的普通手机。

2001年，阿联酋的“舒拉亚”（又名“欧星”）系统也成功投入运营。凭借卫星上展开面积惊人的天线，舒拉亚配套的两款卫星手机首次实现了直连地球静止轨道卫星。铱星和舒拉亚卫星手机基本奠定了“后代”的标志性外形：比普通手机体积略大，拥有粗壮的折叠天线。那么，面对一派勃勃生机的卫星通信，传统地面移动通信网络会败下阵来吗？答案是否定的。

卫星通信技术为何难以普及

早在铱星进入市场前的1995年，使用地面通信网络的蜂窝网络手机就因为统一采用GSM数字信号（即2G信号），大幅降低了组网成本和设备资费价格，在全球移动通信市场斩获了千万用户。使用成本高昂的铱星手机让普通用户无法为其提供盈利支撑，面对廉价、轻便、信号良好的2G手机，铱星手机陷入了十分尴尬的境地。更不用说，负责运营的铱星公司还要维护复杂的通信卫星星座。投入运营不到一年，凝结了大量科研人员十余年心血、耗资数十亿美元的铱星项目便宣告破产。破产后的铱星公司将业务重心转向政府和军队的紧急通信需求以及探险、航海等特殊场景运用中。

原本就在卫星通信领域有所建树的INMARSAT虽然直到2010年才推出了第一代卫星手机产品，但它不断推进旗下通信卫星星座更新换代，让原本只支持语音、传真和电传高速数据的海事卫星系统，可以向邮轮、客机和边远地区提供被称为“全球特快”的高速卫星互联网服务。近年来，INMARSAT还发射了兼顾个人便携终端和宽带上网的第六代海事卫星。

不过，上述卫星通信产品始终没能解决配套设备便携性和使用成本高昂的问题，只能在专业领域攻城略地，一直打不开大众市场。相较于日新月异的大众智能手机，很多卫星手机的机身仍较厚重，天线较大，操作系统也较落后，功能单一不说（基本只能打电话或发短信），使用成本还远高于大众智能手机。以上种种，都让卫星通信愈发显得曲高和寡，与“向公众普及卫星通信”的初始目标渐行渐远。当然，仍有很多从业者相信，卫星通信一定会很快被公众广泛使用。他们尝试让移动设备搭载卫星通信相关硬件，主动“拥抱”现有的卫星通信系统，而他们的努力也最终成就了如今的卫星手机，甚至卫星手表。

除了主动适配现有通信卫星，也有企业尝试通过优化卫星设计，将目前广布于地面的蜂窝基站“搬”上卫星，让用户无需另外购置任何设备，只利用现有手机或电脑即可实现直连卫星。目前这一技术路线的“领头羊”是美国AST太空移动通信公司（简称AST公司）开发的“蓝行者3号卫星”。“蓝行者3号”卫星拥有一个展开面积约64平方米的巨型平板相控阵天线，通过波束赋形技术，能在近地轨道上和未经特殊优化的手机构成有效连接。2023年4月25日，AST公司成功利用这颗卫星进行了世界首次天基双向电话通话。当然，我国的银河航天（北京）科技有限公司（简称银河航天）也有计划开发类似的“翼阵合一”卫星，并已完成二维展开关键技术攻关工作。

卫星通信大众化的另一赛道

目前卫星通信主要针对个人卫星电话业务和偏远地区卫星互联网业务来设定，这也是当前卫星通信产业的两条技术赛道。前者的推广主要靠消费级电子产品的直连卫星技术来负责，后者的普及又该如何实现呢？

由于部署轨道低、不用架设基站、信号覆盖不受地域限制，低轨卫星通信一直被视为地面网络通信的有效补充。2015年，美国太空探索技术公司（简称SpaceX）率先公布了“星链”计划。为了避免重蹈铱星的覆辙，星链的秘诀是“开源节流”：一方面寻求更多的用户分担成本，一方面大幅降低系统的建设和维护成本。星链卫星不仅可以量产，还可以经“猎鹰9号”可回收火箭批量送入太空，“流水线般”的发射过程不仅降低了成本，还提高了布网速度。如此一来，即使星链用户在上网前仍需另外购置终端，也完全负担得起相关费用。此外，星链还为地面网络建设尚不完善的偏远地区居民提供了一条新的上网途径。因此，星链一经推出，其用户规模就迅速爆发，目前已拥有超过230万的用户。

当然，星链本身也有不少问题亟需解决。比如，已有的5000多颗卫星让空间本就有限的近地轨道更加拥挤不堪，增加了太空碰撞风险，影响了天文观测等。用户数量的激增也让很多地区的网络出现拥堵，网速大幅下降。虽然，现阶段的星链存在着众多问题，但作为第一个“吃螃蟹的人”，SpaceX取得的探索成果也间接拉开了全球卫星互联网产业的竞争大幕，让我国加快了卫星移动通信星座系统的研发和实施步伐。

成立于2021年的中国卫星网络集团有限公司计划发射一个包含1.3万颗近地轨道卫星的巨大星座，以提供覆盖全球的互联网连接。为了实现这一宏伟目标，我国自2018年起已经发射了多颗各型低轨宽带通信技术验证卫星。银河航天是民营航天队伍中的佼佼者，自2020年起，该公司不仅成功发射了多批低轨通信卫星，首次实现了在行驶车辆上利用低轨星座上网的“动中通”，还研发了我国首型平板式卫星—灵犀03星。该卫星结构形似汽车底盘，各种设备悬挂在平板结构两侧，如此设计不仅简化了设计制造流程、实现了低成本量产，更利于完成“一箭多星”发射任务。此外，灵犀03星还首次搭载了此前只在中国空间站上有所应用的柔性太阳翼，该太阳翼重量轻、收纳体积小、发电效率高，适合在平板通信卫星等小体积、高功率平台上使用。

目前，我国已发布的具有卫星通信功能的大众智能手机主要依靠天通一号卫星移动通信系统（简称“天通一号”）和北斗三号卫星导航系统（简称“北斗三号”）进行工作。其中，“天通一号”是我国首个自主研发的卫星移动通信系统，可提供话音、短信、数据等服务，实现了我国全部陆地和海洋的网络覆盖。该系统包含2016—2021年先后发射的3颗地球静止轨道通信卫星，为了提高信號的收发灵敏度和带宽，卫星上装有口径约15米的大型在轨展开天线，还采用了频率复用技术。

“北斗三号”是我国自主研发的全球卫星定位系统，除了可以为地面用户提供常规定位服务外，它还具备独一无二的区域短报文功能。该功能通过3颗地球静止轨道通信卫星实现，最早是为了方便进行星间通信和星座联络的国内地面站而设计，后开放给公众使用，主要服务中国及周边地区。

已经在地面蜂窝通信领域“遥遥领先”的华为公司也不甘落后，在2023年的一次会议上，华为公开了其研发的再生转发宽带通信载荷的在轨试验结果，其下行网速高达660兆，上行网速则可达135兆，同时达到了目前低轨通信卫星中领先的频谱效率。这意味着相同网速下，该技术所需带宽更窄，大大节省了宝贵的频谱资源。

作为新能源汽车领域的新巨头，吉利公司也将目光投向了太空。吉利旗下的浙江时空道宇科技有限公司计划建立全球首个商用通信导航遥感一体星座。这一名为“吉利未来出行星座”的计划目前已部署了20颗卫星，并计划于2026年前部署完一期72颗多功能卫星，提供全球实时数据通信服务；二期将扩展至168颗卫星，实现全球厘米级高精度定位服务。

当然，以上两种技术赛道并非如某些商业宣传所言那般势如水火。相反，未来向全社会普及卫星通信的历程必然是两条赛道的“双向奔赴”。2023年6月，在第三代合作伙伴计划（制定全球通信标准的组织）最新发布的5G-R17标准中，非地面网络已经成为关键部分，手机和卫星将根据统一标准进行深度融合。2023年12月，我国中央经济工作会议也把包括商业卫星在内的商业航天列为战略性新兴产业。未来，人类通信将不再受地面通信网络限制，甚至通过卫星手机进行视频聊天也不再是难题。相信卫星通信这一原本“曲高和寡”的高新技术，一定会让卫星互联网产业驶入高质量快速发展之路。

【责任编辑】谌 燕