從笨重到便攜 個人衛星通信如何實現“遙遙領先”

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，互聯網上一片“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企業生產的麒麟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星電話功能。

無獨有偶，2024年的1月和2月，另兩大國產手機廠商—榮耀和小米也分別開售了搭載衛星電話功能的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作，不僅以更小的衛星通信模塊面積、更低的功耗實現了衛星通話和短信功能，還在搜星速度上更勝一籌。此外，小米還別具匠心地開發了一款兼具鏡頭蓋、手機支架功能的衛星信號增幅儀，可以讓手機的衛星信號性能提升129%；在雨雪等惡劣天氣或山區等遮擋地形下，能降低通話延遲，讓手機獲得更好的通話質量，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領域使用的衛星電話功能“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”手機衛星電話業務，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星，他們開發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。為了省去專用衛星通信天線，華為公司開發了一種能將藍牙、WiFi或蜂窩通信天線整合并重構的技術，通過移相模塊調整不同天線的相位差，可將所發射的電磁波從地面通信所用的線極化方式更改為衛星通信所用的圓極化方式，并采用了多收多發的設計以提高通信速率，實現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，都是通過調整陣列中不同天線發射的無線電波的相位，讓電波在指定方向上產生干涉，增強該方向上的信號強度。該技術無需傳統的機械掃描裝置，就能更快速地改變電磁波輻射最強的方向，切合手機直連衛星所需。華為還開發了低損耗、高增益、能實現短時高功率發射的前端電路，并采用了國產芯片廠商推出的天通衛星基帶和功放芯片，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，華為研發了高壓縮率的編碼算法，節約了寶貴的帶寬；另一方面，為了便于用戶在茫茫荒野中也能對準看不見的衛星，工程師們開發了衛星信號覆蓋數據的同步程序和簡明易用的操作界面，用戶只需根據界面提示簡單操作手機，就能成功發送短信或撥打電話了。當然，作為運營商，中國電信也在編碼、協議和網絡層面上進行了優化，以便讓普通用戶不必辦理衛星電話卡，就能通過普通智能手機撥打衛星電話。

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有智能手機就能在超低帶寬的情況下撥打衛星電話，實現天地融合。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星通信的發展歷程。

在太空轉發電波

現代衛星通信技術起源于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星作為信號中繼站來實現全球通信，并認為位于赤道上空約36000千米的地球靜止軌道是通信衛星運行的最佳軌道。1957年10月，蘇聯將世界上第一顆人造地球衛星“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，由美國研發的世界上第一顆通信中繼衛星“電星一號”發射升空。這顆衛星配置了一種能將電磁波信號放大數萬倍的行波管，可以穩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。1964年8月，“辛康3號”同步衛星成為地球靜止軌道的首位住戶，利用這顆衛星，美國成功轉播了當年東京奧運會的盛況。1965年4月，首顆商業通信衛星“晨鳥號”發射成功，正式為歐美提供高效的跨大西洋商業通信服務。

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

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

衛星通信的普及嘗試

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絡不僅組網成本高、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，野外作業人員的人身安全就會面臨巨大威脅。為了降低特定行業的通信難度，讓人跡罕至之處和基礎設施遭破壞的災區的通信變得暢通無阻，國際各大衛星通信廠商紛紛開啟了便攜終端和大通量高速商業通信衛星的研發工作。

自1982年起，通過租賃美國和歐洲的通信衛星，國際海事衛星組織（已更名為國際移動衛星組織，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報業務，不僅解決了茫茫大海中船只求助的難題，也因此在這一專業領域拔得頭籌。

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

根據摩托羅拉公司的計算，這套系統需要77顆近地軌道衛星才能將信號覆蓋全球，由于“77”恰好是銥元素的原子序數，而這些衛星的排布方式也猶如銥原子的核外電子層，因此該系統被冠以“銥星”之名。實際上，銥星最后只使用了66顆衛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象也由此產生。1998年，摩托羅拉公司推出了直連衛星的9500衛星手機，成功地將之前如公文包大小的衛星手機“瘦身”到略大于同期的普通手機。

2001年，阿聯酋的“舒拉亞”（又名“歐星”）系統也成功投入運營。憑借衛星上展開面積驚人的天線，舒拉亞配套的兩款衛星手機首次實現了直連地球靜止軌道衛星。銥星和舒拉亞衛星手機基本奠定了“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星通信，傳統地面移動通信網絡會敗下陣來嗎？答案是否定的。

衛星通信技術為何難以普及

早在銥星進入市場前的1995年，使用地面通信網絡的蜂窩網絡手機就因為統一采用GSM數字信號（即2G信號），大幅降低了組網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、耗資數十億美元的銥星項目便宣告破產。破產后的銥星公司將業務重心轉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星手機產品，但它不斷推進旗下通信衛星星座更新換代，讓原本只支持語音、傳真和電傳高速數據的海事衛星系統，可以向郵輪、客機和邊遠地區提供被稱為“全球特快”的高速衛星互聯網服務。近年來，INMARSAT還發射了兼顧個人便攜終端和寬帶上網的第六代海事衛星。

不過，上述衛星通信產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，很多衛星手機的機身仍較厚重，天線較大，操作系統也較落后，功能單一不說（基本只能打電話或發短信），使用成本還遠高于大眾智能手機。以上種種，都讓衛星通信愈發顯得曲高和寡，與“向公眾普及衛星通信”的初始目標漸行漸遠。當然，仍有很多從業者相信，衛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星通信相關硬件，主動“擁抱”現有的衛星通信系統，而他們的努力也最終成就了如今的衛星手機，甚至衛星手表。

除了主動適配現有通信衛星，也有企業嘗試通過優化衛星設計，將目前廣布于地面的蜂窩基站“搬”上衛星，讓用戶無需另外購置任何設備，只利用現有手機或電腦即可實現直連衛星。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）開發的“藍行者3號衛星”。“藍行者3號”衛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特殊優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）也有計劃開發類似的“翼陣合一”衛星，并已完成二維展開關鍵技術攻關工作。

衛星通信大眾化的另一賽道

目前衛星通信主要針對個人衛星電話業務和偏遠地區衛星互聯網業務來設定，這也是當前衛星通信產業的兩條技術賽道。前者的推廣主要靠消費級電子產品的直連衛星技術來負責，后者的普及又該如何實現呢？

由于部署軌道低、不用架設基站、信號覆蓋不受地域限制，低軌衛星通信一直被視為地面網絡通信的有效補充。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“開源節流”：一方面尋求更多的用戶分擔成本，一方面大幅降低系統的建設和維護成本。星鏈衛星不僅可以量產，還可以經“獵鷹9號”可回收火箭批量送入太空，“流水線般”的發射過程不僅降低了成本，還提高了布網速度。如此一來，即使星鏈用戶在上網前仍需另外購置終端，也完全負擔得起相關費用。此外，星鏈還為地面網絡建設尚不完善的偏遠地區居民提供了一條新的上網途徑。因此，星鏈一經推出，其用戶規模就迅速爆發，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。用戶數量的激增也讓很多地區的網絡出現擁堵，網速大幅下降。雖然，現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星互聯網產業的競爭大幕，讓我國加快了衛星移動通信星座系統的研發和實施步伐。

成立于2021年的中國衛星網絡集團有限公司計劃發射一個包含1.3萬顆近地軌道衛星的巨大星座，以提供覆蓋全球的互聯網連接。為了實現這一宏偉目標，我國自2018年起已經發射了多顆各型低軌寬帶通信技術驗證衛星。銀河航天是民營航天隊伍中的佼佼者，自2020年起，該公司不僅成功發射了多批低軌通信衛星，首次實現了在行駛車輛上利用低軌星座上網的“動中通”，還研發了我國首型平板式衛星—靈犀03星。該衛星結構形似汽車底盤，各種設備懸掛在平板結構兩側，如此設計不僅簡化了設計制造流程、實現了低成本量產，更利于完成“一箭多星”發射任務。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、發電效率高，適合在平板通信衛星等小體積、高功率平臺上使用。

目前，我國已發布的具有衛星通信功能的大眾智能手機主要依靠天通一號衛星移動通信系統（簡稱“天通一號”）和北斗三號衛星導航系統（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的衛星移動通信系統，可提供話音、短信、數據等服務，實現了我國全部陸地和海洋的網絡覆蓋。該系統包含2016—2021年先后發射的3顆地球靜止軌道通信衛星，為了提高信號的收發靈敏度和帶寬，衛星上裝有口徑約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”是我國自主研發的全球衛星定位系統，除了可以為地面用戶提供常規定位服務外，它還具備獨一無二的區域短報文功能。該功能通過3顆地球靜止軌道通信衛星實現，最早是為了方便進行星間通信和星座聯絡的國內地面站而設計，后開放給公眾使用，主要服務中國及周邊地區。

已經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，華為公開了其研發的再生轉發寬帶通信載荷的在軌試驗結果，其下行網速高達660兆，上行網速則可達135兆，同時達到了目前低軌通信衛星中領先的頻譜效率。這意味著相同網速下，該技術所需帶寬更窄，大大節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顆衛星，并計劃于2026年前部署完一期72顆多功能衛星，提供全球實時數據通信服務；二期將擴展至168顆衛星，實現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宣傳所言那般勢如水火。相反，未來向全社會普及衛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）最新發布的5G-R17標準中，非地面網絡已經成為關鍵部分，手機和衛星將根據統一標準進行深度融合。2023年12月，我國中央經濟工作會議也把包括商業衛星在內的商業航天列為戰略性新興產業。未來，人類通信將不再受地面通信網絡限制，甚至通過衛星手機進行視頻聊天也不再是難題。相信衛星通信這一原本“曲高和寡”的高新技術，一定會讓衛星互聯網產業駛入高質量快速發展之路。

【責任編輯】諶 燕