“捅破天”的手机卫星通信

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2023年最火的手机莫过于华为Mate60系列，作为华为最新的旗舰手机，以其卓越的通信技术，真正意义上实现了在无地面网络时通过卫星网络进行通话和收发短信，展示了手机卫星通信的未来畅想，开启了人类手机卫星通信的新纪元。华为手机的这项“捅破天”的重大创新，让广大消费者用买手机的钱，同时买了一个卫星电话，生命安全又增加了一重保障！
实现卫星通话的前提是发展通信卫星。通信卫星是世界上应用最早的卫星之一，因具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量稳定、设备可靠性高的特点，被广泛应用于电信、广播、医疗、应急救援、国防建设、科学研究等国际、国内和军事通信业务领域，没有通信卫星，我们生活的便利性将大打折扣。
1958年美国发射了全球第一颗通信卫星“斯科尔号”，虽然其工作寿命只有13天，而且轨道高度低，但却由此拉开了全球通信卫星应用的序幕。1972年尼克松访华时，我国通过租用美方卫星地面站建立了中美间卫星通信，这是我国首次使用卫星通信功能。尼克松访华带来的先进卫星通信技术，极大地震撼了我们，也坚定了我们发展卫星通信的决心。1975年3月31日，中央军委批准了《关于发展我国通信卫星的报告》，“331工程”启动，此后便是我国长达数十年对卫星通信的研究与探索。1984年，我国第一颗静止轨道实验通信卫星“东方红二号”发射成功，开启了中国人用自己的卫星进行通信的历史。次年，我国先后建设了北京、拉萨、乌鲁木齐、呼和浩特、广州等5个公用网地球站，正式传送中央电视台节目，我国由此结束了只能租用国外通信卫星看电视、听广播的历史。
到2008年，我国的通信卫星在广播和数据中继方面均取得了长足进步，但广播卫星只能用来看电视，数据中继卫星只能用来做点对点数据中继，在卫星移动通信方面，我国仍处于探索起步阶段。2008年汶川地震发生后，震区地面通信网络全面瘫痪。由于我国没有自己的移动通信卫星系统，只能租用国外的卫星电话抗震救灾。之后，我国痛定思痛，启动了自主移动通信卫星系统的立项论证。
2016年8月6日，我国首颗大容量地球静止轨道移动通信卫星“天通一号01星”升空，填补了国家卫星移动通信服务的空白，在2017年四川阿坝州九寨沟县7.0级地震的指挥救援工作中发挥了重要作用。随着2020年底、2021年初天通一号02星、03星成功发射，天通一号卫星通信系统正式组网完成。三颗卫星均为地球同步轨道，主要为我国领土领海全域、“一带一路”沿线地区以及太平洋、印度洋大部分海域的用户提供全天候、全天时稳定可靠的移动通信服务，服务范围涵盖灾难救援、个人通信、海洋运输、远洋渔业、航空客运、两极科考、国际维和等方方面面。为华为Mate60系列手机提供卫星通话技术支持的正是天通一号卫星通信系统。
与传统的地面基站通信相比，卫星通话有个绕不开的短板，就是传输时延较大。无线电波虽在自由空间的传播速度等于光速，但当它从地面发往同步卫星，又发回地面，这“一来一回”就需要走7.2万公里。打卫星电话时，无线电波就要往返近15万公里，需传输0.5秒钟的时间，即发话人说完0.5秒钟以后才能听到对方的回音，这种现象称为“延迟效应”。由于“延迟效应”现象的存在，打卫星电话往往不像地面打电话那样自如方便。
对此问题，不少网友给出了自己的解决方案，用低轨通信星座进行通讯。诚然，新兴的低轨通信星座大都能够实现50ms以内的时延，与地面光纤网络相当。比如现阶段美国马斯克的“星链”卫星，4800多颗“星链”卫星飞行在距离地面约400公里至650公里的外太空，下传速度高达300Mbps，端到端时延也仅为20ms左右。但用手机直连卫星，需要考虑的不仅仅是时延，还需要考虑通讯波段和手机发射功率等一系列问题。“星链”卫星使用的通讯波段是Ka和Ku，频段在20GHz，而手机使用的频段在2.4GHz至5GHz，所以“星链”卫星不能直接拿来用于移动卫星通话。如果要实现手机直连，就必须变频，需要安装专门设计的信号转发器。而且即使通过转发器满足了频段需求，还是很难实现手机与卫星的直连，因为普通手机的功率不够。传统卫星电话的最大发射功率需要在2W以上，而作为消费电子产品的普通手机，联网时候的发射功率可能也就0.1W到1W之间，远远低于卫星通话功率。据中国电信披露，Mate60系列手机打卫星电话的时候就要大约2W的功率用于通信。当然，低轨卫星要实现手机直接，要解决的难题远不止上述两点，还有卫星移动速度过快、多普勒效应导致的无线电信号频率和相位变化，等等。
其实，以“星链”为代表的低轨星座和华为使用的高轨卫星通信技术，在技术原理、核心功能、应用场景等方面均有明显的差异。“星链”的核心功能是提供高速的卫星互联网连接，解决的是全球互联网接入问题。而华为的卫星通信技术主要基于高轨道卫星，信号延迟相对较高，主要支持传统的卫星通信服务，包括语音通信、数据传输和广播等，虽然它也可以提供通信服务，但通常无法提供与“星链”相同的高速互联网体验。也正因为如此，低轨卫星星座因其“较强的抗毁性”“低传输延时性”和“低功耗链路”等特点，日益成为全球航天发展的焦点。除了SpaceX公司的“星链”计划，英国OneWeb、加拿大电信卫星公司Telesat、跨国企业SES的O3b星座、波音、三星等互联网低轨星座计划也在积极推进中。值得一提的是，地球近地轨道的空间资源是有限且不可再生的，据估计近地轨道总数约为6万个，若“星链”计划的4.2万卫星全部进入轨道的话，那么就永久占用了总轨道数的70%。抢占近轨资源，刻不容缓。我国也在2020年9月以“GW”为代号向国际电信联盟申报了两个低轨卫星星座，共计12992颗卫星，2023年已经发射了第一颗实验卫星，预计今年开始进入批量发射，计划到2030年，平均每年发射1800颗。
华为Mate60系列卫星通信功能的实现，是华为和中国航天事业共同努力的结果，他们分别在各自的领域打破了美国的封锁，让中国在一系列领域、产品上遥遥领先。我们有理由相信，未来的中国航天事业和华为必将继续实现全球科技领域的新突破，为中国和世界带来更多的惊喜与福祉！


来源：《群众·大众学堂》杂志2024年第1期
作者：何晓剑（作者单位：星联芯通科技有限公司）
责任编辑：王昆鹏