吊炸天的“卫星通话”究竟是什么高科技？

shuanger88

公众号：SEMI半导体研究院
长期关注半导体与集成电路产业、人才、投资、政策等，分享最新咨询、助力IC产业发展。

华为 Mate60 Pro 的发布引发了一波抢购热潮，时隔三年之久，华为mate系列终于又发布新机了。Mate60Pro最引人瞩目的地方，除了那个尚不知道哪里产的麒麟9000s，还有一项非常重要的功能——卫星通话，让你的通话可以随时随地，纵横山海，畅联九霄。


这个吊炸天的技术，到底怎么样？真的能捅破天吗？射频学堂今天就和大家一起探索一下，这个”向上捅破天“的技术到底怎么样？
什么是人造卫星？现在，人造卫星这个概念想必都不太陌生，什么星链啦，GPS啦，北斗啦，量子卫星啦，每一个有关人造卫星的词汇都会引起人们的热议。尤其是当今鹅乌战争中，星链对战争的重要作用，更引人对人造卫星的关注。那你知道第一颗人造卫星是什么时候发的吗？它能干啥吗？
天文学家把天上的星星分为三大类，恒星，行星和卫星。我们的太阳就是一颗巨大的恒星，恒星内部无时无刻都在发生无数的核爆，然后用电磁波的形式向外界释放能量。像地球一样，不能向外界释放能量，围绕恒星运动的星星叫做行星，而围绕行星运动的星星就是卫星，比如我们的月亮。卫星，像一个安全卫士一样，守护在行星的周围，为行星抵挡着大多数来自宇宙的暴击。


人造卫星，就是人类制造的能够在地球轨道上运行的无人航天器。到今天为止，人类总共发射了大约50000颗人造卫星，其中绝大部分失去了功能，变成了太空垃圾。
右图是你以为的，其实中间图才是实际的状态。所以我们的头顶上其实布满了密密麻麻的人造卫星。如果按照现在的发射速度，人造卫星的数目还会指数增长，科学家预估到2209年，地球表面的人造卫星将是最有图所示的密集度。


这些人造卫星，大小不等，功能各异，服务着人类的方方面面，包括军事，气象，广播，通信，导航，侦察，预警，科学实验等等。

当然，人类作为最好斗的生物之一，军事用途也是第一位的。第一颗人造卫星的发射就伴着冷战时期两大阵营的剧烈军事技术对抗。前苏联于1957年10月4日，成功发射了人类历史上第一颗人造卫星——Sputnik-1，Sputnik在俄语中就是陪伴的意思，Sputnik-1直译就是一号人造卫星。多么霸气的名字，直接就是一号。还好我们采用音译，直接叫它——斯普特尼克一号。


斯普特尼克一号人造卫星由前苏联火箭专家科罗廖夫利用导弹改制而成，运行轨道为椭圆轨道，高度为215km/947km、轨道倾角65.1°，采用自旋稳定控制方式。该卫星呈球形，直径0.58m，质量83.6kg，主要由壳体、卫星设备和天线组成。卫星壳体由两个铝合金半球壳对接密封而成，内部充有氮气。壳体内安装蓄电池组、无线电发射机等仪器设备。卫星外部装有4根鞭状天线，2根长2.4m，2根长2.9m。星载无线电发射机采用20.005MHz和40.002MHz的频率发送无线电信号。斯普特尼克一号人造卫星总共工作了22天，于1957年10月26号，电池耗尽，停止对外发送信号。之后又在太空中运行了三个月，于1958年1月4号，再次进入地球大气层而烧毁。这颗人造卫星开创了人类开发外太空的第一步，从此，人类的活动范围从陆地，海洋，大气层，一直到外太空，打开了南天门，迈向了天庭。当然，斯普特尼克一号人造卫星的成功发射，也大大刺激了美国，并引起了美国的恐慌。从此冷战，也从地球表面延伸到了太空。紧接着，1958年1月31日，美国成功发射了 ”Explorer 1“ 人造卫星，这颗卫星比较小，仅有两个篮球大小，重量也仅8.22公斤，锥顶圆柱形，高203.2厘米，直径15.2厘米，沿近地点360.4公里、远地点2531公里的椭圆轨道绕地球运行，轨道倾角33.34°，运行周期114.8分钟。


紧接着，法国，日本也相继发射了属于自己的第一颗人造卫星。
继日本成功发射第一颗人造卫星之后，我们中国也发射了自己的第一颗人造卫星——东方红一号。东方红一号发射成功，开创了中国航天史的新纪元，使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。在那个一穷二白的年代，科学家们凭借着自己超强的毅力和献身精神，硬是手绘出了人造卫星的图纸，完成了中国第一颗人造卫星的成功发射。


东方红一号卫星由结构、温控、能源、《东方红》音乐装置和短波遥测、跟踪、天线等分系统及姿态测量部件等组成，主要任务是进行卫星技术试验、探测电离层和大气层密度。外形为近拟球体的72面体，直径约1米，质量为173千克，采用自旋姿态稳定方式，转速为120转/分，利用太阳角计和红外地平仪测定姿态。用20MHz的电磁波向全世界播放”东方红“的歌曲。东方红一号工作20天之后，电池耗尽停止向外界发送电磁波信号。但是卫星的轨道寿命并未结束，时至今日，东方红一号依然运行在我们的头顶，向全世界通告中国科技的崛起。什么是通信卫星？卫星的用途多种多样，其中通信通信，是人类使用最早，应用最广的人造卫星之一。一颗地球静止轨道卫星，大概能够覆盖约40%左右的地球表面，包括海洋，高山，陆地和低空。人类在地球静止轨道上，均匀分布三颗通信卫星，就可以覆盖全球的通信。


地球静止轨道位于赤道上空35786.6Km的高空，卫星在这条轨道上以每秒3075米的速度自西向东绕地球旋转，绕地球一周的时间为 23小时56分4秒，恰与地球自转一周的时间相等。因此从地面上看，卫星就像挂在天上不动，这就使地面接收站的工作方便多了。接收站的天线可以固定对准卫星，昼夜不间断地进行通信，不必像跟踪那些移动不定的卫星一样而四处“晃动”，使通信时间时断时续。通信卫星已承担了全部洲际通信业务和电视传输。同步轨道卫星覆盖面广，但是频谱的利用率却比较低。因为电磁波传输距离比较远，因此信号时延也比较大，达到250ms，远超地球表面基站之间的传输时延。但是地面移动基站的覆盖范围小，通常为1-5Km之内，全覆盖的建设成本高，并且很多地方也根本不具备建站条件。所以，近地轨道的卫星通信就成了一个热门选项。


低轨道卫星系统，是指运行在近地轨道的人造卫星，一般距地球表面大约为1000千米，电磁波的空间传输损耗较小。卫星形成的覆盖小区在地球表面很快移动，绕地球一周约需2小时。当小区移过移动用户时，也有“越区切换”问题。但是低轨道卫星一般只有几百公斤，用小推力火箭即可发射，甚至可以一箭多星，因此发射成本比较低。低轨道卫星通信的优点主要有：1，卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；2，蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。因此，低轨道（LEO）系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。目前，主要的低轨道通信卫星的方案主要有铱（Iridium）系统和全球星系统（Globalstar）、白羊（Arics）系统、低轨卫星（Leo-Set）系统、柯斯卡（Coscon）系统、卫星通信网络（Teledesic）系统等。通信行业的人应该都听说过耗死摩托罗拉公司的铱星计划。这个摩托罗拉提出的最早用于服务全人类通信的铱星计划，太空部分由七条卫星轨道组成，每条轨道上分布11颗卫星，就像金属元素铱一样，在原子核外分布着77颗电子。尽管后来被证实6条卫星轨道也能够提供同样的覆盖，计划卫星数也减少到了66颗。


这个1987年提出的人类最早的通信星座系统，，每颗星质量670千克左右，功率为1200瓦，采取三轴稳定结构，每颗卫星的信道为3480个，服务寿命5至8年。铱星系统的最大特点是，通过卫星之间的接力来实现全球通信，相当于把地面蜂窝移动电话系统搬到了天上.它与使用的静止轨道卫星通信系统比较有两大优势：一是轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高；二是铱星系统不需要专门的地面接受站，每部移动电话都可以与卫星联络，这就使地球上人迹罕至的不毛之地，通信落后的边远地区，自然灾害现场都变得畅通无阻。所以说，铱星系统开始了个人卫星通信的新时代。但是这个超前的技术，最终还是在市场竞争中败给了移动蜂窝，铱星计划最终不得不以破产告终。后来铱星计划被美国国防部收购，为美国政府和军队服务。最终还是外星人马斯克的StarLink横空出世，带动了整个低轨道卫星通信的快速发展。在2015年的时候，马斯克就宣布要发射大约1.2万颗通信卫星发射到轨道,其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道，这个星链将为人类提供高速互联网服务。而且是全地球，无死角，随时，随地，随便，只要你有钱。到2023年7月份，Starlink 总共有4519颗卫星发射成功，其中有4487颗卫星正在运行，目前可提供5Mbps到200Mbps不等的传输速率，这个传输速率已经可以满足大部分人的上网需求了。下图给出了Starlink的射频参数，地面站和卫星之间采用27.5GHz-30GHz的毫米波频段传输，而卫星和用户终端之间采用10.7GHz到12.7GHz的频段传输。



从理论上来说，星链系统能够覆盖全球的通信，但是受限于卫星数目以及各种原因的限制，目前大部分服务仍限于北美和欧洲。在Starlink的可用性地图上，世界其他地区被标记为“即将推出”，甚至美国部分地区也在等待潜在客户。



当然，我们中国自己的星链计划也在稳步推进中，据报道称，到2030年，完成300颗卫星组网，届时将具备“全球任一地点10分钟内查访”的即时业务响应和服务能力，这将为全球应急救援、火情监测、防灾减灾领域提供更加有效的数据和能力支撑。

那么，华为mate60pro的卫星通话，究竟是怎么回事？用的是什么卫星？
这里就引出了我们的通信卫星系统----天通一号
天通一号卫星系统

华为mate60Pro进行卫星通话采用的是中国自主研制的天通一号卫星通信系统，该卫星通信系统由航天五院带头研制，目前由中国电信运营。
天通一号卫星移动通信系统，由空间段、地面段和用户终端组成，空间段计划由多颗地球同步轨道移动通信卫星组成。其中，天通一号01星于2016年8月6日，由长征三号乙运载火箭发射升空，标志着我国正式进人地球N步轨道移动通信卫星俱乐部。紧接着，在2020年11月12日，天通一号02星也发射成功；然后在2021年1月20日，成功将天通一号03星发射升空。



天通一号01星工作在S频段，上行1980MHz-2110MHz，下行是2170MHz-2200MHz。现阶段能满足100万用户的通信容量。覆盖区域主要为中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域。覆盖地形没有限制，海洋、山区、尚原、森林、戈壁、沙漠都可实现无缝覆盖。覆盖人群涉及车辆、飞机、船舶和个人等各类移动用户，为个人通信、海洋运输、远洋渔业、航空救援、旅游科考等各个领域提供全天候、全天时、稳定可靠的移动通信服务，支持语音、短消息和数据业务发生自然灾害时，天通一号的应急通信能力可以发挥极大作用，此外，天通一号01星最主要的优势体现在终端的小型化、手机化，便于携带。下图是中国电信官网推出的 5G天通卫星移动终端全网通YT8000，售价9800元.



这个天通一号卫星系统也是华为mate 60Pro 实现卫星通话的通信卫星系统，如果你手机具备这个功能的话，可以登录天翼云网站，即可开通天通一号的服务。



天通卫星业务是中国电信依托中国自主研发的“天通一号”卫星移动通信系统及网络，采用1740专属号段，为客户提供卫星移动话音、短信、数据及增值服务，天通卫星业务实现对中国领土、领海的通信网络全面覆盖，填补现有通信无法覆盖的区域，广泛应用于海洋渔业、应急救援、旅游探险、物联网等多个应用。
天通卫星除了可以提供通话，短信业务之外，还可以提供上网服务，目前的传输速率大约为384kbps，相较于Starlink，还有不小的差距。相信在将来，一定会捅破天。

不过，既然上卫星了，收费还是挺贵的，1000块钱一年，包含750分钟通话和5条国内短信。超出套餐，拨打和接收卫星电话都是一块六一分钟。



<hr/>参考阅读：

1，https://www.tomsguide.com/news/starlink-internet-coverage-speed-cost-satellites-ipo-and-latest-news；2，https://new.qq.com/rain/a/20230714A00K6600；3，http://www.chinatelecom.com.cn/news/02/202109/t20210927_66332.html；4，https://baike.so.com/doc/24713766-25619257.html；5，https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%AB%E6%98%9F/21511；6，https://baike.baidu.com/item/%E9%80%9A%E4%BF%A1%E5%8D%AB%E6%98%9F?fromModule=lemma_search-box


公众号：SEMI半导体研究院
长期关注半导体与集成电路产业、人才、投资、政策等，分享最新咨询、助力IC产业发展。