陈蓝| 移动卫星通信40年:罗马是怎样建成的?

来源:观察者网

2023-11-20 08:34

陈蓝

陈蓝作者

航天爱好者,英文电子杂志“Go Taikonauts”创办人之一

【文/观察者网专栏作者 陈蓝】

11月10日,中国电信宣布将引入天启低轨卫星星座,和华为手机使用的高轨天通星座一起为消费市场提供移动终端直连卫星的服务。在今年8月末,一夜之间,华为Mate60 Pro手机让手机卫星通信变得家喻户晓,关注度陡然上升。这个新闻只是最近几个月频频出现的手机“捅破天”的新闻中最新的一条。

罗马不是一天建成的,手机卫星通信当然也不是一夜间从天上掉下来的。移动卫星通信已经过40多年的发展,普通手机直连卫星只是实现梦想的最后一程,难度最大、门槛最高,但通过几代人的不懈努力,现在终成现实。

接下来,我们就对移动卫星通信的发展做一个全面的回顾和展望,了解一下罗马是怎样建成的。希望能从更广的视野和更高的高度,去理解这一系列事件的历史意义。

卫星通信:从科幻到现实

人类长久以来一直有一个梦想,就是地球上任何一个人,在世界任何一个角落,用一台轻便的手持设备,就能随时随地和世界上另一个角落的另一个人进行通话。上个世纪,美、中、苏的科学幻想作品中都出现过这样的场景(下图)。

上世纪移动通信幻想作品(图源:互联网)

今天,地球上几乎所有人都有手机(爱立信统计,2023年二季度全球手机用户数83亿,超过80亿地球人口),可以随时随地呼叫另一个拥有手机的人。在没有手机信号的野外和海洋,人们可以用专用的卫星手机进行通话,用便携设备上网。不知其数的飞机、船舶、车辆和其他移动设备接入了卫星物联网。

华为Mate 60 Pro手机的横空出世,则开启了将卫星电话普及到每一个人的历史进程。相信用不了多少年,人人都将获得直连卫星的能力,上述梦想将完全实现。

那么,这一切是从哪里开始的呢?

卫星通信的概念最早由著名科幻作家阿瑟·克拉克于1945年提出。他设想通过三颗位于3.6万公里高的地球同步轨道、电磁波覆盖全球的卫星来实现信号中继。

1960年,美国发射世界上第一颗无源(被动)通信卫星“回声一号”。这是一颗直径30米的气球卫星,通过反射电磁波实现信号的远距离传输。1962年,有源通信卫星“电星一号”发射并成功进行了电视转播实验。1963年,第一颗地球同步轨道通信卫星“辛康二号”成功入轨。1964年,“辛康三号”商业通信卫星成功转播了东京奥运会。

此后,国际通信卫星组织(Intelsat)和各大商业卫星公司的实用型同步通信卫星陆续发射。世界进入卫星通信时代,克拉克的设想基本得以实现。

回声一号(图源:NASA)

电星一号(图源:NASA)

这些同步通信卫星都需要地面上庞大的抛物面天线来实现信号的收发,大多用于远程通信干线上,尤其是跨洋干线上。随着技术进步,天线尺寸不断缩小。VSAT(甚小口径卫星终端站)系统天线可小至1-2米,尤其适合偏远地区接入和专用网(如证券系统)。上世纪末出现的电视直播卫星则可以直接广播信号到个人终端,天线直径小至0.3米。

不过,这和随时随地通信的目标仍有很大差距。无论是历经百多年建设的有线通信网络,还是最近三十年发展迅猛的手机移动通信网络,都只能覆盖占地球表面小部分的有人区域,大片海洋、森林和荒漠仍是信号空白。移动卫星通信有着广泛需求,比如航空、航海、渔业、林业、畜牧、勘探、考古、科考、救灾、探险旅游等等。

为了实现移动卫星通信这个梦想,人类大概用了40年。

单向广播:细分市场的突破

历史上最早尝试卫星移动通信的应用领域是应急报警。1979年,由前苏联和西方(加拿大、法国、美国)开发的两个系统合并成为全球性卫星搜救系统COSPAS-SARSAT(可简称SAR系统)。它是一种单向通信系统,终端(信标)分为个人、航空器、船舶三种,由人工或者由遇险时的撞击、水浸自动触发报警广播。搭载于数十颗低、中、高轨卫星上的SAR搜救载荷收到报警后进行定位并转发信号至就近地面站,再通知搜救机构实施救援。

中低轨SAR载荷可通过多普勒原理实现信标定位。早期使用121.5/243Mhz模拟信号,定位精度20公里,已被淘汰;后期406Mhz数字信号定位精度达3公里。高轨无法实现多普勒定位,需要信标自主GPS定位并广播位置信息。

1982年6月29日,首颗携带低轨搜救载荷的宇宙1383号卫星在苏联成功发射。发射仅仅40天后,卫星就收到一架失事的加拿大搜救飞机发出的求救信号。根据卫星定位指引,搜救队在第二天救出了三名遇险者。截至2021年底,这个系统已经接受17663次求救,拯救了57413名遇险人员。

各种SAR个人终端/信标(PLB)(图源:互联网)

中国于1992年加入COSPAS-SARSAT组织。此后建设的中国任务控制中心(北京地面站)于1998年通过入网测试后投入使用。2022年11月,中国与COSPAS-SARSAT四个理事国签署协议,北斗系统正式加入国际中轨卫星搜救系统。北斗三号6颗中轨卫星上安装的搜救载荷将和GPS、Glonass及伽利略卫星上的SAR载荷共同为全球用户提供服务。

进入新世纪,铱星(Iridium)、全球星(GlobalStar)和海事星(Inmarsat)等均推出了商业卫星搜救服务。它们的卫星能接收便携式搜救终端发送的单向应急信号。2022年9月,苹果公司发布iPhone 14,依托全球星系统实现了卫星SOS求救功能。它仅次于稍早发布的华为Mate 50,是世界上第二款支持卫星通信的普通手机。

据称,谷歌在安卓14中也增加了单向SOS短信功能,猜测它的Pixel手机和三星Galaxy手机将是首批支持卫星通信的安卓手机。不过,无论是苹果,还是谷歌三星,单向短信已经无法引起用户和市场的兴趣,更谈不上惊艳了。

2014年马航370空难后,航空器普遍安装了能实时跟踪飞行全程的ADS-B广播系统。船舶上则有类似的AIS(及更先进的VDES)实时跟踪系统。ADS-B和AIS起初都用于地面,但现在用卫星接收转发已成主流。搭载ADS-B和AIS/VDES载荷的卫星越来越多,还有不少专用跟踪卫星。它们依然属于单向移动卫星通信,可以认为是新一代的搜救系统。COSPAS-SARSAT的重要性近年来有所降低,但有意思的是,它的个人终端比重却在增加。

互联网上基于ADS-B信号绘制的航空器实时跟踪地图(图源:互联网)

看到这里,你也许会想到,飞机船舶跟踪不就是物联网吗?没错!带宽和时延要求不高、技术难度较低、成本低廉、终端轻便的单向移动卫星通信系统非常适合数据采集工作。事实上,近年来卫星物联网发展迅猛,古老的单向卫星通信终于迎来了春天。

不过,卫星物联网市场目前仍由传统卫星通信公司的“降维”或转型产品主导,主要玩家是Orbcomm、铱星、全球星、海事卫星、图拉雅(Thuraya,也译为欧星)等。其中Orbcomm已全面转型为一家卫星物联网公司。

专用物联网星座也已经出现。文首提到的中国天启星座就是其中之一。由国电高科开发建设、计划明年6月完成、38颗星组网的天启星座目前已发射19颗,已能支持单向应急报警。由于采用UHF频段,天启终端具有小型化、低功耗、低成本、信号绕射等优势,可望集成于手机、可穿戴设备和车辆中。

此外,吉利汽车的“吉利未来出行星座”则可能是世界上第一个车联网星座。去年6月,首批9星已发射入轨。

天启物联网终端模块(图源:国电高科)

欧美厂商也并没有停步。高通近期已经发布了卫星NB-IoT。LoRa联盟则宣布LoRaWAN协议支持长距离跳频扩频。他们计划将这两个地面标准延伸到太空,实现天地融合。今年4月,初创公司Sateliot通过SpaceX猎鹰9号发射了首颗NB-IoT卫星。Lacuna和EchoStar则分别计划发射低、高轨 LoRa 星座。万物互联的能力很快将通过卫星延伸到地球的每一个角落。

卫星短信:低调的成功

不过,单向通信显然不能令人满足。但你可能怎么也想不到,双向移动卫星通信实现的年代更早,而且由业余爱好者主导。1972年和1974年发射的两颗业余无线电小卫星“奥斯卡6号”(重18公斤)和“奥斯卡7号”(重28公斤)携带了一种称为“储存转发”的通信装置。一个业余电台发出的摩尔斯信号被卫星收到后储存起来,等卫星飞到地球另一个地方再向地面发送,可以被其他业余电台接收到。当然,接收者必须自己翻译接收到的长短滴答。

早期业余电台要和卫星通信,必须使用很大的八木天线,但电台本身不大。一个人可以扛着整套设备到处溜达。虽然样子有点怪异,却是真正的个人直连卫星——名副其实的移动通信。那时,离手机问世还有很多年。

早期“便携式”业余电台(图源:互联网)

1984年,第一颗采用数字技术的储存转发业余无线电卫星发射。到今天,各国已经发射了很多储存转发式通信卫星或搭载的通信载荷。中国首颗储存转发通信试验卫星是中科院2003年发射的“创新一号”。近年中国也发射了多颗业余无线电卫星,比如希望1至4号。

储存转发式通信卫星适合时效要求不高的短信通信,过去几十年也有各种商业化计划,但最终无一成为现实。究其原因,就是需求有限、回报不高,不值得投巨资去建设和运营。但另一方面,它也为此后商业化卫星短信通信系统建立了重要基础。

首先,实现商业化双向卫星短信服务的是前面提到过的Orbcomm公司。Orbcomm一代星座由36颗低轨卫星组成,1998年系统建成并投入使用,支持准实时电子邮件、传真、短信等,也具备储存转发功能。这是世界上第一个低轨通信卫星系统,早于大名鼎鼎的铱星和全球星。其实它很成功,但可能因为不支持语音通信而鲜为人知。

2016年起,Orbcomm二代星座48颗卫星开始发射,聚焦卫星物联网服务,现在已经基本建成。

最早的Orbcomm手持式终端(图源:互联网)

几年后铱星、全球星、海事卫星、图拉雅等系统也支持了双向短信通信。2012年,中国的北斗二号区域定位系统建成,和GPS等导航系统不同的是,它支持独特的短报文服务。2021年,北斗三号全球系统建成并投入使用,短报文服务的容量和覆盖范围得到进一步提高。北斗短报文系统经多年推广,在国内各行业,如公路运输业和渔业得到广泛应用,效益明显。

北斗短报文手表终端(图源:互联网)

2022年,具备双向北斗短报文功能的华为Mate 50手机,成为世界上首台支持卫星短信的普通手机。今年,支持北斗短报文的普通手机又增加多款,均来自华为。北斗是目前世界上唯一支持普通手机直连的卫星短信系统。

由于卫星短信市场需求有限,所以发展一直不温不火,基本都依托语音业务来生存。但近年卫星物联网高速发展,单双向窄带数据通信需求大增,再加上手机直连带来巨大消费市场,数据通信星座的前景现在一片光明。

语音通话:群雄逐鹿的主战场

早年,卫星数据通信并不起眼,到了互联网和手机时代才开始迅猛增长。主流卫星通信商关注的一直是语音和电视,而一旦谈到移动卫星语音通信,海事卫星都是绕不开的存在。

史上第一次正式的移动卫星通话,发生在马达加斯加附近的石油平台和美国俄克拉荷马的飞利浦石油公司之间,时间是1976年7月9日,使用的是刚刚发射的美国Marisat军用静止轨道通信卫星。

由于迫切的航海需求,Marisat很快就开放给了民用船舶。1979年,由29国参与创建的国际海事卫星组织(Inmarsat)成立,总部设在伦敦。它租用了三颗Marisat卫星和欧洲Marecs一号卫星(史称第一代海事卫星)的转发器,开始服务全球航海业,从此一发不可收拾。

不过,当年所谓的“移动”指的是船舶和飞机。最早的海事卫星终端由甲板上一米多直径的抛物面天线和甲板下一堆设备组成,和我们现在理解的移动设备完全不可同日而语。

1990年开始,第二代海事卫星开始发射,同时推出数字语音系统“海事B”(最早的“海事A”是模拟制式)、数据通信系统“海事C”和个人移动系统“海事M”。终端尺寸也不断缩小,海事A终端缩到了飞机手提行李大小,海事C和M的终端则只有公文包大小。上世纪末,海事的“公文包电话”就是一个神话。

海事卫星早期的“公文包电话”(图源:Inmarsat)

1997年起,海事第三代卫星发射,同时推出海事Mini-M服务,终端缩小到了座机大小。2005年,海事第四代卫星开始发射。然而,真正的卫星手机IsatPhone Pro直到2010年6月才推出,比低轨星座的铱星和全球星晚了十多年,比高轨移动卫星系统图拉雅晚了9年。

海事在1999年转制为私人公司。今天,天上飞着海事的第六代卫星,公司虽然已被美国卫星公司ViaSat收购,但依然是移动卫星通信的老大。

上世纪末,移动卫星通信领域出现了一个重大突破,那就是低轨通信卫星星座的实现。摩托罗拉背书的铱星和高通加劳拉背书的全球星系统,分别在1998年11月和1999年10月投入使用。用户只要用一台小小的手机即可直连卫星,和全球用户通话。

和高轨系统相比,低轨卫星通话时延短、终端更小更轻,被誉为划时代的通信革命。但它们的商业化运营都遭受了挫折。铱星进入破产程序,最后美国军方出面拯救,公司重组后才得以生存。全球星同样也有破产重组的经历。如今,它们都发射了二代星,得益于数据通信的增长,业务发展稳定。

2001年,阿联酋的图拉雅异军突起,超越海事,成为首家提供卫星手机通话的高轨移动卫星运营商。手机直连高轨卫星,主要得益于卫星技术的发展,其中大型展开式的多波束有源相控阵天线是关键。2000年发射的“图拉雅一号”有一副12米直径的大天线。图拉雅 20多年来发展顺利,成为中东高科技企业的成功典范。

图拉雅一号卫星(图源:Thuraya)

2010年,美国初创公司TerreStar发射了TerreStar一号高轨移动通信卫星,试图复制图拉雅的成功。它通过AT&T推出了号称世界上第一款直连卫星的普通智能手机(运行Windows Mobile 6.5),但不到一年,因入不敷出,公司破产,后来被EchoStar收购。

这款手机还没来得及爆红就被人遗忘。不过,笔者认为它本质上仍是一部专用卫星手机,因为它是卫星运营商研制、用卫星运营商品牌、目标市场是有野外需求的专业人士,设计上也更多考虑卫星通信,和苹果华为等主流消费品牌区别明显。

中国于2016年发射首颗“天通一号”卫星,至今已有三颗入轨。它有一副15.6米的天线,覆盖中国和亚太地区,中国电信负责其地面段运营。它被称为中国的海事系统,其实和知名度较低的图拉雅更类似。2018年,天通系统正式放号,同时发布首款天通卫星手机。今年华为的助力让“天通一号”进入了消费市场。据报道,荣耀等品牌也很快将支持天通卫星通话。未来,可以预期天通星座将实现全球覆盖,成为海事等老牌卫星电话的有力竞争者。

主要移动卫星通信运营商的首部手机:铱星(1998)、全球星(1999)、图拉雅(2001)、TerreStar(2010)、海事(2010)、中电信/天通(2018)(图源:互联网)

卫星宽带:一鸣惊人的星链

说起卫星宽带,大家都会想起马斯克的星链系统。其实,在30多年前,微软创始人比尔·盖茨就已经在筹划卫星互联网了。当时,他投资了Teledesic星座,计划发射288颗低轨卫星将互联网覆盖全球。这个雄心勃勃的计划甚至有点盖过同时代铱星的风头。

盖茨的背书、“震撼”的卫星数量和互联网光环让它带上了浓重的科幻色彩。这个计划维持了十多年,直到2002年才宣布取消。取消的原因很简单,就是当时铱星和全球星遇到的困境让他们知难而退了。

在星链出现之前,其实很多卫星通信服务商已经在提供移动数据通信服务。比如,海事卫星从2005年第四代卫星服役起,就开始为便携式终端提供最高492kbps(0.5Mbps)的“准宽带”服务。图拉雅卫星同样可以提供类似的服务(最高444kbps),我国的“天通一号”数据服务则达到了384kbps。有意思的是,近年来高通量卫星的发展使得高轨卫星一时在带宽上具备了优势。

低轨的铱星和全球星即使使用二代星,所提供的数据服务带宽最多也只能达到88kbps和256kbps,比高轨卫星还是差了一截,更无法和同是低轨、轻松超过100Mbps的星链相提并论。

天通一号“宽带”数据终端

星链实现的高带宽低延迟令人惊叹。目前用户实测最高速度已达300Mbps,延迟20-40毫秒,已超过地面宽带水平。随着卫星数量的增加和二代星的加入,这些指标还可能进一步提高。这使得它对市场上原有产品具备了碾压式优势,因此市场迅速爆发也不奇怪了。本月初有报道称,星链已经实现收支平衡。这是卫星通信历史上前所未有的,令无数预测家大跌眼镜。他们脑子里的铱星和全球星老经验不灵验了。

星链终端

星链之所以能达到如此性能,和SpaceX在相控阵天线、星间链路等技术上的创新有关,但更多受益于更高的频率(Ku频段。其他卫星用L和S频段)、更低的轨道高度和巨量的卫星数量。不过,4.2万颗星(目前发射数量已超3000颗),替换率很高,成本巨大。这是对SpaceX持续盈利能力的严峻考验。星链最后能否真正取得成功,我们还要看几年。

星链在国外也有一些竞争者。但少了马斯克的光环,它们似乎都不太顺利。谷歌的气球互联网和Facebook的高轨互联网卫星都以失败告终。OneWeb星座好不容易开始组网,却遇到俄乌战争,箭已在弦上,卫星却被扣留,最终导致公司易主,元气大伤。亚马逊的柯伊伯星座姗姗来迟。落后这么多年,它们超越星链的可能性已很渺茫。

我国起步并不晚。先讲一个插曲,大唐通信所属北京信威通信技术公司曾开发SCDMA(大灵通)、TD-SCDMA、McWill等通信技术,但后来经营不善,连年亏损。2010年,商人王靖(您可能听说过)入主信威,他的宏伟计划是结合McWill技术建设低轨通信星座。2014年9月,和清华合作研制、号称国内首颗低轨移动通信卫星的“灵巧通信试验卫星”发射成功。据称,后续试验也取得了不错的结果。但和王靖的其他宏伟计划一样,信威低轨星座也从此没了下文,个中缘由,我们应该也能猜个大概。

十来年前,国内类似信威的商业卫星项目有不少,但绝大多数未成正果。唯一比较靠谱的是银河航天,至今一共进行了三次发射,7颗卫星构成的“小蜘蛛网”低轨通信试验系统传输速率超200Mbps,延迟小于30毫秒。但受卫星数量限制,通信时长不超过30分钟。银河航天有过巨型星座的计划,但目前颇为低调。窄带的天启星座在取得初步成功后,也规划了宽带星座计划,但目前也仅仅是计划。

国家队方面,航天科技和航天科工早在上个十年就宣布了低轨宽带“鸿雁”和“虹云”星座。2018底,两大工程的首发验证星相继发射成功,间隔只有7天,但此后却陷入沉寂,两个项目的组网发射均未发生。

联系到后面的一系列新闻,显然它们是被更宏大的国家计划所替代了,这个计划就是星网。2022年9月,中国在国际电联为名为GW的巨型星座注册了无线电频率,星座规模12992颗。2021年4月,中国卫星网络集团有限公司(简称星网公司)在雄安挂牌成立。2022年7月6日,用于大规模商业发射的海南商业发射场开工。2023年7月9日,由航天科技五院研制的“卫星互联网技术试验卫星”在酒泉升空。明年,大规模组网发射将拉开序幕。中国恐怕是星链唯一真正的挑战者。这将是中美在太空的又一场精彩的竞赛。

在星链带动下,低轨宽带星座发展迅速,宽带卫星互联网和物联网已成现实,进入手机也毫无悬念。但谁会成为第一家?让我们拭目以待吧!

天地融合:6G一统天下

展望未来,现在谈论最多的是天地一体化融合网、地面存量手机直连卫星等。所谓存量手机指的是市场上已经发售、原先并无卫星通信功能的普通手机。所以,今年9月8日的事件就变得意义特别重大了。那天,美国AST SpaceMobile公司在历史上第一次用存量手机(三星 Galaxy S22)直连“蓝行者(BlueWalker)三号”卫星,拨打电话获得成功。

“蓝行者三号”卫星发射前(图源:AST SpaceMobile)

这意味着,天上众多的卫星将成为太空基站,可以覆盖到任何一台手机。这个技术一旦成功,地球上80多亿台手机将在一夜之间具备卫星通信的能力!

实现这件事需要两个条件。首先,卫星需要具备更强的发射功率和接收灵敏度,使得卫星信号到达地面时和地面基站信号强度相仿,也使卫星能接收以地面强度标准发送的极为微弱的手机信号。蓝行者卫星那块64平米面积巨大的相控阵天线就是为了这个目的而设计的。

第二,需要一套地面和空间融合的通信标准。这就是3GPP国际组织所正在积极推动的NTN(非地面网络)标准。去年6月,NTN R17版本已经冻结,确定了5G NR(宽带)和NB-IoT(窄带)框架。未来R18和R19版本将进一步完善,但基础已经具备,为AST SpaceMobile和其他公司的在轨验证、芯片和设备的开发等铺平了道路。

巨大的“蓝行者三号”目前已经成为夜空中最亮的卫星之一。AST SpaceMobile计划未来发射100多颗这样的卫星。SpaceX网站已经宣布明年星链将支持短信直连卫星,2025年支持语音和数据直连。我们会再次落后吗?

我想应该不会。中国三大运营商都在做NTN的地面试验,并已获得成功。华为、中兴等通信设备厂商也在紧锣密鼓地开发相关产品。中国的星链-星网还未开始组网发射,理应在设计上有更多超前的考虑。即使明年第一批卫星暂时不具备存量手机直连功能,也不会让我们等待太久。我们攻克了芯片难关,建成了空间站,即将登月,手机直连还能难倒我们吗?

NTN将是5G-A(5.5G)和6G通信标准的重要组成部分。6G手机将不会宣称具有卫星通信功能,因为任何手机,只要能连地面基站,就能直连卫星。现在人们争论的很多问题,比如卫星通信到底有什么用,仅仅为了应急而购买有卫星通信功能的手机是否值得等等,都将变得毫无意义。

罗马不是一天建成的,但轻舟已过万重山。

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责任编辑:朱敏洁
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