強(qiáng)大系統(tǒng)“幕后發(fā)力”手機(jī)直連衛(wèi)星通話

文/孔曉燕

8 月底，全球首款支持衛(wèi)星通話的大眾智能手機(jī)華為Mate60 Pro 上市，“身懷絕技”：手機(jī)持有者即使在無信號(hào)的情況下，也可以撥打、接聽衛(wèi)星電話，收音清晰，體驗(yàn)良好?？梢哉f，手機(jī)直連衛(wèi)星通話服務(wù)正在迅速進(jìn)入尋常百姓家，衛(wèi)星移動(dòng)通信的大眾手機(jī)時(shí)代已經(jīng)來臨。

▲ 手機(jī)直連衛(wèi)星通信示意圖

“幕后功臣”很強(qiáng)大

衛(wèi)星通信用戶可以享受語音、數(shù)據(jù)、短消息、視頻等服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)了終端小型化、手機(jī)化，“幕后功臣”正是我國自主研制的天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

這款系統(tǒng)是我國自主研制建設(shè)的高軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是我國空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。首顆該系列移動(dòng)通信衛(wèi)星被譽(yù)為“中國版海事衛(wèi)星”，其成功發(fā)射標(biāo)志著我國進(jìn)入了衛(wèi)星移動(dòng)通信的手機(jī)時(shí)代，填補(bǔ)了國家民商用自主衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)空白，具有重要的里程碑意義。

鮮為人知的是，天通一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)工程是在2008 年汶川大地震后提上日程并由總理專項(xiàng)基金支持的項(xiàng)目，首要任務(wù)是在我國遭受嚴(yán)重自然災(zāi)害時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。

該系統(tǒng)于2010 年啟動(dòng)研制工作，其中，衛(wèi)星由航天科技集團(tuán)五院抓總研制。衛(wèi)星基于東方紅四號(hào)通用平臺(tái)，配置S 波段移動(dòng)通信載荷，采用了大口徑可展開天線、多波束成形、低無源互調(diào)、陣列轉(zhuǎn)發(fā)器、功率動(dòng)態(tài)調(diào)配等先進(jìn)技術(shù)。

低無源互調(diào)（PIM）技術(shù)是整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是國際宇航界共同關(guān)注的技術(shù)難題。所謂無源互調(diào)，指的是天線在實(shí)施大功率發(fā)射的同時(shí)，由于天線接收靈敏度高，發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的雜波會(huì)落入接收通道，嚴(yán)重干擾通信效能。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)艱苦攻關(guān)，完成了國際首次整星級(jí)無線低無源互調(diào)試驗(yàn)，滿足了衛(wèi)星任務(wù)要求，標(biāo)志著我國這一技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。

▲ 通信衛(wèi)星在軌運(yùn)行示意圖

2016 年8 月，天通一號(hào)01 星成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了我國領(lǐng)土常態(tài)化信號(hào)覆蓋。2020 年11 月12 日和2021 年1 月20 日，天通一號(hào)02 星和03 星相繼發(fā)射升空。尤其是03 星與01 星、02 星組網(wǎng)成功運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了亞太地區(qū)信號(hào)全覆蓋，大大提升了國家應(yīng)急通信保障能力。在我國國土及周邊海域內(nèi)，各類手持和小型移動(dòng)終端的語音與數(shù)據(jù)通信覆蓋范圍顯著擴(kuò)展，滿足了更多民商用戶的多樣化通信需求，能夠提供全天候、全天時(shí)、穩(wěn)定可靠的話音、短消息和數(shù)據(jù)等移動(dòng)通信服務(wù)，可謂“神通廣大”。

天通運(yùn)營單位定期發(fā)布天通終端現(xiàn)網(wǎng)使用情況報(bào)告，包括活躍終端數(shù)量、呼叫成功率等數(shù)據(jù)。據(jù)近期數(shù)據(jù)顯示，天通衛(wèi)星電話行業(yè)用戶已達(dá)18.8 萬。僅在今年7～8 月北京、河北、黑龍江等地的抗汛救災(zāi)中，天通系統(tǒng)就調(diào)配衛(wèi)星電話2100 多部，通話4.3萬次。在地面網(wǎng)絡(luò)損毀的情況下，天通衛(wèi)星電話作為保底應(yīng)急通信手段，為維護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了重要作用。

事實(shí)上，衛(wèi)星移動(dòng)通信具有不依賴地面基站、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，可以較好地彌補(bǔ)地面移動(dòng)通信的不足。

比如，在地震、洪澇等災(zāi)害面前，一旦地面網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)毀損，搶險(xiǎn)救災(zāi)工作就需要衛(wèi)星移動(dòng)通信作為應(yīng)急保底手段。天通一號(hào)01 星自2016 年發(fā)射至今，在軌7 年間，在玉樹和九寨溝抗震、大興安嶺撲滅山火、廣東強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸防汛指揮以及今年北京等地防汛救災(zāi)中，都發(fā)揮了重要作用。

工業(yè)和信息化部在今年8 月11 日召開的防汛救災(zāi)應(yīng)急通信保障調(diào)度會(huì)上明確指出，“加快推動(dòng)衛(wèi)星通信設(shè)備特別是天通衛(wèi)星電話基層預(yù)置，作為極端場景下的保底通信手段”?？梢哉f，天通衛(wèi)星電話為老百姓應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害增加了一重保護(hù)。

▲ 通信衛(wèi)星配置了巨大的環(huán)狀天線

而在海洋、沙漠、森林、山區(qū)等地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳的區(qū)域，用戶借助天通移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠享受語音、短消息、低速數(shù)據(jù)以及視頻服務(wù)。因此，該系統(tǒng)在海上救助、偏遠(yuǎn)地帶救援等工作中能夠發(fā)揮重要作用?？紤]到游客受困、漁民遇險(xiǎn)等意外事件不時(shí)見諸報(bào)道，天通衛(wèi)星電話大有可為。

此外，相關(guān)通信衛(wèi)星還能在公共通信方面輔助開展遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、廣播和直播等業(yè)務(wù)，在商業(yè)通信方面為科考、勘探等特殊用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入、個(gè)人移動(dòng)通信等服務(wù)。

▲ 用戶在飛機(jī)上、復(fù)雜建筑區(qū)等處連接衛(wèi)星信號(hào)

終端接入有講究

天通一號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)之初，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是促使衛(wèi)星通信終端小型化，實(shí)現(xiàn)面向個(gè)人的手持衛(wèi)星移動(dòng)通話能力。為此，系統(tǒng)采用了傳播特性較好、便于終端小型化的S 波段；衛(wèi)星采用了大口徑可展開反射面天線、陣列轉(zhuǎn)發(fā)器等先進(jìn)技術(shù)，確保衛(wèi)星具有較高的接收靈敏度，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過36000 千米“長途跋涉”后仍有出色的效果，從而為手機(jī)終端直連衛(wèi)星通信奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)天通一號(hào)衛(wèi)星研制人員介紹，天通衛(wèi)星電話使用規(guī)定的頻段，和我們通常使用的普通智能手機(jī)不同。因此，手機(jī)終端廠商在設(shè)計(jì)時(shí)必須增加兼容這個(gè)頻段，同時(shí)在衛(wèi)星天線極化方式、通信體制上進(jìn)行適應(yīng)性修改。

華為Mate60 Pro 手機(jī)上市，標(biāo)志著天通衛(wèi)星通信智能手機(jī)研制取得成功。這類手機(jī)在外觀上與普通智能手機(jī)沒有明顯區(qū)別，用戶只需開通天通衛(wèi)星通信功能，就可以實(shí)現(xiàn)正常通話，操作便捷。目前，廠商陸續(xù)推出了多款支持衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的手機(jī)，保護(hù)更多用戶更安全方便地走向天涯海角。

▲ 通信衛(wèi)星協(xié)同天地融合通信示意圖

或許有人擔(dān)心：隨著相關(guān)終端普及且接入量迅速上升，該系統(tǒng)的承載能力是否滿足需求呢？

關(guān)于天通一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的承載力，根據(jù)衛(wèi)星在軌遙測數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)仍有足夠的功率和頻率資源供使用。面對(duì)終端普及后接入量上升的情況，科研人員在技術(shù)上至少可以采取兩大對(duì)策。

一方面，根據(jù)使用情況，對(duì)衛(wèi)星和地面系統(tǒng)配置、資源調(diào)配策略進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)上下行功率進(jìn)行精細(xì)控制，最大限度地“挖掘”系統(tǒng)潛力。當(dāng)前，航天科技集團(tuán)五院通信導(dǎo)航部正在開展天通衛(wèi)星系統(tǒng)在軌效能評(píng)估，主要針對(duì)保障用戶進(jìn)行高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的連續(xù)通話，特別是在通話需求高峰期能否實(shí)現(xiàn)隨撥隨通、一通暢聯(lián)等通信服務(wù)，進(jìn)行充分評(píng)估，進(jìn)一步“挖掘”系統(tǒng)潛能，滿足民商用戶多樣化通信需求。

另一方面，研制、發(fā)射備份衛(wèi)星，增大系統(tǒng)容量。在技術(shù)狀態(tài)不變的情況下，備份衛(wèi)星可以快速完成研制并投入使用，在技術(shù)上可行，但在具體操作上還需要開展軌位、頻率等眾多協(xié)調(diào)和報(bào)批等工作。

令人欣慰的是，天通一號(hào)衛(wèi)星是在2008 年汶川大地震后啟動(dòng)研制的，而歷經(jīng)10 多年發(fā)展后，高軌衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)有了飛速進(jìn)步，東方紅四號(hào)增強(qiáng)型平臺(tái)、東方紅五號(hào)大型衛(wèi)星平臺(tái)及其配套均已投入使用。在此基礎(chǔ)上，航天人研制更大容量、更高信道速率的新一代高軌移動(dòng)通信衛(wèi)星，必將更好地滿足國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和人民群眾的需求。

衛(wèi)星通信著眼未來

我國衛(wèi)星通信經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已形成了自主可控的衛(wèi)星通信技術(shù)能力和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，也細(xì)分出高通量通信衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、高軌移動(dòng)通信衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星等多個(gè)領(lǐng)域和方向。其中，天通一號(hào)衛(wèi)星屬于高軌移動(dòng)通信衛(wèi)星。

未來，國家主管部門將安排衛(wèi)星通信等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的規(guī)劃和發(fā)展工作。相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、運(yùn)營單位和產(chǎn)業(yè)鏈各單位則會(huì)定期對(duì)衛(wèi)星通信的發(fā)展需求、技術(shù)路線等進(jìn)行研討，引領(lǐng)技術(shù)能力提升，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

具體到天通衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，國家已有相應(yīng)的發(fā)展和建設(shè)規(guī)劃，相關(guān)部門會(huì)根據(jù)民眾需求進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整。

▲ 通信衛(wèi)星在軌工作示意圖

僅從技術(shù)方面來講，有必要盡快啟動(dòng)天通一號(hào)在軌備份星的研制工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信能力的擴(kuò)充，同時(shí)確保信號(hào)多重覆蓋。這也是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障措施。

目前，智能手機(jī)直連天通衛(wèi)星服務(wù)僅實(shí)現(xiàn)了基本的話音、短消息等功能。面對(duì)后續(xù)技術(shù)能力升級(jí)需求，下一代高軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的研制工作也有必要盡快啟動(dòng)，以便促使個(gè)人手機(jī)直連衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)更高的通信速率、更多樣化的通信業(yè)務(wù)，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。

此外，隨著衛(wèi)星通信服務(wù)廣泛應(yīng)用于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)生活中，通信衛(wèi)星已成為重要的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施和國家太空資產(chǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家安全等方面有著重要的影響和作用，安全保障問題已不容忽視。

▲ 天地移動(dòng)通信融合發(fā)展是大勢所趨

個(gè)人智能手機(jī)直連衛(wèi)星通信功能推廣后，衛(wèi)星通信與大眾日常生活的關(guān)系更加密切，有必要大力發(fā)展，而目前是衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域較好的發(fā)展機(jī)遇期。不論衛(wèi)星運(yùn)行在高軌還是低軌，手機(jī)直連衛(wèi)星服務(wù)背后體現(xiàn)了近年天地移動(dòng)通信融合發(fā)展的大趨勢。我國航天和信息產(chǎn)業(yè)相關(guān)單位正聯(lián)手國際業(yè)界一起大力推動(dòng)衛(wèi)星與地面5G、6G 技術(shù)的深度融合，通信衛(wèi)星將在其中發(fā)揮更重要的作用。

不過，一些挑戰(zhàn)仍值得關(guān)注。其一是軌位和頻率資源。適用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的軌位和頻率資源相對(duì)稀缺，加上衛(wèi)星通信信號(hào)覆蓋范圍廣，具有很鮮明的跨國特點(diǎn)和全球化屬性，為了完善建設(shè)和運(yùn)營衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，需要提早開展頻率和軌位資源的國際申報(bào)和協(xié)調(diào)工作。面向天地融合發(fā)展趨勢，衛(wèi)星通信與地面通信的兼容用頻技術(shù)也需要深入研究。

其二是衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)。通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。目前，面向6G 標(biāo)準(zhǔn)化，全球范圍內(nèi)正在深入開展衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)、衛(wèi)星和地面融合通信標(biāo)準(zhǔn)的論證和制定。我們應(yīng)當(dāng)給予足夠重視，加大投入，掌握通信標(biāo)準(zhǔn)的話語權(quán)，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。