基于專利分析的手機直連衛星技術發展研究

趙瑞環 楊艷芹 宋潔瓊 張 蕾

1.中國航天系統科學與工程研究院

2.吉林省四平市伊通滿族自治縣融媒體中心

3.中國自控系統工程有限公司

手機直連衛星指使用消費級非專用移動終端，通過不改或少量修改基本配置，來解決傳統專用衛星移動通信終端資費昂貴、外形笨重、通信速率低和功能有限等問題，從而突破應急和高端市場，走向大眾應用。針對未來復雜作戰環境，手機直連衛星也將成為單兵作戰與救援的一類關鍵解決方案。

專利作為科技成果的重要體現，日漸成為技術創新的主要資源，通過充分挖掘專利中承載的技術信息，可以為我國相關技術發展提供有力支撐。為了全面掌握手機直連衛星相關技術發展動態，本文基于德溫特和incoPat 專利數據庫進行全球專利檢索，截止日期為2023 年3 月10 日，篩選出相關專利873 項。通過手機直連衛星相關技術定量分析，對技術發展趨勢、創新技術構成和專利申請人等進行研究，有助于國內相關單位了解手機直連衛星領域技術研制概況，洞悉國外技術發展動向，從而進一步推進我國衛星通信服務新賽道更快速地發展與培育。

一、技術構成分析

手機直連衛星相關技術的專利申請主要聚焦在天基系統構建、星上載荷、通信體制設計和終端應用等4 個關鍵技術領域（見圖1）。其中，業內在衛星天線設計、星上數字處理、天地組網、星間鏈路、星地同頻、非地面網絡技術方面的關注度較高；手機直連下的低軌星座設計和大型相控陣天線則是未來技術突破方向。

圖1 手機直連衛星全球專利技術構成

1. 天基系統構建技術

在天基系統構建技術領域，相關研究主要來自于中國和美國。其中，西安空間無線電技術研究所近年來投入頗多，先后在專利中提出小衛星集群自組網（CN103684576B）、低軌衛星星座系統小區切換方法（CN111182594B）、激光通信捕獲跟蹤系統（CN105356943B）等；上海衛星工程研究所對該領域也非常關注，分別在專利CN113489526B、CN108833010B 中提出了在環狀網星座的分布式自主任務規劃、星地激光通信光束漂移自適應補償等方案。美國企業則相對側重于應用層面的研究，全球星電子有限公司在專利US6233463B1 中描述了一種衛星地面移動終端自動漫游系統，該系統終端借助收發機實現衛星與網關之間的雙向通信；休斯通信公司在專利US10856333B2 中提出了一種數據通信系統，通過地面無線網和衛星網中的用戶終端與eNodeB 之間的空中接口，完成了因特網協議和非IP 物聯網數據的有效傳輸。

2. 星上載荷技術

在星上載荷方面，相關專利技術主要集中在大型相控陣技術和數字再生技術方面。透過已公開專利申請可以看出，領域內技術先行者AST SpaceMobile 公司重視大型相控陣的設計和應用，先后在專利中提出衛星無線電接入網絡波束和網關無縫切換方法（US11463159B2）、高通量分級衛星（US20220038174A1）、空間物體的動量輪和反作用輪（US20220297857A1）等。通信測控技術研究所也在有效載荷星上處理技術方面多角度創新，在透明與處理相結合的可重構柔性轉發（CN105827305B）、數字信道化波束形成的星上柔性交換（CN114124194A）等方面陸續有方案公開。

3. 通信體制設計

在手機直連衛星通信體制設計方面，中國企業投入比重最大，美國次之。針對星地同頻技術，各研制單位為解決衛星與地面基站在采用相同頻率時產生的干擾等問題，正在加大干擾的協調和管理等新型方案部署，如Lynk Global 公司的專利US10951305B2 提出通信干擾抑制方法，專利US10951305B2 使用地面基站與軌道基站相同的協議、頻譜或定時來過濾干擾。針對短報文通信技術，我國的華為技術有限公司（以下簡稱“華為”）創新方案豐富，在衛星通信網絡與蜂窩網絡間的短信服務方法、短報文消息接收／管理方法、北斗通信系統中的白名單控制方法等方向均有涉及。

4. 終端應用研究

在終端應用研究方面，國內外企業主要圍繞移動通信芯片和智能場景展開創新設計。近年來，得益于國內半導體技術和北斗系統應用的發展，國內各廠商開始加大短報文芯片研制，主要專利申請單位涵蓋了中國電子科技集團、東方紅衛星移動通信有限公司、國防科技大學、聯發科、華為等。如國防科技大學的專利CN111800184A 提出可嵌入手機低功耗服務的衛星通信方法；東方紅衛星移動通信有限公司的專利CN113872678A 提出星內終端移動性管理方法；華為的專利CN105790824B 提出面向衛星系統的多終端尋址方法。國外的創新主體包含了高通在內的領先半導體公司，其專利EP1121604A1 提出衛星通信系統中的用戶終端快速定位方法。

二、專利申請趨勢分析

隨著衛星移動通信的快速發展，美國有多個企業和研究機構在衛星天線設計、協同組網和星間鏈路等方面進行了大量創新，為其后續在手機直連衛星方面積累了良好的技術基礎。由于低軌星座、星上載荷和終端芯片技術的不斷突破，2018 年開始，全球專利申請量持續快速上升。從相關技術全球專利申請趨勢（見圖2）對比來看，近幾年我國的專利申請量與歐美等國家相比有了大幅度提升。

圖2 手機直連衛星相關技術全球專利申請趨勢

全球專利申請量排名前18 位的創新主體中（見圖3），中國企事業單位較多，共有10 家；國外在手機直連衛星研制上專利申請量排名靠前的創新主體有8 家。其中高通公司、AST SpaceMobile 公司、Lynk Global公司和華為公司作為手機直連衛星技術發展最具代表性的企業，其專利布局豐富且細致。以下結合這4 家公司的手機直連衛星發展動態分析其專利技術特點，以期掌握各企業在技術相關領域的研究側重方向和關鍵突破點。

圖3 國內外專利申請人排名

1. 高通公司

高通公司作為美國通信巨頭，已開發一款名為驍龍衛星通信的產品，可以將其添加到任何安卓智能手機和其他設備中。據稱，高通已與銥星公司達成協議，為下一代安卓旗艦智能手機提供基于衛星的連接，并發布全球首個可在高端智能手機上實現雙向通信的解決方案，未來甚至將探索衛星連接筆記本電腦和汽車。

高通公司專利布局豐富，主要集中在衛星通信體制、星上載荷和終端應用上，專利技術涉及星間切換（IN201847009310A）、高增益衛星通信天線（AU2000069165A1）、波束間切換時的混合自動重傳請求（HARQ）處理（IN201847009499A）、窄帶非地面網絡的波束重選（IN202247065361A）、多普勒頻偏補償（CN1783750B）等；另外，針對衛星通信系統中的快速用戶終端定位（EP1121604A1）、低成本衛星用戶終端的天線（IN201847012816A）、基于波束跳變的無線設備分集（US20220394497A1）、 波 束 管 理（IN202227040873A）、 窄 波 束 技 術（US20220045727A1）等專利技術，該公司也進行了大量專利布局。

2. AST SpaceMobile 公司

AST SpaceMobile 公司旨在構建一個包含16 個軌道面、243 顆衛星的低軌通信星座，實現普通智能手機不做任何功能修改即可通過衛星獲得4G 和5G服務。該公司的原型衛星“藍行者”3號（BlueWalker 3） 已 于2022 年9 月11 日成功發射，并已部署有史以來最大的商業通信陣列。AST SpaceMobile 公司計劃2023 年第一季度進行直連地面蜂窩設備的衛星能力測試，支持移動網絡運營商與“藍行者”3 號互聯，為未來與星座內的“藍鳥”（BlueBird）衛星商業服務做準備。

作為手機直連衛星技術的先行者，AST SpaceMobile 公司的專利布局細致且豐富，其專利技術涉及高通量衛星系統（US20220038174A1）、多普勒頻偏補償（US20210218464A1）、網絡訪問管理（US20220014264A1）、衛星多輸入多輸出（MIMO）系統（US20210044349A1）等；另外，針對無線設備地理定位（US20220140890A1）、衛星姿態控制（US20220297857A1）、星上高增益相控陣天線的設計、管理與應用（US62671900P0、IN202117055963A）等，AST SpaceMobile 公司也進行了一定專利保護。

3. Lynk Global 公司

Lynk Global 公司是一家專注于為移動電話提供通用連接的移動技術公司，是唯一獲得美國聯邦通信委員會（FCC）許可并即將開展商業服務的手機直連衛星系統運營商。近期，該公司宣布即將在夏威夷建成一個地面站，這是其計劃在全球部署的數十個地面站中的第一個，也是其不斷增長的小型衛星群與標準智能手機連接計劃的關鍵部分。

Lnyk Global 公司的專利相對少一點，主要涉及天地直連通信方法、接收機與發射機通信參數設置等，如專利IN201917036237A 和US20220038849A1。同時，該公司在由空中基站與地面基站構成的空間通信網絡（US20220052753A1）、星間衛星通信和星上通信載荷（US20220021446A1）、星地直連設備認證與廣播服務方法（US20220240084A1）等技術上也進行了多地域的專利布局。

4. 華為技術有限公司

作為移動設備制造商，華為公司于2022 年9 月發布了支持手機衛星通信的新機型Mate50，Mate50 系列支持“北斗”衛星消息。華為在手機直連衛星應用嘗試上勇開先河，自2018 年起，先后布局了近30 項專利用于星地直連通信功能的保護圍欄構建，對通信體制設計和終端應用尤為關注，其專利涉及衛星通信領域內的極化碼編碼方法（CN113810059A）、用于衛星系統的極化編碼方法（CN113810060A）、高可靠性數據傳輸方法（CN113691300A）等。此外，針對短報文消息接收／管理方法也進行了專利布局，如專利CN115119138A 和CN114827913A。相關技術的提前研制和布局保護，為華為全球首款支持“北斗”衛星消息的智能手機的順利發布與推廣鋪平了道路。

三、結論

基于專利的多維度分析結果來看，隨著手機直連衛星熱度的持續上升，專利申請量呈現快速走高趨勢，主要來自于中國、美國、歐洲、印度和日本等國家。其中，中國和美國專利量最多，但技術構成區別明顯：美國側重于星上載荷技術和星座構建應用的發展，在通信體制設計和終端應用上相對欠缺；而中國在通信體制設計和終端應用投入比重大，也重視天基系統的構建，但是相較美國星座構建還有一定差距。從專利技術分布來看，國內外在星上處理、星地同頻、星上載荷、協同組網關鍵技術領域均已實現較多技術突破，而大型相控陣天線和低軌星座設計則是未來主要技術突破方向。另外，從國外近幾年公開的專利來看，如AST SpaceMobile、Lynk Global 等優勢主體重視其創新技術的知識產權保護，部分關鍵創新在多個國家進行了廣泛的同族專利布局。我國相關企業進行技術研制的同時，也要注意好規避，結合專利保護的地域性特點，防范侵權風險。