強大系統“幕后發力”手機直連衛星通話

文/孔曉燕

8 月底，全球首款支持衛星通話的大眾智能手機華為Mate60 Pro 上市，“身懷絕技”：手機持有者即使在無信號的情況下，也可以撥打、接聽衛星電話，收音清晰，體驗良好。可以說，手機直連衛星通話服務正在迅速進入尋常百姓家，衛星移動通信的大眾手機時代已經來臨。

▲ 手機直連衛星通信示意圖

“幕后功臣”很強大

衛星通信用戶可以享受語音、數據、短消息、視頻等服務，并實現了終端小型化、手機化，“幕后功臣”正是我國自主研制的天通一號衛星移動通信系統。

這款系統是我國自主研制建設的高軌衛星移動通信系統，也是我國空間信息基礎設施的重要組成部分。首顆該系列移動通信衛星被譽為“中國版海事衛星”，其成功發射標志著我國進入了衛星移動通信的手機時代，填補了國家民商用自主衛星移動通信服務空白，具有重要的里程碑意義。

鮮為人知的是，天通一號衛星系統工程是在2008 年汶川大地震后提上日程并由總理專項基金支持的項目，首要任務是在我國遭受嚴重自然災害時實現應急通信。

該系統于2010 年啟動研制工作，其中，衛星由航天科技集團五院抓總研制。衛星基于東方紅四號通用平臺，配置S 波段移動通信載荷，采用了大口徑可展開天線、多波束成形、低無源互調、陣列轉發器、功率動態調配等先進技術。

低無源互調（PIM）技術是整個衛星系統最關鍵的技術之一，也是國際宇航界共同關注的技術難題。所謂無源互調，指的是天線在實施大功率發射的同時，由于天線接收靈敏度高，發射時產生的雜波會落入接收通道，嚴重干擾通信效能。為此，項目團隊歷經艱苦攻關，完成了國際首次整星級無線低無源互調試驗，滿足了衛星任務要求，標志著我國這一技術處于國際領先水平。

▲ 通信衛星在軌運行示意圖

2016 年8 月，天通一號01 星成功發射，實現了我國領土常態化信號覆蓋。2020 年11 月12 日和2021 年1 月20 日，天通一號02 星和03 星相繼發射升空。尤其是03 星與01 星、02 星組網成功運行后，實現了亞太地區信號全覆蓋，大大提升了國家應急通信保障能力。在我國國土及周邊海域內，各類手持和小型移動終端的語音與數據通信覆蓋范圍顯著擴展，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、穩定可靠的話音、短消息和數據等移動通信服務，可謂“神通廣大”。

天通運營單位定期發布天通終端現網使用情況報告，包括活躍終端數量、呼叫成功率等數據。據近期數據顯示，天通衛星電話行業用戶已達18.8 萬。僅在今年7～8 月北京、河北、黑龍江等地的抗汛救災中，天通系統就調配衛星電話2100 多部，通話4.3萬次。在地面網絡損毀的情況下，天通衛星電話作為保底應急通信手段，為維護人民群眾的生命財產安全發揮了重要作用。

事實上，衛星移動通信具有不依賴地面基站、覆蓋范圍廣等特點，可以較好地彌補地面移動通信的不足。

比如，在地震、洪澇等災害面前，一旦地面網絡出現毀損，搶險救災工作就需要衛星移動通信作為應急保底手段。天通一號01 星自2016 年發射至今，在軌7 年間，在玉樹和九寨溝抗震、大興安嶺撲滅山火、廣東強臺風“山竹”登陸防汛指揮以及今年北京等地防汛救災中，都發揮了重要作用。

工業和信息化部在今年8 月11 日召開的防汛救災應急通信保障調度會上明確指出，“加快推動衛星通信設備特別是天通衛星電話基層預置，作為極端場景下的保底通信手段”。可以說，天通衛星電話為老百姓應對自然災害增加了一重保護。

▲ 通信衛星配置了巨大的環狀天線

而在海洋、沙漠、森林、山區等地面移動通信網絡覆蓋不佳的區域，用戶借助天通移動衛星通信系統，能夠享受語音、短消息、低速數據以及視頻服務。因此，該系統在海上救助、偏遠地帶救援等工作中能夠發揮重要作用。考慮到游客受困、漁民遇險等意外事件不時見諸報道，天通衛星電話大有可為。

此外，相關通信衛星還能在公共通信方面輔助開展遠程教育、遠程醫療、廣播和直播等業務，在商業通信方面為科考、勘探等特殊用戶提供互聯網接入、個人移動通信等服務。

▲ 用戶在飛機上、復雜建筑區等處連接衛星信號

終端接入有講究

天通一號衛星設計之初，一個重要的設計目標就是促使衛星通信終端小型化，實現面向個人的手持衛星移動通話能力。為此，系統采用了傳播特性較好、便于終端小型化的S 波段；衛星采用了大口徑可展開反射面天線、陣列轉發器等先進技術，確保衛星具有較高的接收靈敏度，衛星信號經過36000 千米“長途跋涉”后仍有出色的效果，從而為手機終端直連衛星通信奠定了基礎。

據天通一號衛星研制人員介紹，天通衛星電話使用規定的頻段，和我們通常使用的普通智能手機不同。因此，手機終端廠商在設計時必須增加兼容這個頻段，同時在衛星天線極化方式、通信體制上進行適應性修改。

華為Mate60 Pro 手機上市，標志著天通衛星通信智能手機研制取得成功。這類手機在外觀上與普通智能手機沒有明顯區別，用戶只需開通天通衛星通信功能，就可以實現正常通話，操作便捷。目前，廠商陸續推出了多款支持衛星移動通信業務的手機，保護更多用戶更安全方便地走向天涯海角。

▲ 通信衛星協同天地融合通信示意圖

或許有人擔心：隨著相關終端普及且接入量迅速上升，該系統的承載能力是否滿足需求呢？

關于天通一號衛星系統的承載力，根據衛星在軌遙測數據分析，系統仍有足夠的功率和頻率資源供使用。面對終端普及后接入量上升的情況，科研人員在技術上至少可以采取兩大對策。

一方面，根據使用情況，對衛星和地面系統配置、資源調配策略進一步優化，對上下行功率進行精細控制，最大限度地“挖掘”系統潛力。當前，航天科技集團五院通信導航部正在開展天通衛星系統在軌效能評估，主要針對保障用戶進行高質量、高穩定性的連續通話，特別是在通話需求高峰期能否實現隨撥隨通、一通暢聯等通信服務，進行充分評估，進一步“挖掘”系統潛能，滿足民商用戶多樣化通信需求。

另一方面，研制、發射備份衛星，增大系統容量。在技術狀態不變的情況下，備份衛星可以快速完成研制并投入使用，在技術上可行，但在具體操作上還需要開展軌位、頻率等眾多協調和報批等工作。

令人欣慰的是，天通一號衛星是在2008 年汶川大地震后啟動研制的，而歷經10 多年發展后，高軌衛星移動通信技術有了飛速進步，東方紅四號增強型平臺、東方紅五號大型衛星平臺及其配套均已投入使用。在此基礎上，航天人研制更大容量、更高信道速率的新一代高軌移動通信衛星，必將更好地滿足國家安全、國民經濟和人民群眾的需求。

衛星通信著眼未來

我國衛星通信經過數十年發展，已形成了自主可控的衛星通信技術能力和產業結構，也細分出高通量通信衛星、數據中繼衛星、高軌移動通信衛星、低軌衛星等多個領域和方向。其中，天通一號衛星屬于高軌移動通信衛星。

未來，國家主管部門將安排衛星通信等基礎設施建設、技術創新系統的規劃和發展工作。相關研究機構、運營單位和產業鏈各單位則會定期對衛星通信的發展需求、技術路線等進行研討，引領技術能力提升，促進產業發展。

具體到天通衛星移動通信系統，國家已有相應的發展和建設規劃，相關部門會根據民眾需求進一步優化和調整。

▲ 通信衛星在軌工作示意圖

僅從技術方面來講，有必要盡快啟動天通一號在軌備份星的研制工作，實現對衛星移動通信能力的擴充，同時確保信號多重覆蓋。這也是系統安全穩定運行的重要保障措施。

目前，智能手機直連天通衛星服務僅實現了基本的話音、短消息等功能。面對后續技術能力升級需求，下一代高軌衛星移動通信系統的研制工作也有必要盡快啟動，以便促使個人手機直連衛星通信實現更高的通信速率、更多樣化的通信業務，進一步提升用戶體驗。

此外，隨著衛星通信服務廣泛應用于社會和經濟生活中，通信衛星已成為重要的國家信息基礎設施和國家太空資產，在國民經濟建設、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。

▲ 天地移動通信融合發展是大勢所趨

個人智能手機直連衛星通信功能推廣后，衛星通信與大眾日常生活的關系更加密切，有必要大力發展，而目前是衛星移動通信領域較好的發展機遇期。不論衛星運行在高軌還是低軌，手機直連衛星服務背后體現了近年天地移動通信融合發展的大趨勢。我國航天和信息產業相關單位正聯手國際業界一起大力推動衛星與地面5G、6G 技術的深度融合，通信衛星將在其中發揮更重要的作用。

不過，一些挑戰仍值得關注。其一是軌位和頻率資源。適用于衛星移動通信的軌位和頻率資源相對稀缺，加上衛星通信信號覆蓋范圍廣，具有很鮮明的跨國特點和全球化屬性，為了完善建設和運營衛星移動通信系統，需要提早開展頻率和軌位資源的國際申報和協調工作。面向天地融合發展趨勢，衛星通信與地面通信的兼容用頻技術也需要深入研究。

其二是衛星通信標準。通信技術標準對通信產業的發展至關重要。目前，面向6G 標準化，全球范圍內正在深入開展衛星通信標準、衛星和地面融合通信標準的論證和制定。我們應當給予足夠重視，加大投入，掌握通信標準的話語權，引領產業創新發展。