陳藍| 移動衞星通信40年：羅馬是怎樣建成的？
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【文/觀察者網專欄作者 陳藍】
11月10日，中國電信宣佈將引入天啓低軌衞星星座，和華為手機使用的高軌天通星座一起為消費市場提供移動終端直連衞星的服務。在今年8月末，一夜之間，華為Mate60 Pro手機讓手機衞星通信變得家喻户曉，關注度陡然上升。這個新聞只是最近幾個月頻頻出現的手機“捅破天”的新聞中最新的一條。
羅馬不是一天建成的，手機衞星通信當然也不是一夜間從天上掉下來的。移動衞星通信已經過40多年的發展，普通手機直連衞星只是實現夢想的最後一程，難度最大、門檻最高，但通過幾代人的不懈努力，現在終成現實。
接下來，我們就對移動衞星通信的發展做一個全面的回顧和展望，瞭解一下羅馬是怎樣建成的。希望能從更廣的視野和更高的高度，去理解這一系列事件的歷史意義。
衞星通信：從科幻到現實
人類長久以來一直有一個夢想，就是地球上任何一個人，在世界任何一個角落，用一台輕便的手持設備，就能隨時隨地和世界上另一個角落的另一個人進行通話。上個世紀，美、中、蘇的科學幻想作品中都出現過這樣的場景（下圖）。
上世紀移動通信幻想作品（圖源：互聯網）
今天，地球上幾乎所有人都有手機（愛立信統計，2023年二季度全球手機用户數83億，超過80億地球人口），可以隨時隨地呼叫另一個擁有手機的人。在沒有手機信號的野外和海洋，人們可以用專用的衞星手機進行通話，用便攜設備上網。不知其數的飛機、船舶、車輛和其他移動設備接入了衞星物聯網。
華為Mate 60 Pro手機的橫空出世，則開啓了將衞星電話普及到每一個人的歷史進程。相信用不了多少年，人人都將獲得直連衞星的能力，上述夢想將完全實現。
那麼，這一切是從哪裏開始的呢？
衞星通信的概念最早由著名科幻作家阿瑟·克拉克於1945年提出。他設想通過三顆位於3.6萬公里高的地球同步軌道、電磁波覆蓋全球的衞星來實現信號中繼。
1960年，美國發射世界上第一顆無源（被動）通信衞星“回聲一號”。這是一顆直徑30米的氣球衞星，通過反射電磁波實現信號的遠距離傳輸。1962年，有源通信衞星“電星一號”發射併成功進行了電視轉播實驗。1963年，第一顆地球同步軌道通信衞星“辛康二號”成功入軌。1964年，“辛康三號”商業通信衞星成功轉播了東京奧運會。
此後，國際通信衞星組織（Intelsat）和各大商業衞星公司的實用型同步通信衞星陸續發射。世界進入衞星通信時代，克拉克的設想基本得以實現。
回聲一號（圖源：NASA）
電星一號（圖源：NASA）
這些同步通信衞星都需要地面上龐大的拋物面天線來實現信號的收發，大多用於遠程通信幹線上，尤其是跨洋幹線上。隨着技術進步，天線尺寸不斷縮小。VSAT（甚小口徑衞星終端站）系統天線可小至1-2米，尤其適合偏遠地區接入和專用網（如證券系統）。上世紀末出現的電視直播衞星則可以直接廣播信號到個人終端，天線直徑小至0.3米。
不過，這和隨時隨地通信的目標仍有很大差距。無論是歷經百多年建設的有線通信網絡，還是最近三十年發展迅猛的手機移動通信網絡，都只能覆蓋佔地球表面小部分的有人區域，大片海洋、森林和荒漠仍是信號空白。移動衞星通信有着廣泛需求，比如航空、航海、漁業、林業、畜牧、勘探、考古、科考、救災、探險旅遊等等。
為了實現移動衞星通信這個夢想，人類大概用了40年。
單向廣播：細分市場的突破
歷史上最早嘗試衞星移動通信的應用領域是應急報警。1979年，由前蘇聯和西方（加拿大、法國、美國）開發的兩個系統合併成為全球性衞星搜救系統COSPAS-SARSAT（可簡稱SAR系統）。它是一種單向通信系統，終端（信標）分為個人、航空器、船舶三種，由人工或者由遇險時的撞擊、水浸自動觸發報警廣播。搭載於數十顆低、中、高軌衞星上的SAR搜救載荷收到報警後進行定位並轉發信號至就近地面站，再通知搜救機構實施救援。
中低軌SAR載荷可通過多普勒原理實現信標定位。早期使用121.5/243Mhz模擬信號，定位精度20公里，已被淘汰；後期406Mhz數字信號定位精度達3公里。高軌無法實現多普勒定位，需要信標自主GPS定位並廣播位置信息。
1982年6月29日，首顆攜帶低軌搜救載荷的宇宙1383號衞星在蘇聯成功發射。發射僅僅40天后，衞星就收到一架失事的加拿大搜救飛機發出的求救信號。根據衞星定位指引，搜救隊在第二天救出了三名遇險者。截至2021年底，這個系統已經接受17663次求救，拯救了57413名遇險人員。
各種SAR個人終端/信標（PLB）（圖源：互聯網）
中國於1992年加入COSPAS-SARSAT組織。此後建設的中國任務控制中心（北京地面站）於1998年通過入網測試後投入使用。2022年11月，中國與COSPAS-SARSAT四個理事國簽署協議，北斗系統正式加入國際中軌衞星搜救系統。北斗三號6顆中軌衞星上安裝的搜救載荷將和GPS、Glonass及伽利略衞星上的SAR載荷共同為全球用户提供服務。
進入新世紀，銥星（Iridium）、全球星（GlobalStar）和海事星（Inmarsat）等均推出了商業衞星搜救服務。它們的衞星能接收便攜式搜救終端發送的單向應急信號。2022年9月，蘋果公司發佈iPhone 14，依託全球星系統實現了衞星SOS求救功能。它僅次於稍早發佈的華為Mate 50，是世界上第二款支持衞星通信的普通手機。
據稱，谷歌在安卓14中也增加了單向SOS短信功能，猜測它的Pixel手機和三星Galaxy手機將是首批支持衞星通信的安卓手機。不過，無論是蘋果，還是谷歌三星，單向短信已經無法引起用户和市場的興趣，更談不上驚豔了。
2014年馬航370空難後，航空器普遍安裝了能實時跟蹤飛行全程的ADS-B廣播系統。船舶上則有類似的AIS（及更先進的VDES）實時跟蹤系統。ADS-B和AIS起初都用於地面，但現在用衞星接收轉發已成主流。搭載ADS-B和AIS/VDES載荷的衞星越來越多，還有不少專用跟蹤衞星。它們依然屬於單向移動衞星通信，可以認為是新一代的搜救系統。COSPAS-SARSAT的重要性近年來有所降低，但有意思的是，它的個人終端比重卻在增加。
互聯網上基於ADS-B信號繪製的航空器實時跟蹤地圖（圖源：互聯網）
看到這裏，你也許會想到，飛機船舶跟蹤不就是物聯網嗎？沒錯！帶寬和時延要求不高、技術難度較低、成本低廉、終端輕便的單向移動衞星通信系統非常適合數據採集工作。事實上，近年來衞星物聯網發展迅猛，古老的單向衞星通信終於迎來了春天。
不過，衞星物聯網市場目前仍由傳統衞星通信公司的“降維”或轉型產品主導，主要玩家是Orbcomm、銥星、全球星、海事衞星、圖拉雅（Thuraya，也譯為歐星）等。其中Orbcomm已全面轉型為一家衞星物聯網公司。
專用物聯網星座也已經出現。文首提到的中國天啓星座就是其中之一。由國電高科開發建設、計劃明年6月完成、38顆星組網的天啓星座目前已發射19顆，已能支持單向應急報警。由於採用UHF頻段，天啓終端具有小型化、低功耗、低成本、信號繞射等優勢，可望集成於手機、可穿戴設備和車輛中。
此外，吉利汽車的“吉利未來出行星座”則可能是世界上第一個車聯網星座。去年6月，首批9星已發射入軌。
天啓物聯網終端模塊（圖源：國電高科）
歐美廠商也並沒有停步。高通近期已經發布了衞星NB-IoT。LoRa聯盟則宣佈LoRaWAN協議支持長距離跳頻擴頻。他們計劃將這兩個地面標準延伸到太空，實現天地融合。今年4月，初創公司Sateliot通過SpaceX獵鷹9號發射了首顆NB-IoT衞星。Lacuna和EchoStar則分別計劃發射低、高軌 LoRa 星座。萬物互聯的能力很快將通過衞星延伸到地球的每一個角落。
衞星短信：低調的成功
不過，單向通信顯然不能令人滿足。但你可能怎麼也想不到，雙向移動衞星通信實現的年代更早，而且由業餘愛好者主導。1972年和1974年發射的兩顆業餘無線電小衞星“奧斯卡6號”（重18公斤）和“奧斯卡7號”（重28公斤）攜帶了一種稱為“儲存轉發”的通信裝置。一個業餘電台發出的摩爾斯信號被衞星收到後儲存起來，等衞星飛到地球另一個地方再向地面發送，可以被其他業餘電台接收到。當然，接收者必須自己翻譯接收到的長短滴答。
早期業餘電台要和衞星通信，必須使用很大的八木天線，但電台本身不大。一個人可以扛着整套設備到處溜達。雖然樣子有點怪異，卻是真正的個人直連衞星——名副其實的移動通信。那時，離手機問世還有很多年。
早期“便攜式”業餘電台（圖源：互聯網）
1984年，第一顆採用數字技術的儲存轉發業餘無線電衞星發射。到今天，各國已經發射了很多儲存轉發式通信衞星或搭載的通信載荷。中國首顆儲存轉發通信試驗衞星是中科院2003年發射的“創新一號”。近年中國也發射了多顆業餘無線電衞星，比如希望1至4號。
儲存轉發式通信衞星適合時效要求不高的短信通信，過去幾十年也有各種商業化計劃，但最終無一成為現實。究其原因，就是需求有限、回報不高，不值得投巨資去建設和運營。但另一方面，它也為此後商業化衞星短信通信系統建立了重要基礎。
首先，實現商業化雙向衞星短信服務的是前面提到過的Orbcomm公司。Orbcomm一代星座由36顆低軌衞星組成，1998年系統建成並投入使用，支持準實時電子郵件、傳真、短信等，也具備儲存轉發功能。這是世界上第一個低軌通信衞星系統，早於大名鼎鼎的銥星和全球星。其實它很成功，但可能因為不支持語音通信而鮮為人知。
2016年起，Orbcomm二代星座48顆衞星開始發射，聚焦衞星物聯網服務，現在已經基本建成。
最早的Orbcomm手持式終端（圖源：互聯網）
幾年後銥星、全球星、海事衞星、圖拉雅等系統也支持了雙向短信通信。2012年，中國的北斗二號區域定位系統建成，和GPS等導航系統不同的是，它支持獨特的短報文服務。2021年，北斗三號全球系統建成並投入使用，短報文服務的容量和覆蓋範圍得到進一步提高。北斗短報文系統經多年推廣，在國內各行業，如公路運輸業和漁業得到廣泛應用，效益明顯。
北斗短報文手錶終端（圖源：互聯網）
2022年，具備雙向北斗短報文功能的華為Mate 50手機，成為世界上首台支持衞星短信的普通手機。今年，支持北斗短報文的普通手機又增加多款，均來自華為。北斗是目前世界上唯一支持普通手機直連的衞星短信系統。
由於衞星短信市場需求有限，所以發展一直不温不火，基本都依託語音業務來生存。但近年衞星物聯網高速發展，單雙向窄帶數據通信需求大增，再加上手機直連帶來巨大消費市場，數據通信星座的前景現在一片光明。
語音通話：羣雄逐鹿的主戰場
早年，衞星數據通信並不起眼，到了互聯網和手機時代才開始迅猛增長。主流衞星通信商關注的一直是語音和電視，而一旦談到移動衞星語音通信，海事衞星都是繞不開的存在。
史上第一次正式的移動衞星通話，發生在馬達加斯加附近的石油平台和美國俄克拉荷馬的飛利浦石油公司之間，時間是1976年7月9日，使用的是剛剛發射的美國Marisat軍用靜止軌道通信衞星。
由於迫切的航海需求，Marisat很快就開放給了民用船舶。1979年，由29國參與創建的國際海事衞星組織（Inmarsat）成立，總部設在倫敦。它租用了三顆Marisat衞星和歐洲Marecs一號衞星（史稱第一代海事衞星）的轉發器，開始服務全球航海業，從此一發不可收拾。
不過，當年所謂的“移動”指的是船舶和飛機。最早的海事衞星終端由甲板上一米多直徑的拋物面天線和甲板下一堆設備組成，和我們現在理解的移動設備完全不可同日而語。
1990年開始，第二代海事衞星開始發射，同時推出數字語音系統“海事B”（最早的“海事A”是模擬製式）、數據通信系統“海事C”和個人移動系統“海事M”。終端尺寸也不斷縮小，海事A終端縮到了飛機手提行李大小，海事C和M的終端則只有公文包大小。上世紀末，海事的“公文包電話”就是一個神話。
海事衞星早期的“公文包電話”（圖源：Inmarsat）
1997年起，海事第三代衞星發射，同時推出海事Mini-M服務，終端縮小到了座機大小。2005年，海事第四代衞星開始發射。然而，真正的衞星手機IsatPhone Pro直到2010年6月才推出，比低軌星座的銥星和全球星晚了十多年，比高軌移動衞星系統圖拉雅晚了9年。
海事在1999年轉製為私人公司。今天，天上飛着海事的第六代衞星，公司雖然已被美國衞星公司ViaSat收購，但依然是移動衞星通信的老大。
上世紀末，移動衞星通信領域出現了一個重大突破，那就是低軌通信衞星星座的實現。摩托羅拉背書的銥星和高通加勞拉背書的全球星系統，分別在1998年11月和1999年10月投入使用。用户只要用一台小小的手機即可直連衞星，和全球用户通話。
和高軌系統相比，低軌衞星通話時延短、終端更小更輕，被譽為劃時代的通信革命。但它們的商業化運營都遭受了挫折。銥星進入破產程序，最後美國軍方出面拯救，公司重組後才得以生存。全球星同樣也有破產重組的經歷。如今，它們都發射了二代星，得益於數據通信的增長，業務發展穩定。
2001年，阿聯酋的圖拉雅異軍突起，超越海事，成為首家提供衞星手機通話的高軌移動衞星運營商。手機直連高軌衞星，主要得益於衞星技術的發展，其中大型展開式的多波束有源相控陣天線是關鍵。2000年發射的“圖拉雅一號”有一副12米直徑的大天線。圖拉雅 20多年來發展順利，成為中東高科技企業的成功典範。
圖拉雅一號衞星（圖源：Thuraya）
2010年，美國初創公司TerreStar發射了TerreStar一號高軌移動通信衞星，試圖複製圖拉雅的成功。它通過AT&T推出了號稱世界上第一款直連衞星的普通智能手機（運行Windows Mobile 6.5），但不到一年，因入不敷出，公司破產，後來被EchoStar收購。
這款手機還沒來得及爆紅就被人遺忘。不過，筆者認為它本質上仍是一部專用衞星手機，因為它是衞星運營商研製、用衞星運營商品牌、目標市場是有野外需求的專業人士，設計上也更多考慮衞星通信，和蘋果華為等主流消費品牌區別明顯。
中國於2016年發射首顆“天通一號”衞星，至今已有三顆入軌。它有一副15.6米的天線，覆蓋中國和亞太地區，中國電信負責其地面段運營。它被稱為中國的海事系統，其實和知名度較低的圖拉雅更類似。2018年，天通系統正式放號，同時發佈首款天通衞星手機。今年華為的助力讓“天通一號”進入了消費市場。據報道，榮耀等品牌也很快將支持天通衞星通話。未來，可以預期天通星座將實現全球覆蓋，成為海事等老牌衞星電話的有力競爭者。
主要移動衞星通信運營商的首部手機：銥星（1998）、全球星（1999）、圖拉雅（2001）、TerreStar（2010）、海事（2010）、中電信/天通（2018）（圖源：互聯網）
衞星寬帶：一鳴驚人的星鏈
説起衞星寬帶，大家都會想起馬斯克的星鏈系統。其實，在30多年前，微軟創始人比爾·蓋茨就已經在籌劃衞星互聯網了。當時，他投資了Teledesic星座，計劃發射288顆低軌衞星將互聯網覆蓋全球。這個雄心勃勃的計劃甚至有點蓋過同時代銥星的風頭。
蓋茨的背書、“震撼”的衞星數量和互聯網光環讓它帶上了濃重的科幻色彩。這個計劃維持了十多年，直到2002年才宣佈取消。取消的原因很簡單，就是當時銥星和全球星遇到的困境讓他們知難而退了。
在星鏈出現之前，其實很多衞星通信服務商已經在提供移動數據通信服務。比如，海事衞星從2005年第四代衞星服役起，就開始為便攜式終端提供最高492kbps（0.5Mbps）的“準寬帶”服務。圖拉雅衞星同樣可以提供類似的服務（最高444kbps），我國的“天通一號”數據服務則達到了384kbps。有意思的是，近年來高通量衞星的發展使得高軌衞星一時在帶寬上具備了優勢。
低軌的銥星和全球星即使使用二代星，所提供的數據服務帶寬最多也只能達到88kbps和256kbps，比高軌衞星還是差了一截，更無法和同是低軌、輕鬆超過100Mbps的星鏈相提並論。
天通一號“寬帶”數據終端
星鏈實現的高帶寬低延遲令人驚歎。目前用户實測最高速度已達300Mbps，延遲20-40毫秒，已超過地面寬帶水平。隨着衞星數量的增加和二代星的加入，這些指標還可能進一步提高。這使得它對市場上原有產品具備了碾壓式優勢，因此市場迅速爆發也不奇怪了。本月初有報道稱，星鏈已經實現收支平衡。這是衞星通信歷史上前所未有的，令無數預測家大跌眼鏡。他們腦子裏的銥星和全球星老經驗不靈驗了。
星鏈終端
星鏈之所以能達到如此性能，和SpaceX在相控陣天線、星間鏈路等技術上的創新有關，但更多受益於更高的頻率（Ku頻段。其他衞星用L和S頻段）、更低的軌道高度和巨量的衞星數量。不過，4.2萬顆星（目前發射數量已超3000顆），替換率很高，成本巨大。這是對SpaceX持續盈利能力的嚴峻考驗。星鏈最後能否真正取得成功，我們還要看幾年。
星鏈在國外也有一些競爭者。但少了馬斯克的光環，它們似乎都不太順利。谷歌的氣球互聯網和Facebook的高軌互聯網衞星都以失敗告終。OneWeb星座好不容易開始組網，卻遇到俄烏戰爭，箭已在弦上，衞星卻被扣留，最終導致公司易主，元氣大傷。亞馬遜的柯伊伯星座姍姍來遲。落後這麼多年，它們超越星鏈的可能性已很渺茫。
我國起步並不晚。先講一個插曲，大唐通信所屬北京信威通信技術公司曾開發SCDMA（大靈通）、TD-SCDMA、McWill等通信技術，但後來經營不善，連年虧損。2010年，商人王靖（您可能聽説過）入主信威，他的宏偉計劃是結合McWill技術建設低軌通信星座。2014年9月，和清華合作研製、號稱國內首顆低軌移動通信衞星的“靈巧通信試驗衞星”發射成功。據稱，後續試驗也取得了不錯的結果。但和王靖的其他宏偉計劃一樣，信威低軌星座也從此沒了下文，箇中緣由，我們應該也能猜個大概。
十來年前，國內類似信威的商業衞星項目有不少，但絕大多數未成正果。唯一比較靠譜的是銀河航天，至今一共進行了三次發射，7顆衞星構成的“小蜘蛛網”低軌通信試驗系統傳輸速率超200Mbps，延遲小於30毫秒。但受衞星數量限制，通信時長不超過30分鐘。銀河航天有過巨型星座的計劃，但目前頗為低調。窄帶的天啓星座在取得初步成功後，也規劃了寬帶星座計劃，但目前也僅僅是計劃。
國家隊方面，航天科技和航天科工早在上個十年就宣佈了低軌寬帶“鴻雁”和“虹雲”星座。2018底，兩大工程的首發驗證星相繼發射成功，間隔只有7天，但此後卻陷入沉寂，兩個項目的組網發射均未發生。
聯繫到後面的一系列新聞，顯然它們是被更宏大的國家計劃所替代了，這個計劃就是星網。2022年9月，中國在國際電聯為名為GW的巨型星座註冊了無線電頻率，星座規模12992顆。2021年4月，中國衞星網絡集團有限公司（簡稱星網公司）在雄安掛牌成立。2022年7月6日，用於大規模商業發射的海南商業發射場開工。2023年7月9日，由航天科技五院研製的“衞星互聯網技術試驗衞星”在酒泉升空。明年，大規模組網發射將拉開序幕。中國恐怕是星鏈唯一真正的挑戰者。這將是中美在太空的又一場精彩的競賽。
在星鏈帶動下，低軌寬帶星座發展迅速，寬帶衞星互聯網和物聯網已成現實，進入手機也毫無懸念。但誰會成為第一家？讓我們拭目以待吧！
天地融合：6G一統天下
展望未來，現在談論最多的是天地一體化融合網、地面存量手機直連衞星等。所謂存量手機指的是市場上已經發售、原先並無衞星通信功能的普通手機。所以，今年9月8日的事件就變得意義特別重大了。那天，美國AST SpaceMobile公司在歷史上第一次用存量手機（三星 Galaxy S22）直連“藍行者（BlueWalker）三號”衞星，撥打電話獲得成功。
“藍行者三號”衞星發射前（圖源：AST SpaceMobile）
這意味着，天上眾多的衞星將成為太空基站，可以覆蓋到任何一台手機。這個技術一旦成功，地球上80多億台手機將在一夜之間具備衞星通信的能力！
實現這件事需要兩個條件。首先，衞星需要具備更強的發射功率和接收靈敏度，使得衞星信號到達地面時和地面基站信號強度相仿，也使衞星能接收以地面強度標準發送的極為微弱的手機信號。藍行者衞星那塊64平米麪積巨大的相控陣天線就是為了這個目的而設計的。
第二，需要一套地面和空間融合的通信標準。這就是3GPP國際組織所正在積極推動的NTN（非地面網絡）標準。去年6月，NTN R17版本已經凍結，確定了5G NR（寬帶）和NB-IoT（窄帶）框架。未來R18和R19版本將進一步完善，但基礎已經具備，為AST SpaceMobile和其他公司的在軌驗證、芯片和設備的開發等鋪平了道路。
巨大的“藍行者三號”目前已經成為夜空中最亮的衞星之一。AST SpaceMobile計劃未來發射100多顆這樣的衞星。SpaceX網站已經宣佈明年星鏈將支持短信直連衞星，2025年支持語音和數據直連。我們會再次落後嗎？
我想應該不會。中國三大運營商都在做NTN的地面試驗，並已獲得成功。華為、中興等通信設備廠商也在緊鑼密鼓地開發相關產品。中國的星鏈-星網還未開始組網發射，理應在設計上有更多超前的考慮。即使明年第一批衞星暫時不具備存量手機直連功能，也不會讓我們等待太久。我們攻克了芯片難關，建成了空間站，即將登月，手機直連還能難倒我們嗎？
NTN將是5G-A（5.5G）和6G通信標準的重要組成部分。6G手機將不會宣稱具有衞星通信功能，因為任何手機，只要能連地面基站，就能直連衞星。現在人們爭論的很多問題，比如衞星通信到底有什麼用，僅僅為了應急而購買有衞星通信功能的手機是否值得等等，都將變得毫無意義。
羅馬不是一天建成的，但輕舟已過萬重山。
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