2023-10-09 华为+天通/苹果+全球星/TMobile+星链
封面图片来源[1]。
从 2023 年 9 月 25 日，华为发布 Mate 60 Pro 起，智能手机和天基卫星通讯引起大家的广泛关注。网上太多的信息混杂，概念混淆。在此稍稍解设和科普一下。如果没有耐心，请跳到最后，看总结比较。
通讯卫星
不说古已有之，但也是历史悠久。卫星电视[2]，卫星电话，卫星网络接入，这些卫星技术在通讯行业从 5、60 年代开始探索，7、80 年代就开始广泛应用了。但是直到 2000 年左右，早期通讯卫星基本都运行在地球同步轨道（GEO）[3]上。运行在地球同步轨道上的通讯卫星，好处是：第一，需要在轨卫星数目少，全球覆盖最少 3 颗足以，一般放置 4 颗，其中一颗备份（例如 Sirius 卫星广播系统[4]）；第二，因为卫星位置固定，地面接收端卫星定位简单，技术要求低。但坏处是距离远，同步轨道离开地面距离从 36,000 公里到 40,000 公里不等，使得信号高延时不可避免。同时因为距离远，对卫星和地面双方的接收灵敏度和发射功率都有很高的要求，尤其是卫星方，需要大型天线，和与之而来的大型太阳能板，和其他大型电力配套部件和系统。这些都造成了同步轨道通讯卫星越做越大，越做越贵，同时不得已地把使用周期延长，用以回本，如此一来，升级换代的周期延长，用户使用体验低下。同步轨道卫星的另一个问题是信道容量不足，一共就几颗卫星，即使每颗卫星都能达到高频 Ka 波段的理论信道容量，也就撑死了 100 Gbps[5]，3 颗也就 300 Gbps 到天了。
1997-2000 年左右，铱星（Iridium）[6]和全球星（GlobalStar）[7] 两家美国公司首次成批发射了近地轨道（LEO）通讯卫星星座（constellation），开创了近地卫星通讯的商业运作。从此，低轨道，低延迟，多星座通讯系统开始普及。好、坏处基本就是把同步轨道通讯卫星的好、坏处反过来就是了。值得指出的一点，近地轨道通讯卫星系统理论上便宜，但实际上，因为卫星数量大，从而大大增加了初次发射和定期补充发射的成本，直到 SpaceX 的可回收火箭猎鹰 9 号的出现。
下图中，2013 年发射升空的同步轨道巨无霸通讯卫星 Inmarsat[8] 和近地轨道小不点铱星[9]的对比：
Inmarsat 在轨的示意图，注意看它的主天线结构[10]：
以上大概介绍了一下通讯卫星的历史和分类，下面超简单做一个卫星通讯接收端的介绍。
卫星通讯接收端
早期卫星通讯接收端都需要大型固定式锅盖状天线，如下图[11]。
从 90 年代起，这种小型化的移动天线开始出现，五花八门形状各异，当然最多见到的仍然锅盖状天线:
随着卫星端的天线大型化，接收端的天线越来越小型化，渐渐的和电话或调制解调器合二为一，例如，我们经常看见的卫星电话的天线（铱星 9555 卫星电话）[12]:
但无论如何，直到现在，卫星通讯器材大多数仍然是特殊天线加特殊芯片的局面，直到华为和苹果的解决方案在 2022/23 年出台。以下介绍的几种方案都是基于智能手机的卫星通讯方案，不使用特殊卫星通讯连接装置。
华为+天通（2023 年 9 月正式运行）
天通一号是地球同步轨道通讯卫星，由中国空间技术研究院研制，第三星于 2021 年年初发射成功。卫星的具体数据没有官方披露（哎。。。找任何中国航天的资料都特别不容易、不可行），但根据各种非官方消息，这颗同步轨道卫星也是一个巨无霸：
图片来自[13]。它发射重量 5.4 吨[14]，天线直径 12-15 米之间[15] [16]。天通卫星质量比前面提到的 2013 年发射升空的 Inmarsat 小一吨，但主天线的直径大于或等于[10]，主天线结构和 Inmarsat 相似。
天通的上下行频率均在 1980-2200Mhz 的 S 频段[17]。它的理论总信道极限是 15 Gbps，对于一个全球覆盖的同步卫星来说这个信道容量是很小的，分到每台终端，信道容量仅仅几百到一千多bps[18]。但是，因为用了 S 频段，使得接收端天线和芯片制作提供了便利。而华为正是利用了这一点，在华力创通定制了一枚 HTD1010 的天通芯片[19]：
加上华为自研的机身一体天线，成功开创了**无外置天线的智能手机卫星通话**的场景，实属全球第一。（需要说明的是，这里是指场景商业化运行的第一，而如果算上非商业化试运行，下文提到的 ASTS 和 Lynk，实现这一场景更早而且难度和未来的可升级性更高。）
优点：
第一，已经商业化运行。
第二，语音通话，而非短信甚至只有 SOS。
缺点：
第一，无升级潜力，天通信道容量天生太小，不要说升级（如，数据服务），就是有限的语音服务质量也有可能下降，如果用户数量增加的话。所以，该场景在可预见将来的唯一用途就是紧急救援。
第二，需要特别定制芯片和天线：天通的 S 频段尽管和 4G LTE 的有些频段有所重合，但是调制和编码、容量不同，使得现有智能手机无法直接使用，必须要通过定制芯片和定制机内天线才能使用。而定制芯片和定制天线一来增加成本，二来不利于推广（尤其是在国际市场上推广，当然可能天通服务场景在近期内并没有向国外推广的计划）。
第三，仅有国内和少数周边地区覆盖。
苹果+全球星（2022 年 11 月正式发布）
苹果公司于 2022 年 11 月在北美推出起手机卫星紧急呼救服务[20]。与华为/天通相同之处，苹果手机通过 L 和 S 频段连接卫星；不同之处，连接的是全球星的 24 颗低轨卫星星座。全球星卫星是现有的低轨卫星星座，为现有全球星用户服务，所以，苹果的紧急呼救服务就是一个搭便车的场景[21]。
优点：
第一，已经商业化运行。
第二，前面两年免费使用。
第三，尽管还不是全球覆盖，但覆盖率一直在增加（截至2023 年 10 月，有 16 个国家地区支持）[22]。
第四，有一定（但不大）升级潜力。全球星的星座是低轨卫星，现在已经在对其用户群提供短信、语音和数据服务，但是是通过全球星的专用设备。苹果有可能在技术上可以集成数据接收发送能力，从而得到在其智能手机上实现无缝的卫星语音和数据服务能力。但是不太乐观，主要因为全球星的低轨卫星当初设计对象就是专用设备而非通用智能手机。而且全球星的星座总信道容量较低（没有确切数据，但是根据 24 颗卫星，每颗卫星 16 个 L/S 频段转发器，全球星的每个转发器差不多 16 Mhz 频率宽度，所以理论极限也就是几十（40-50）Gbps[5]）。
缺点：
第一，只有SOS。贴狗皮膏药式的临时场景创建，连短信都没有。
第二，因为卫星运行在低轨，相对于地面移动速度快，用户在使用的时候需要根据提示，手动跟踪卫星，太原始了！！
第三，也需要定制芯片和天线。
华为+北斗（2022 年 9 月正式发布）
华为去年 9 月发布 Mate 50 和 P60，手机直接支持北斗短信服务[23]。
此技术场景和苹果/全球星比较接近：北斗星座大约 44 颗卫星，大部分处于中轨道（MEO）。但是，北斗的短信服务是特定场景，几乎没有升级余地（永远只能短信），全球星星座理论上有一点点升级空间（语音和窄带数据）。
优点：
第一，已经商业化运行。
第二，短信服务，相交苹果的 SOS 服务。
缺点：
第一，无升级潜力，在可预见将来的唯一用途就是紧急救援。
第二，需要特别定制北斗通讯芯片（不是北斗定位芯片）和天线。
第三，目前仅有国内和少数周边地区覆盖。理论上可以做到全球覆盖，如果将来北斗星座实现星间通讯，但希望不大。
以上三种方案，就我来看，都是过渡型产品，技术升级途径和机会不大（需要星座翻新），推广可能性也不高（因为定制芯片和天线，用户体验低下（只有求救，或短信，或极其有限的语音服务）。下面的三种，是"广谱"通用方案，应该是未来的方向。
TMobile+星链（待建，预计 2024 年建成运行）
2022 年 8 月，美国第三大手机网络运营商 T-Moible 宣布和 SpaceX 合作，共同构建新一代天基语音数据网络[24]：
SpaceX 星链星座的基本介绍不在本文范围之内，这里重点介绍和 T-Moible 合作有关部分。总体的构架是，T-Mobile 提供星链星载插件：新的可折叠相控阵天线，打开后 5 米长，25 平方米面积[25]，使用 1900 Mhz 的 B2 4G LTE 频段[26]。因为增加的新型天线，新增电源，和其他设备，SpaceX 将制造一个新的星链 V2 迷你版本（SCS or Supplemental Coverage from Space）。现有的星链 V2 迷你版本（简称 F9-2）重 800 公斤，太阳能电池板加卫星本身（星链的通讯天线是集成在卫星本体上）的总面积是 110 平方米[27]；而计划中的新型号星链 V2 迷你版本（简称 F9-3）重 970 公斤，太阳能电池板加卫星本身，加 T-Mobile 的新的外翻天线的总面积是 130 平方米[28]。因为增加的发射重量（发射体积没有太多增加，因为新相控阵天线完全扁平折叠），猎 9 的最大发射数量从每发 22 颗降至每发 18 颗。由此可见，用猎 9 发射 F9-3 是一个非常过渡的方案，只有等到星舰搞定，才会开始大规模部署 SCS 型号的星链卫星。
计划初期，该方案可以向任何普通 4G 智能手机（只要能够使用 4G LTE B2 频段）提供短信，语音和有限的数据服务，带宽在 2-4 mbps 左右[25]，是华为/天通方案带宽的上千倍。
优点：
第一，任何普通 4G 智能手机都可以用，无需特制芯片和天线。这点对于推广和普及的重要性无可置疑，同时也意味着未来可开拓业务是整个全球手机市场！
第二，除了短信，语音外，还能提供有限的数据。将来等到星链 V2 全部发射完成，数据带宽会大大增加。这是星链本身构架带来的无与伦比的优势：即使是现在在轨的 5000 多颗 1、2 代星链组成的星座，总带宽是几十Tbps[29]！是其他星座如全球星, 铱星的上千倍，更是比天通带宽大好几千倍。
第三，全球无死角覆盖，包括极地。因为星链的星间激光通讯网络。
缺点：
第一，最大的也是唯一的缺点，还没发射！现在 SpaceX 已经向美国 FCC 提出申请，要求 FCC 批准他们在原来批准的（尚未发射的）7,500 颗星链 V2 上加装 SCS 部件。当然了，了解美国的人都知道，其他手机运营商和轨道星座提供商（如 AT&T, Dish，SES，Omnnispace 等）是不会这么好说话的，各种反对意见如雪花般飘向 FCC。SpaceX 在这里对那些林林总总的反对意见的统一辩解和答复[28]。即使如此，美国政府的拖拉，使得 T-Mobile 和 SpaceX 的第一颗试验星链在 2023 年底前发射升空，变得希望渺茫。
ASTS BlueWalker3（待建，预计 2024 年建成运行）
相对于 SpaceX 的星链和 T-Mobile，ASTS 的公司和卫星手机通讯的规模要小得多，但技术上非常强劲。ASTS 在美国德克萨斯州，于 2017 年成立。其 CTO 是美籍华人姚汇文（音译，无论如何搜索不到他国内的信息）。从他的领英网页[30]来看，姚博士于 1979-1985 年从北京理工大学本、硕毕业，在校任教5 年多，然后于 1992 年到 1995 年在美国马里兰大学获取电子工程博士学位。接下来他在 Oribital Sciences（美国曾经一个主要火箭发射和卫星公司，后被洛克希德马丁收购） 工作了近 20 年，总管卫星通讯部门。2018 年出任 ASTS CTO。
从 2019 年到 2022 年的三年间，ASTS 快速迭代，研发、升级、并发射了三颗低轨通讯卫星：BlueWalker 1, 2, 3。最新的 BW3 于 2022 年 9 月由 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭发射升空，定位于 520 公里的近地轨道[31]。BW3 卫星发射质量 1.5 吨，其高新能相控阵天线展开后 64 平方米[32]，对于一颗低轨通讯卫星来说，这个天线是巨大的。
类似于 T-Mobile 和星链方案（4G LTE 的 B2），ASTS 的 BW3 手机通讯频率是 4G LTE 的 B5 波段，而卫星地面链接则采用了高频高新能的 V 波段（比 Ka 波段容量更大）[33]。
他们在 2023 年 4 月，成功完成了全球第一次无修改普通智能手机通过卫星的语音通话。通话使用的是无改动的厂家原装三星 Galaxy 22 和苹果手机。通话一段在美国德克萨斯州，另一端在日本[32]。
优点：
第一，和 T-Mobile / 星链方案一样，任何普通 4G 智能手机都可以用，无需特制芯片和天线。
第二，和 T-Mobile / 星链方案一样，除了短信，语音外，应该还能提供有限的数据。具体方案还未公布。
第三，应该全球无死角覆盖，包括极地。具体方案还未公布。
缺点：
第一，技术上是没问题的，但最大的缺点就是不确定性。初创公司很容易翻船。尽管 ASTS 已经有了几轮强劲融资，而且在纳斯达克上市（总融资超过 5 亿美元），但是很难说它一定能够活到盈利的那一天。
Lynk Global（正在建设中，预计 2023 年底小规模运行，2024 年建成）
和 ASTS 类似，Lynk Global 也是美国一个初创公司，于 2017 年在弗吉尼亚州成立。他们的宗旨是用纳米卫星（nano satellite）来搭建所谓的"太空手机基站"[34]。尽管不少人觉得他们无法用纳米卫星做到这一点，但是他们用专利（如地空通讯专利[35]，如星间通讯专利[36]）和多次实际卫星发射和在轨试验，赢得了3千多万多美元的融资[37]（和 ASTS 的 5 亿美元融资比较起来，差得好远）。下图来源[38]
根据它和 FCC 之间的申请，我们可以看到一点细节：Lynk Global 的低轨星座手机通讯频率使用 GSM/LTE 617 Mhz - 960 Mhz，因此，同样的，普通 4G 智能手机无需修改，可以直接使用。卫星和地面连接使用 K/Ka 频段[39]。他们第一期准备发射 10 颗卫星，截至目前为止（2023 年 10 月），已有 5 颗在轨运行。
Lynk Global 主要面对手机运营商，已经和几十个国家的手机运营商签订了合同[40]，在不久的将来（2024 起）提供卫星直连手机服务。例如，Lynk Global 和新西兰第一大手机运营商 Spark 合作于 2024 年提供该项服务[41]。
优点：
第一，和 T-Mobile / 星链，ASTS的方案一样，任何普通 4G 智能手机都可以用，无需特制芯片和天线。
第二，和 T-Mobile / 星链，ASTS的方案一样，除了短信，语音外，应该还能提供有限的数据。具体方案还未公布。
第三，应该全球无死角覆盖，包括极地。具体方案还未公布。
缺点：
第一，和 ASTS 一样，发射靠别人（SpaceX），资金靠华尔街，命运堪忧。
总结
注，这里总结的都是指智能手机和卫星直连的方案。表格里的排行按技术及运行成熟度递减排序。
注 2：各种"首次"的抢位声明：
华为/天通：2022 年 9 月：全球首次卫星和定制智能手机直接语音通话。
Lynk Global：2020 年 2 月：全球首次卫星和非定制智能手机短信交流。
ASTS：2023 年 4 月：全球首次卫星和非定制智能手机语音通话。
参考
^https://consumer.huawei.com/cn/phones/mate60-pro-plus/
^卫星电视直播的历史 https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_television#Beginning_of_the_satellite_TV_industry,_1976%E2%80%931980
^早期通讯卫星基本都在地球同步轨道上，直到 GlobalStar 星座和铱星星座的 1998-1999 年的出现 https://www.encyclopedia.com/science-and-technology/astronomy-and-space-exploration/space-exploration/communications-satellite
^Sirius 卫星广播系统的备份星 FM-6 的 FCC 介绍 https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-20110525-00099/890641.pdf
^ab根据香农-哈特莱定理来计算波段的理论信道容量上限 https://wiki.swarma.org/index.php/%E9%A6%99%E5%86%9C-%E5%93%88%E7%89%B9%E8%8E%B1%E5%AE%9A%E7%90%86_Shannon%E2%80%93Hartley_theorem
^铱星的历史 https://en.wikipedia.org/wiki/Iridium_satellite_constellation
^GlobalStar 的历史 https://en.wikipedia.org/wiki/Globalstar
^同步轨道巨无霸通讯卫星 Inmarsat https://www.eoportal.org/satellite-missions/alphasat#spacecraft-architecture
^近地轨道铱星 https://www.eoportal.org/satellite-missions/iridium-next#eop-quick-facts-section
^abInmarsat-4A F4 主天线直径 12 米。 https://space.skyrocket.de/doc_sdat/alphasat.htm
^大型固定式锅盖状天线 https://www.digisat.org/asc-signal-9-4m-ku-c-band-satellite-earth-station-antenna
^铱星 9555 卫星电话 https://www.mysatphone.com/products/iridium-9555
^天通一号03星 https://content-static.cctvnews.cctv.com/snow-book/index.html?item_id=9678027791691010649&toc_style_id=feeds_default&module=ccnews%3A%2F%2Fappclient%2Fpage%2Ffeeds%2Fdetail%3Furl%3Dhttps%253A%252F%252Fcontent-static.cctvnews.cctv.com%252Fsnow-book%252Find
^天通发射质量 5.4 吨。 https://m.gmw.cn/2020-09/16/content_1301568619.htm
^天通卫星天线直径 12 米。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/657686046
^天通卫星天线直径 15 米。 https://weibo.com/5119715209/NjGqTxMC7
^天通的上下行频率均在 1980-2200Mhz 的 S 频段 https://www.sohu.com/a/432516268_466840
^天通终端信道估算。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/657686046
^华为在华力创通定制了一枚 HTD1010 的天通芯片 https://www.163.com/dy/article/IE2KDRV10553P33I.html
^苹果公司于 2022 年 11 月在北美推出起手机卫星紧急呼救服务 https://www.apple.com/newsroom/2022/11/emergency-sos-via-satellite-available-today-on-iphone-14-lineup/
^苹果的紧急呼救服务 https://www.smartwebsolutions.org/blog/iphone-14-and-14pros-models-can-save-your-life-yes-its-true/apple-globalstar/
^苹果手机卫星紧急呼救服务全球 16 个国家支持 https://support.apple.com/en-us/HT213426
^华为 2022 年 9 月发布 Mate 50 和 P60，手机直接支持北斗短信服务 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1743271852988837497
^2022 年 8 月，美国 T-Moible 宣布和 SpaceX 合作，共同构建新一代天基语音数据网络 https://www.t-mobile.com/news/un-carrier/t-mobile-takes-coverage-above-and-beyond-with-spacex
^abT-Mobile Starlink SCS Details https://arstechnica.com/science/2022/08/forget-5g-wireless-spacex-and-t-mobile-want-to-offer-zero-g-coverage/
^T-Mobile 星链将使用 1900 Mhz 4G 频段 https://www.androidauthority.com/t-mobile-starlink-satellite-connectivity-3207661/
^星链 V2 迷你的详细分析 https://arxiv.org/pdf/2306.06657.pdf
^ab计划中的和 T-Mobile 合作的新型号星链 V2 迷你版本 https://www.fcc.gov/ecfs/document/10530137821424/1
^对于 3300 颗星链的分析计算得出，星座总带宽在 33 Tbps https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/103863/1/1_9%20ICAIIT_2023_paper_4290.pdf
^Dr. Hui-wen Yao https://www.linkedin.com/in/hui-wen-yao-80b3b68/
^ASTS BlueWalker3 Launch https://en.wikipedia.org/wiki/AST_SpaceMobile
^abBlueWalker3 细节 https://ast-science.com/spacemobile-network/bluewalker-3/
^BlueWalker 3 的 FCC 申请 https://fcc.report/ELS/AST-Science-LLC/1059-EX-CN-2020/265582.pdf
^Lynk Global https://en.wikipedia.org/wiki/Lynk_Global#History
^Lynk Global US Patent: Method and apparatus for handling communications between spacecraft operating in an orbital environment and terrestrial telecommunications devices that use terrestrial base station communications https://patents.justia.com/patent/10985834
^Lynk Global US Patent: Simplified inter-satellite link communications using orbital plane crossing to optimize inter-satellite data transfers https://patents.justia.com/patent/11522604
^Lynk Global 的融资情况 https://growjo.com/company/Lynk_Global
^https://spacenews.com/lynk-global-gets-first-commercial-satellite-direct-to-cell-operating-license/
^FCC’s Approval of Lynk Global Satellite https://docs.fcc.gov/public/attachments/DA-22-969A1_Rcd.pdf
^Lynk Global 和几十个国家的手机运营商签订了合同 https://lynk.world/how-we-do-it/
^Lynk Global 和新西兰第一大手机运营商 Spark 合作于 2024 年提供该项服务 https://www.sparknz.co.nz/news/Spark-to-launch-satellite-to-mobile-service/
