衛(wèi)星通信新紀(jì)元？——Mate 50與iPhone 14的衛(wèi)星通信技術(shù)

      近日，華為和Apple相繼舉行了新品發(fā)布會(huì)，華為時(shí)隔兩年在萬(wàn)分困難的情況下發(fā)布了Mate系列的新產(chǎn)品Mate 50系列，而Apple則是發(fā)布了iPhone的例行更新——iPhone 14系列。這兩場(chǎng)發(fā)布會(huì)不約而同的介紹了全新的功能——衛(wèi)星通信，一時(shí)間將這種技術(shù)拉入了大眾消費(fèi)者的視野之中，雖然Apple和華為都提到了衛(wèi)星通信，但是其實(shí)現(xiàn)的最終效果和原理存在著些許不同，本篇筆者來(lái)淺談一下其中的原理。

作為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）的代名詞，美國(guó)的GPS系統(tǒng)自然是大眾第一個(gè)想到Apple所用的技術(shù)體系。但是Apple所使用的并不是大名鼎鼎的GPS系統(tǒng)，而是一家大眾并不熟悉的“小”衛(wèi)星通信公司——全球星（Globalstar）。這是一家總部位于美國(guó)路易斯安那州的衛(wèi)星通信公司，它致力于提供“低價(jià)”的衛(wèi)星服務(wù)，成為了和傳統(tǒng)衛(wèi)星通信相區(qū)分的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。并且，大名鼎鼎的高通公司是全球星最大的股東，本次iPhone 14 所使用的高通通信基帶X65就集成了對(duì)于全球星衛(wèi)星通信下行通信頻段n53的支持。這家公司所使用的56顆通信衛(wèi)星，其在軌高度為1414千米，以24000千米/小時(shí)的相對(duì)速度在地球上空環(huán)繞飛行，所以其單顆衛(wèi)星的通信窗口在17分鐘左右，之后就要由后續(xù)衛(wèi)星接替通信。

Globalstar的近地軌道通信衛(wèi)星

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在手機(jī)上我們已經(jīng)應(yīng)用了多年，而衛(wèi)星通信技術(shù)，則是在今年才開(kāi)始正式被應(yīng)用，這之中的難點(diǎn)，不僅在于數(shù)據(jù)量的增大，還有就是硬件體積的限制，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信天線體積很大，并且需要十分精準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方向才能收發(fā)信息，那么Apple與華為是如何在小小的手機(jī)中定位太空中高速移動(dòng)的衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信功能的呢？其中的答案就是波束成形與定向天線陣列技術(shù)的應(yīng)用。

通過(guò)干涉來(lái)進(jìn)行波束賦形

對(duì)于軍事感興趣的朋友對(duì)此應(yīng)該不會(huì)太過(guò)陌生，所謂“波束成形與定向天線陣列技術(shù)”其實(shí)就是在軍事上大放異彩的相控陣天線技術(shù)。相位陣就是通過(guò)控制電磁波的相位差，利用電磁波的干涉現(xiàn)象來(lái)控制電磁波的發(fā)射方向的一種技術(shù)。在手機(jī)中，首先利用軟件來(lái)提示用戶將手機(jī)天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星大致方向，再用算法來(lái)控制電磁波束按照指定的方向傳播，這樣用戶就不用精確控制手機(jī)，而是由自動(dòng)算法來(lái)為波束賦形，從而完成對(duì)于衛(wèi)星的定位跟蹤，之后iPhone會(huì)基于衛(wèi)星短報(bào)文，將手機(jī)的位置、海拔高度、電量、iPhone用戶的基礎(chǔ)疾病、遇險(xiǎn)信息編碼后發(fā)送。但是需要指出的是Apple所使用的衛(wèi)星連接模式為SEND信使鏈接模式，其與衛(wèi)星的鏈接信號(hào)相對(duì)較弱，這就是為什么在發(fā)布會(huì)中，Apple所展示的，是要在開(kāi)闊地域使用才可能達(dá)到Apple所宣傳的15秒信息發(fā)送時(shí)間。如果在環(huán)境復(fù)雜的地域，這一時(shí)間很有可能極大得被延長(zhǎng)。那么，既然全球星擁有56顆通信衛(wèi)星，其信號(hào)在理論上可以覆蓋從南緯70°到北緯70°的廣袤地區(qū)，但是為什么iPhone 14的衛(wèi)星通信技術(shù)還是只能支持北美呢？這就要說(shuō)到iPhone 14所采用的衛(wèi)星通信模式了，彎管式透明轉(zhuǎn)發(fā)（CDMA）。

彎管式透明轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

顧名思義，其透明轉(zhuǎn)發(fā)的含義就是：衛(wèi)星在太空中僅僅作為一面“鏡子”，將iPhone的短報(bào)文信息折射到對(duì)應(yīng)的地面網(wǎng)關(guān)，期間不做任何的編碼操作，之后再由網(wǎng)關(guān)將對(duì)應(yīng)的求救信息通過(guò)地面通信發(fā)送給對(duì)應(yīng)的救助站進(jìn)行救援。這種方式的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，就是衛(wèi)星必須能鏈接上地面網(wǎng)關(guān)，不然就算手機(jī)可以連接上衛(wèi)星，發(fā)送的信息也最終無(wú)處可去，如果有星間鏈路，將信號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)衛(wèi)星多跳轉(zhuǎn)發(fā)走，這個(gè)缺點(diǎn)或許可以被規(guī)避，但是很遺憾全球星并沒(méi)有這種功能。這種方式的優(yōu)點(diǎn)也很明顯，就是便宜簡(jiǎn)單，對(duì)于衛(wèi)星的要求很低，所以衛(wèi)星不用換代或是升級(jí)維護(hù)就能完成，要知道發(fā)射一顆新衛(wèi)星的成本可是巨大的。通過(guò)查詢?nèi)蛐堑墓俜骄W(wǎng)站，可以發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)地區(qū)只有一個(gè)位于北京的地面網(wǎng)關(guān)，但是還處于未啟用狀態(tài)，并且在全球，其網(wǎng)關(guān)目前覆蓋全面的地域也就只有美洲，也就不難理解為什么iPhone 14的對(duì)應(yīng)功能只能支持北美地區(qū)使用了。

全球星地面網(wǎng)關(guān)分布

必須說(shuō)明的一點(diǎn)是，由于iPhone 14 衛(wèi)星通信的下行頻率為n53在中國(guó)并沒(méi)有被批準(zhǔn)給任何運(yùn)營(yíng)商使用，所以iPhone 14的國(guó)行版很可能在硬件上就不會(huì)支持衛(wèi)星通信，這一點(diǎn)要請(qǐng)購(gòu)買(mǎi)國(guó)行的iPhone 14用戶注意，就算地面網(wǎng)關(guān)建設(shè)完全，國(guó)行版的iPhone 14也有極大的可能不能使用衛(wèi)星通信，所以在國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段（未來(lái)很久都有可能如此），對(duì)這個(gè)救命的關(guān)鍵功能有需要的朋友，唯一能選擇的只有華為Mate 50。

2020年6月23日，北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射升空。經(jīng)過(guò)了從上世紀(jì)80年代開(kāi)始探索論證的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃，經(jīng)過(guò)了近40年的發(fā)展實(shí)踐，經(jīng)過(guò)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，中國(guó)自主研發(fā)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式完成全球組網(wǎng)。北斗星這個(gè)自遠(yuǎn)古時(shí)起人們用來(lái)辨識(shí)方位的依據(jù)，自此被中國(guó)人用科學(xué)技術(shù)的手段，帶進(jìn)了千萬(wàn)人的生活。2022年9月，華為站在巨人的肩膀之上，推出了Mate 50 系列。

華為Mate 50使用的衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)該是基于北斗三號(hào)衛(wèi)星的“區(qū)域短報(bào)文通信”，其使用了北斗三號(hào)的地球同步軌道衛(wèi)星（GEO），其運(yùn)行高度大約位于地面36000千米的地球同步軌道之中。對(duì)比iPhone 14所采用的Globalstar運(yùn)行于1414千米高度的低軌道衛(wèi)星，有著一定的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一定的問(wèn)題。由于是地球同步軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星的位置于地球相對(duì)靜止，因此不需要對(duì)抗在相對(duì)于地面高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星之中所產(chǎn)生的強(qiáng)大多普勒效應(yīng)，既物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高；在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。但是，其劣勢(shì)也明顯存在，第一是：其36000千米的通信距離，會(huì)造成至少100ms以上的通信延遲；第二是：超遠(yuǎn)的通信距離必然會(huì)造成其發(fā)射功率的上升。過(guò)高的發(fā)射功率會(huì)造成使用者的不安全，以及終端的過(guò)快耗電。目前看這兩個(gè)問(wèn)題不算嚴(yán)重，畢竟mate50能用到北斗三短報(bào)文的機(jī)會(huì)，少之又少。

北斗三號(hào)的看家本領(lǐng)是雙向的短報(bào)文通信能力，即：用戶既可以通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)送短報(bào)文聯(lián)系其他接收終端，反之也可以。這是一種類似于手機(jī)短信的衛(wèi)星短報(bào)文通信。但是在Mate 50系列中，這項(xiàng)功能被極大的削弱了。Mate 50 只能發(fā)送消息，之后會(huì)接收到衛(wèi)星的回執(zhí)，以此來(lái)確定對(duì)方是否接收到了短報(bào)文。其閹割掉北斗雙向短報(bào)文功能的原因，首先的可能就是當(dāng)今智能手機(jī)的體積并不能容下能解碼來(lái)自衛(wèi)星的通信信息的硬件；其次，由于使用的是北斗地球同步軌道衛(wèi)星，因此其軌道高度確定，在軌道高度一定的情況下，要保證信號(hào)不相互干擾，全世界只能有120顆同步衛(wèi)星，衛(wèi)星資源十分緊張，因此，一旦大量對(duì)社會(huì)用戶開(kāi)放雙向短報(bào)文功能，很有可能使得北斗的其他服務(wù)受到影響（后續(xù)Mate 50 和iPhone 14的衛(wèi)星通信會(huì)收取費(fèi)用也都有對(duì)于衛(wèi)星資源不足的原因在其中）。

不論是Apple的iPhone14，還是華為的Mate 50，其搭載的衛(wèi)星通信功能都有其明顯的問(wèn)題，而且對(duì)于99%的用戶來(lái)說(shuō)，都是噱頭的性質(zhì)占了多數(shù)，實(shí)際生活中并沒(méi)有多少用戶有機(jī)會(huì)體驗(yàn)到。并且，兩種衛(wèi)星通信的差異，并不是Mate 50和iPhone 14之間的區(qū)別，更多的是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和全球星系統(tǒng)之間的差異。對(duì)于北斗來(lái)說(shuō)，其民用LBS定位服務(wù)在信號(hào)良好的情況下，平均精度可以達(dá)到2.34米，最大誤差也不會(huì)超過(guò)10米；但是對(duì)于全球星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雖說(shuō)衛(wèi)星本身甚至支持語(yǔ)音信息的通信，但對(duì)于體積和功率都不高的手機(jī)來(lái)說(shuō)，目前還只是天方夜譚，并且筆者并沒(méi)有找到關(guān)于其定位精度的數(shù)據(jù)描述，在環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的戶外，多一米的定位精度很有可能對(duì)于求救人員來(lái)說(shuō)就是生與死的距離，因此，再加上其主打的“低價(jià)”衛(wèi)星服務(wù)，對(duì)于其定位精度對(duì)于北斗來(lái)說(shuō)是否存在優(yōu)勢(shì)，持懷疑態(tài)度。對(duì)于Apple來(lái)說(shuō)，它所擁有的優(yōu)勢(shì)，是在于對(duì)地圖的親自繪制，在地圖上擁有的第一手的信息，很有可能會(huì)增強(qiáng)其定位的準(zhǔn)確性，但目前還只是筆者的猜測(cè)。總結(jié)來(lái)講，如果是沖著衛(wèi)星通信的功能而選擇手機(jī)，大可不必，您更應(yīng)該關(guān)注的是戶外三防手機(jī)或是真正