手機(jī)“衛(wèi)星通話”的時(shí)代快要到來(lái)了嗎？

近期炙手可熱的華為Mate 60 Pro手機(jī)，是全球首款支持衛(wèi)星通話的大眾智能手機(jī)，持有者在沒(méi)有地面信號(hào)的情況下，也可以撥打、接聽(tīng)衛(wèi)星電話，而支持此功能的“幕后功臣”就是我國(guó)自主研制的天通一號(hào)移動(dòng)通信衛(wèi)星。上周在中國(guó)空間站開(kāi)講的“天宮課堂”第四課，太空授課圖像清晰、話音穩(wěn)定，其背后也有同為通信衛(wèi)星的天鏈二號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的功勞。

目前，我國(guó)已研制和發(fā)射了多種通信衛(wèi)星，并整星出口多顆，今天我們就請(qǐng)全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家龐之浩來(lái)說(shuō)說(shuō)號(hào)稱(chēng)“順風(fēng)耳”的通信衛(wèi)星在我國(guó)的發(fā)展進(jìn)程，以及它在國(guó)計(jì)民生中扮演著哪些重要角色。

（1）太空中的“國(guó)際信使”

通信衛(wèi)星是世界上應(yīng)用最早、最廣的人造地球衛(wèi)星之一，如今已成為現(xiàn)代通信的重要手段。作為太空中的“國(guó)際信使”，它“投遞”的覆蓋面特別大，一顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星就可以負(fù)責(zé)1/3地球表面的通信，因此也被稱(chēng)為“順風(fēng)耳”。

通信衛(wèi)星是設(shè)在太空的微波中繼站，主要通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信，具有通信距離遠(yuǎn)、容量大、質(zhì)量好、可靠性高和靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。由于不受地理?xiàng)l件的限制，通信衛(wèi)星對(duì)地面設(shè)施依賴(lài)程度較低，在發(fā)生重大災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)的情況下，比其他方式更安全可靠，有時(shí)甚至是唯一的應(yīng)急通信手段。

按照業(yè)務(wù)種類(lèi)的不同，通信衛(wèi)星一般可分為固定通信衛(wèi)星、移動(dòng)通信衛(wèi)星、電視廣播衛(wèi)星和跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星等。我國(guó)最早發(fā)展的通信衛(wèi)星是固定通信衛(wèi)星，其特點(diǎn)是為固定用戶(hù)之間提供通信服務(wù)。相應(yīng)的，移動(dòng)通信衛(wèi)星可為移動(dòng)用戶(hù)之間提供通信服務(wù)，如車(chē)輛、飛機(jī)、船舶，甚至個(gè)人的通信，且具有不受地理障礙約束和用戶(hù)運(yùn)動(dòng)限制等優(yōu)勢(shì)。至今，我國(guó)已先后研制、發(fā)射和應(yīng)用了三代固定通信衛(wèi)星、兩代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、3顆移動(dòng)通信衛(wèi)星、3顆高通量通信衛(wèi)星、2顆電視直播衛(wèi)星等，它們?cè)谛l(wèi)星通信領(lǐng)域各顯神通，取得了很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

通信衛(wèi)星一般由衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷組成，其中有效載荷包括轉(zhuǎn)發(fā)器和天線。衛(wèi)星平臺(tái)的容量越大、壽命越長(zhǎng)，裝載的轉(zhuǎn)發(fā)器越多，性能就越高。為此，我國(guó)先后研制、使用了三代地球靜止軌道通信衛(wèi)星平臺(tái)。

1984年4月8日，中國(guó)第一顆地球靜止軌道衛(wèi)星東方紅二號(hào)順利升空，使我國(guó)成為世界上第五個(gè)獨(dú)立發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星的國(guó)家，隨后又發(fā)射了多顆東方紅二號(hào)系列固定通信衛(wèi)星，它們大大改變了當(dāng)時(shí)邊遠(yuǎn)地區(qū)收視難、通信難的狀況。

研制東方紅三號(hào)是我國(guó)通信衛(wèi)星發(fā)展的第二步。1997年5月12日，東方紅三號(hào)衛(wèi)星的升空使中國(guó)通信衛(wèi)星水平一下跨越了20年，主要用于電話、數(shù)據(jù)傳輸、傳真、甚小孔徑終端網(wǎng)和電視等業(yè)務(wù)。這顆固定通信衛(wèi)星采用東方紅三號(hào)中容量衛(wèi)星平臺(tái)，裝了24臺(tái)C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，壽命8年，采用了許多當(dāng)時(shí)具有世界水平的新技術(shù)，如全三軸穩(wěn)定技術(shù)、統(tǒng)一雙組元液體推進(jìn)技術(shù)、公用平臺(tái)設(shè)計(jì)、大面積密柵太陽(yáng)電池陣等。

此后，東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)陸續(xù)用于“中星”、鑫諾三號(hào)、天鏈一號(hào)等通信衛(wèi)星，甚至用于“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星及嫦娥一號(hào)、二號(hào)繞月探測(cè)器等多種航天器。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)還研制了性能更高的東方紅三號(hào)A、B衛(wèi)星平臺(tái)，填補(bǔ)了東方紅三號(hào)中容量衛(wèi)星平臺(tái)與后來(lái)發(fā)展的東方紅四號(hào)大容量衛(wèi)星平臺(tái)之間的空白。

1999年，我國(guó)開(kāi)始研制第三代大型靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)——東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)，它具有輸出功率大、承載能力強(qiáng)和服務(wù)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可用于建造大容量固定通信衛(wèi)星、移動(dòng)通信衛(wèi)星、電視直播衛(wèi)星和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星等，并具有確保信息傳輸安全可靠的有效技術(shù)手段。

東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)壽命15年，能裝約45臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)器，我國(guó)現(xiàn)已利用它打造了幾十顆通信衛(wèi)星，同時(shí)還研制了性能更高的東方紅4E（增強(qiáng)型）、東方紅4SP（全電推）等新型衛(wèi)星平臺(tái)。不過(guò)，我國(guó)還沒(méi)有研制過(guò)名為東方紅四號(hào)的衛(wèi)星，只是用東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)研制各類(lèi)其他名稱(chēng)的衛(wèi)星。

（2）我國(guó)衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先

在2008年汶川大地震中，震區(qū)的地面通信系統(tǒng)均受到不同程度損毀，難以履行通信的基本需求。當(dāng)時(shí)，受災(zāi)群眾和救援隊(duì)伍只能依靠租用的國(guó)外移動(dòng)衛(wèi)星電話進(jìn)行聯(lián)系。所以，在地震后，我國(guó)航天專(zhuān)家紛紛呼吁國(guó)家立項(xiàng)研制國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，首要任務(wù)就是確保在遭受?chē)?yán)重自然災(zāi)害時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。為此，從2011年起我國(guó)便開(kāi)始研制天通一號(hào)移動(dòng)通信衛(wèi)星。

采用巨大天線的天通一號(hào)移動(dòng)通信衛(wèi)星示意圖

地球靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星的特點(diǎn)是星載收發(fā)天線尺寸很大、衛(wèi)星發(fā)射功率較高，并采用雨衰小（降雨引起的信號(hào)衰減簡(jiǎn)稱(chēng)為“雨衰”）和信號(hào)傳輸損耗小的L波段或S波段傳輸信號(hào)，目的是減小地面用戶(hù)終端的尺寸，以便于攜帶和保證通信質(zhì)量。概括來(lái)說(shuō)，移動(dòng)通信衛(wèi)星可對(duì)海洋、山區(qū)、草原、森林、戈壁、沙漠實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋，覆蓋對(duì)象涉及車(chē)輛、飛機(jī)、船舶和個(gè)人等各類(lèi)移動(dòng)用戶(hù)，其最主要的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在通信終端的小型化和手機(jī)化。

2016年8月6日，我國(guó)首顆大容量地球靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星天通一號(hào)01星升空，其技術(shù)指標(biāo)與能力水平達(dá)到國(guó)際第三代移動(dòng)通信衛(wèi)星水平，可為我國(guó)國(guó)土及周邊海域的各類(lèi)手持和小型移動(dòng)終端提供話音和數(shù)據(jù)通信覆蓋，填補(bǔ)了國(guó)家軍/民用自主衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)的空白。隨后，天通一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)正式面向社會(huì)提供服務(wù)，在2017年四川阿壩州九寨溝縣7.0級(jí)地震的指揮救援工作中發(fā)揮了重要作用；長(zhǎng)征十一號(hào)火箭在海上發(fā)射（無(wú)手機(jī)信號(hào)、寬帶）時(shí)，通過(guò)天通一號(hào)衛(wèi)星信號(hào)將發(fā)射畫(huà)面第一時(shí)間回傳；2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”在我國(guó)廣東省登陸時(shí)，各地市防汛辦配置了近千臺(tái)天通一號(hào)衛(wèi)星電話……

天通一號(hào)的“神通廣大”得益于多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。天通一號(hào)01星采用的是東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)和S波段，其關(guān)鍵技術(shù)均為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。例如，該衛(wèi)星搭載了大口徑環(huán)形天線，由于這種天線尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)運(yùn)載火箭整流罩直徑，只能使用復(fù)雜的機(jī)構(gòu)對(duì)天線進(jìn)行收納折疊后裝入火箭整流罩，發(fā)射入軌后再受控展開(kāi)，同時(shí)還要保證天線在軌精度，這標(biāo)志著我國(guó)在大口徑柔性折疊天線技術(shù)上取得了重大突破。另外，我國(guó)還在國(guó)際上首次完成了整星級(jí)無(wú)線低無(wú)源互調(diào)（PIM）試驗(yàn)。無(wú)源互調(diào)是指天線在大功率發(fā)射的同時(shí)，由于天線接收靈敏度高，發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的雜波會(huì)落入接收通道，形成干擾，嚴(yán)重影響通信能力。所以，低無(wú)源互調(diào)技術(shù)一直是整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是國(guó)際宇航界共同關(guān)注的技術(shù)難題。我國(guó)科學(xué)家歷經(jīng)艱辛完成的首次整星級(jí)無(wú)線PIM試驗(yàn)，不僅滿(mǎn)足了衛(wèi)星任務(wù)要求，也促使我國(guó)這一技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

2020年11月12日和2021年1月20日，天通一號(hào)02星和03星先后升空，與天通一號(hào)01星共同組網(wǎng)運(yùn)行，構(gòu)成了全規(guī)模、完整的天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。該衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了亞太地區(qū)全覆蓋，顯著提升了國(guó)家應(yīng)急通信保障能力，能夠滿(mǎn)足更多民商用戶(hù)的多樣化通信需求，并提供全天候、全天時(shí)、穩(wěn)定可靠的話音、短消息和數(shù)據(jù)等移動(dòng)通信服務(wù)。

目前，我國(guó)天通一號(hào)系統(tǒng)的終端用戶(hù)已超過(guò)300萬(wàn)，服務(wù)范圍涵蓋災(zāi)難救援、個(gè)人通信、海洋運(yùn)輸、遠(yuǎn)洋漁業(yè)、航空客運(yùn)、兩極科考、國(guó)際維和等方面。

如前文所說(shuō)，華為Mate 60 Pro手機(jī)能進(jìn)行衛(wèi)星通話的技術(shù)支持正是天通一號(hào)衛(wèi)星。在無(wú)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)，手機(jī)用戶(hù)可以通過(guò)衛(wèi)星通信功能與外界聯(lián)系，這對(duì)于探險(xiǎn)家、登山者、漁民等在偏遠(yuǎn)地區(qū)作業(yè)或遭遇突發(fā)事件的人來(lái)說(shuō)，具有重要意義。

此前天通一號(hào)衛(wèi)星主要是在發(fā)生自然災(zāi)害或在一些海事衛(wèi)星通信時(shí)使用，但終端較大，現(xiàn)在成功應(yīng)用于手機(jī)并具有衛(wèi)星通話功能，這標(biāo)志著中國(guó)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，這一成果也將推動(dòng)未來(lái)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的進(jìn)步。

（3）從天鏈一號(hào)到天鏈二號(hào)的躍升

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱(chēng)中繼衛(wèi)星）是通信衛(wèi)星的另一個(gè)重大發(fā)展，被稱(chēng)為“衛(wèi)星中的衛(wèi)星”。它不僅可以使地球測(cè)控站連續(xù)跟蹤、測(cè)量和控制在中低軌道運(yùn)行的航天器，還能將中低軌道航天器的各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給地球測(cè)控站，從而使地面與中低軌道航天器能一直保持雙向通信。

目前，我國(guó)已陸續(xù)發(fā)射了兩代“天鏈”系列中繼衛(wèi)星，它們?cè)谳d人航天和中低軌遙感衛(wèi)星等領(lǐng)域的信息傳輸中發(fā)揮著重要作用。

2008年4月25日，我國(guó)第一顆中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)01星升空，它采用東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)，使我國(guó)天基測(cè)控系統(tǒng)對(duì)中低軌用戶(hù)航天器的軌道覆蓋率達(dá)到50%；2011年7月11日天鏈一號(hào)02星升空，使軌道覆蓋率提高到75%左右；2012年7月25日天鏈一號(hào)03星升空，使軌道覆蓋率提高到近100%，并能提供百兆以上的高數(shù)據(jù)傳輸速率；2016年11月22日、2021年7月6日，天鏈一號(hào)04星和05星陸續(xù)升空，至此，我國(guó)第一代數(shù)據(jù)中繼系列衛(wèi)星圓滿(mǎn)收官。該衛(wèi)星系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，為我國(guó)中低軌航天器、運(yùn)載火箭等提供了很好的天基測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

2019年3月31日，我國(guó)首顆第二代中繼衛(wèi)星天鏈二號(hào)01星升空。它采用性能更優(yōu)的東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)，突破了星間鏈路天線的大量難題，使傳輸速率增加了1倍，對(duì)用戶(hù)目標(biāo)服務(wù)數(shù)量增加1倍，傳輸總速率達(dá)到了每秒千兆比特量級(jí)。同時(shí)，它配有多副新型天線，可大范圍、高精度捕獲跟蹤目標(biāo)用戶(hù)，并具有高速數(shù)傳的功能，可服務(wù)數(shù)萬(wàn)千米以?xún)?nèi)的航天器用戶(hù)。2021年12月14日、2022年7月13日，天鏈二號(hào)02星、03星先后升空，與天鏈二號(hào)01星組網(wǎng)，組成我國(guó)第二代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，具備了滿(mǎn)足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，并提供24小時(shí)無(wú)間斷通信。

總的來(lái)看，我國(guó)中繼衛(wèi)星的發(fā)展不僅大幅提高了對(duì)用戶(hù)航天器的軌道覆蓋率，還取代了包括海外站和測(cè)量船的大量地球測(cè)控站，從而大大降低了成本，且可靠性和通信質(zhì)量更好，有利于對(duì)多個(gè)、多種類(lèi)型的用戶(hù)航天器進(jìn)行集中管理和服務(wù)。

（4）尋常百姓“衛(wèi)星通話”指日可待

近年來(lái)，我國(guó)還發(fā)展了電視直播衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱(chēng)直播衛(wèi)星），相當(dāng)于把電視塔搬到太空去，這樣就大大增加了電視信號(hào)的覆蓋面，從而將視頻、圖文和聲音等節(jié)目進(jìn)行點(diǎn)對(duì)面的廣播，直接供廣大用戶(hù)接收。

直播衛(wèi)星功率較高，地面用戶(hù)只要使用較小口徑的固定天線就可以接收上百套電視節(jié)目廣播信號(hào)。與地面有線數(shù)字電視相比，直播衛(wèi)星具有覆蓋面積大、地面接收設(shè)備便宜、易于安裝的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于不易鋪設(shè)光纜、電纜的偏僻、邊遠(yuǎn)及不發(fā)達(dá)地區(qū)的用戶(hù)。

2017年6月19日，首顆國(guó)產(chǎn)直播衛(wèi)星——中星九號(hào)A升空。它采用東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)，裝有24臺(tái)Ku BSS頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，主要用于持續(xù)推動(dòng)我國(guó)“村村通”“戶(hù)戶(hù)通”業(yè)務(wù)的發(fā)展。為了在我國(guó)領(lǐng)土和領(lǐng)海區(qū)域構(gòu)建全方位、多層次、復(fù)合型的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)，中星九號(hào)A衛(wèi)星增加了南海區(qū)域波束天線，覆蓋中國(guó)南海及海南島等地區(qū)，從而填補(bǔ)了我國(guó)直播衛(wèi)星在南海區(qū)域覆蓋的空白。

2021年9月9日，中星九號(hào)B直播衛(wèi)星升空。它比中星九號(hào)A覆蓋范圍更廣，覆蓋區(qū)域能力更強(qiáng)，可為中國(guó)領(lǐng)土和領(lǐng)水范圍內(nèi)的直播衛(wèi)星用戶(hù)提供更為優(yōu)質(zhì)的廣播電視直播服務(wù)。它具有3個(gè)下行波束，分別為全國(guó)波束、海域波束和西南波束。其中，海域波束全面覆蓋我國(guó)四大領(lǐng)海，西南波束是新增波束，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)西南地區(qū)覆蓋能力的進(jìn)一步提升。該衛(wèi)星特別設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)發(fā)器，下行信號(hào)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，可以用于開(kāi)展直播業(yè)務(wù)，并實(shí)現(xiàn)8K超高清電視節(jié)目轉(zhuǎn)播，為2022年北京冬奧會(huì)等大型活動(dòng)提供了高質(zhì)量直播傳輸服務(wù)。由于中星九號(hào)B衛(wèi)星對(duì)區(qū)域信號(hào)覆蓋進(jìn)行了增強(qiáng)，還可以支持應(yīng)急廣播、教育、醫(yī)療等行業(yè)信息服務(wù)，以及針對(duì)移動(dòng)人群的小碼率直播、信息推送等業(yè)務(wù)，助力衛(wèi)星通信由“戶(hù)戶(hù)通”向“人人通”“移動(dòng)通”“終端通”發(fā)展。

當(dāng)前，我國(guó)繼續(xù)向研制性能更高、技術(shù)更先進(jìn)的東方紅五號(hào)超大型衛(wèi)星平臺(tái)目標(biāo)邁進(jìn)，它可適應(yīng)下一代通信衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星等多種需求，有效載荷承載能力1.5噸（可裝120臺(tái)通信轉(zhuǎn)發(fā)器）, 總功率28千瓦，有效載荷功率18千瓦，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

總而言之，我國(guó)衛(wèi)星通信領(lǐng)域已進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)代，而隨著其中衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的不斷突破，“衛(wèi)星通話”進(jìn)入尋常百姓家指日可待。屆時(shí)，只要帶上小小的智能手機(jī)終端，無(wú)論走到天涯海角，都可以實(shí)時(shí)上網(wǎng)，與家人和朋友通話、發(fā)短信、視頻交流，享受先進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)帶來(lái)的通信便利和安全保障服務(wù)。