手机卫星通信｜工作原理与技术路线介绍

硬禾学堂|Hard grace|

2025-03-18 00:07:57 801

什么是手机卫星通信

手机卫星通信是一种通过卫星网络实现手机与外界通信的无线通信技术。不同于传统的蜂窝移动通信，它无需依赖地面基站，而是直接利用轨道上的卫星进行信号传输，使用户能够在偏远地区、海洋、沙漠、高山等无地面网络覆盖的环境下，仍然保持与外界的联系。

手机卫星通信主要用于提供紧急求助、消息传递、位置共享等关键功能，特别适用于极端环境、灾害救援、远洋航行、野外探险等场景。早期的手机卫星通信技术主要支持低速数据传输和文本消息，但随着技术的进步，现代卫星通信系统正在逐步向更高性能的方向发展，支持语音通话、视频通信，甚至高速互联网接入。

手机卫星通信的发展

一提起卫星电话，很多人的印象还停留在有着长长天线的笨重的传统卫星电话，而如今一些智能手机手机也能实现卫星通信，这确实是一个巨大的技术飞跃。这个飞跃是如何实现的呢？

传统的卫星通信主要依赖于高轨道卫星，即地球同步轨道（GEO，Geostationary Earth Orbit）卫星，距离地球约35,786公里。在这个轨道距离上卫星会和地球同步旋转，也就是说从地面来看，它是固定在天空的某个位置不动的，这样可以方便的进行信号的发送接收。另外由于位置高，它的信号具有很大的覆盖面，一颗在赤道上的同步卫星几乎能覆盖半个地球的通信面积。

然而，由于卫星与地球的距离超过30,000公里，为了确保信号的有效收发，需要配备较大尺寸的天线和较强的发射功率。此外，信号往返传播过程时延也通常超过250毫秒。一般大家所熟悉的卫星电视就是使用的高轨道卫星。

中轨道卫星（MEO，Medium Earth Orbit）通常运行在8,000至20,000公里的高度范围内，主要应用于全球导航卫星系统（GNSS），例如美国的GPS、欧洲的伽利略（Galileo）、中国的北斗（BeiDou）、俄罗斯的GLONASS等。这些系统依赖中轨道卫星提供精确的定位、导航和授时（PNT）服务。相比于高轨道卫星，中轨道卫星的信号传播时延更短，约几十毫秒，并且覆盖范围较广，通常无需庞大的卫星星座即可实现全球覆盖。

相比之下，低轨道卫星（LEO，Low Earth Orbit）的运行高度在300至2,000公里之间，因距离地面较近，其信号的传播时延显著低于静止轨道卫星，通常在几毫秒到几十毫秒之间。这使得低轨卫星能够提供更低延迟、更高带宽的通信服务，适用于卫星互联网、地球观测、气象监测等应用。然而，由于单颗低轨卫星的可视范围较小（通常仅覆盖地球表面的几百至上千公里），为了实现全球连续覆盖，需要采用星座化部署，即发射和部署成百上千颗卫星，让它们协同工作，确保在地球任意地点始终有卫星可供通信。近年来，随着航天技术、卫星制造和商业航天的快速发展，多个LEO低轨道卫星系统相继涌现，例如由SpaceX运营的Starlink（星链）就是其中比较 .的一个。

基于在轨卫星的定制手机直连

目前最常用的手机卫星通信系统是基于在轨卫星的定制手机直连。通常是利用高轨道同步卫星进行短报文和卫星通话，例如我国自主研发的北斗卫星系统和天通卫星系统。其中北斗系统除了提供覆盖全球的定位，导航，授时服务外，其高轨道同步卫星还具备北斗短报文服务。而天通一号卫星移动通信系统可以为我国及周边地区提供语音，短信以及数据等卫星通信服务。

由于卫星通信技术本身已较为成熟，短期内难以发生根本性升级，因此当前相对比较成熟的技术方案是在智能手机中集成卫星通信功能。手机内嵌专用的卫星通信基带和射频芯片，从而实现手机直连卫星的能力。这种方案对现有手机的改造成本相对较低。缺点则在于受限于手机的天线设计和功耗，通信能力相较于传统卫星电话有所限制；通常仅支持短信、紧急求助等基础服务，难以实现稳定的语音通话和高速数据传输。而且它依赖于各卫星运营商独有的非标准化技术体制，不同卫星通信系统之间难以实现互联互通，不利于全球泛在互联。

存量手机直连卫星的技术路线

另外一个思路是利用新发射的低轨道卫星链，将手机信号基站直接放到天上去。例如SpaceX的星链计划，它将4G手机信号基站集成到星链二代卫星上，从而实现手机与卫星的直接连接。普通星链卫星位于约550公里的近地轨道，而星链基站卫星位于更低的360公里高度，比传统同步卫星距离缩短了约100倍。

这样卫星与手机之间的信号传输损耗大大降低，收发天线的设计也更加简化，而且信号延迟更小。最重要的是，任何一部4G手机都能通过这一服务进行通信，无需专门配置卫星连接的基带或射频芯片。而且它提供的是 .通信支持：包括了目前手机上已有的功能如短信，语音通话，互联网接入，视频通话等服务。SpaceX发布的一个视频里工程师已经完成了首例普通4G手机直连卫星视频通话的测试。SpaceX已经与多个运营商合作，将我们熟悉的传统地面手机网络的服务能力扩展到全球每一个角落。

当然这个卫星通话模式对于手机来说属于高功率无线通讯，发射功率可能会大于2W，毕竟信号要发往36000公里外的卫星。相比之下手机的5G通信模式下发射功率最高也就0.4W左右，为了不对信号发射产生干扰，官方推荐的都是用免提方式来进行通话。

基于3GPP NTN的手机直连卫星路线

第三种技术路线就是基于3GPP国际标准组织规划的NTN通信架构的手机直连卫星路线。它的目标是终端融合一体，无缝连接全球，实现一个由地面和非地面组件组成的单一网络，包含了全球最大的信息通信技术生态系统。

3GPP NTN（非地面网络）是通过对5G空口协议进行增强以适应卫星场景的技术，是地面蜂窝产业向卫星产业的主动融合。从3GPP的release15开始聚焦地面移动通信终端与卫星等非地面网络直接通信，并针对卫星信道的特点相应修改地面移动通信空口协议，支持手机直连卫星应用。从Release17开始引入5GNTN标准，支持手机与高低轨卫星直接通信，后面的Release18，19，20将持续增强系统能力，提供更高带宽和更低延迟。预计未来几年将出现更多的卫星运营商和地面通信运营商之间的合作，在这一领域实现互利共赢。

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