大家好，我是你们的忠诚作者阿灿。在这篇文章中，我将为大家揭秘华为手机为何能直连卫星的奥秘。我们将深入探讨地球同步轨道卫星、天通一号卫星系统以及与北斗系统的对比。准备好了吗？让我们一起开启这趟惊险刺激的科技之旅吧！

一、地球同步轨道卫星

地球同步轨道指的是这样一种轨道：运行在该轨道上的物体（通常是卫星）的轨道角速度和地球的自转角速度大小相等，且方向相同。同步轨道中，比较简单的是赤道上空的同步轨道（地球静止轨道），卫星在地球静止轨道位置处与地球相对静止，地球自转一周卫星旋转一整圈，距地面高度为35786千米，一颗卫星可覆盖约40%的地球面积。气象卫星、通信卫星和广播卫星常采用这种轨道。另外我国的北斗卫星导航系统部分卫星也是使用该轨道。地球静止轨道卫星如图1所示。位于其他位置的同步轨道卫星，会在赤道的南北不断摆动，而椭圆轨道则会呈现出东西方向的摆动。这两种运动的叠加，就会形成星下点（地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点）“8”字型轨迹。

图片来源：www.beidou.gov.cn

二、天通一号卫星系统

华为mate60 pro使用的是我国的天通一号卫星系统，连接的是天通一号01星。天通一号卫星系统由三颗卫星组成，第一颗是2016年发射的01星，定位于东经101.4度；第二颗是2020年发射02星，定位于东经125度；第三颗是2021年发射03星定位于东经81.6度。这三颗都是地球同步轨道卫星（位于地球静止轨道），距离地球赤道约为36000公里。

图片来源：n2yo.com

上图为天通一号卫星系统3颗卫星轨道位置示意图，其中左边是03星，中间是01星，右边02星。

天通一号01星的覆盖范围包括我国的国土和领海部分，02星的主要覆盖范围包括西太平洋地区，03星的覆盖范围主要包括东南亚地区。理论上，只要在天通一号的覆盖范围内，都可以实现卫星电话通信。

资料来源：立鼎产业研究中心

天通一号卫星系统覆盖示意图

天通一号卫星高增益天线

天通一号卫星能与地面普通尺寸的天通卫星终端直接通连，主要靠卫星上的高增益天线，01星使用15米左右电口径的星载大型网状天线，见下图。

大口径天线增益G计算：

D为抛物面直径，λ为中心工作波长。

S波段频点2000MHz、口径15米，计算得天通一号卫星天线增益46.5dBi。

大口径天线可提供高增益的波束信号，同时，天通一号融合了频率复用技术和低无源互调（PIM）等相关技术，使卫星接收信号的灵敏度和卫星通信容量得到了有效的提升。

天通一号卫星拥有109个国土点波束（通过同一个大口径天线传播），实现了我国领土、领海、一岛链以内区域覆盖；同时，还有两个海域波束，覆盖太平洋西部（二岛链内）和印度洋北部（孟加拉湾、安达曼海）。

以亚太6D（APSTAR-6D）卫星波束示意图为例，如下图：

资料来源：亚太卫星官网

亚太6D是亚太卫星宽带通信（深圳）有限公司运营的地球静止轨道通信卫星，是首颗Ku/Ka频段全球高通量（High Throughout Satellite, HTS）宽带商业卫星，用户波束90个。

三、天通卫星与地面通信

上图为天通一号卫星和地面通信示意图，其中，直连卫星手机与01星直接通信，01星通过地面关口站进行数据回传，地面关口站位置固定，有强大的卫星信号接收和处理能力，是卫星通信系统主要的通信链路。

关口站通过互联网与运营商的核心网连接，最终通信需求经运营商基站和空口，达到目标用户手机。反之亦然。

由上图可见，利用天通一号卫星通信，需要经过4段长时延，分别时直连卫星手机到卫星、卫星到关口站、关口站到卫星和卫星到直连卫星手机，其他时延，如关口站到地面其他手机之间，相比上面4段可忽略。这4段时延，总共是4个36000公里除以光速（电磁波传播速度），约500毫秒。

天通一号卫星地面关口站与卫星之间的通信链路（馈电链路）使用的是C频段，其频率范围为4-8GHz，我们常说的大锅接收卫星电视就是用的C波段，C波段在抗雨衰方面有着明显的优势。

天通一号卫星与直连卫星用户端通信链路（用户链路）使用的是S频段，其频率范围1980MHz-2010MHz。相对于更高频段的卫星通信，S频段通常需要较小的天线尺寸。这有助于减小用户终端的天线尺寸，使其更加便携和易于安装。S频段的信号在大气中的传播损耗相对较低，因此在恶劣天气条件下，如雨雪或浓雾，仍能保持较好的通信性能。这种强大的穿透能力对于卫星电话系统至关重要。天通一号卫星用户链路和馈电链路的上下行传输均为FDD/TDMA/FDMA方式，可同时支持一百万用户使用。

整个通信链路大概如上图所示，其中手机天线示意图用的是介质谐振器天线（可能是手机终端上真实在用天线），椭球形状为天线方向性示意图，图中向左水平方向为增益最大方向，因此，手机一定要对准卫星。该图片出自作者 Thomas Forrister的文章《优化介质谐振器天线的性能》。

上图通信链路中，自由空间传播损耗计算公式如下：

f单位GHz，d单位公里，经计算，天通一号卫星到地面自由空间传播损耗为190dB。

天通一号卫星地面终端发射功率一般在2W，即33dBm（根据某型号天通一号卫星终端型号核准测试报告），天线增益2dBi，到达天通卫星射频端口信号功率为：

33dBm 2dB-190dB 46.5dB=-108.6dBm

反之亦然，天通一号卫星射频部分输出功率2W，经卫星天线放大、自由空间传输衰减、用户手机天线放大后，接收功率可达-108.6dBm。

现代信号处理技术，-108.6dBm这个信号完全够用，不仅是华为终端，天通卫星地面终端基本都能达到-120dBm以下的接收灵敏度（即正常通信必须的最低接收信号功率）。网上很多天通终端的评测文章，提到接收信号-120dBm左右可实现语音通话。

当然，卫星空间链路，还存在其他衰减和信号衰落，比如大气衰减、雨衰和云雾、大气折射和电离层闪烁等，以及由于多普勒频移和多径造成的衰落，这些影响，通过合理规避（如选择合适频率、到开阔处通话等）和现代信号处理技术下，可有效抑制。

华为公司手机技术优势主要有语音处理技术、数字信号处理技术、射频及天线技术、集成技术等，通过这些技术积累，可实现消费级用户终端上集成卫星直连通信功能，并且提升发射和接收信号质量，保证能正常解调接收信号，并达到一定的数据传输速率（否则无法进行语音通信）。

四、对比北斗系统性能

北斗导航系统卫星主要分布在同步轨道和中远地球轨道（21500公里），北斗导航频段为1~2GHz，B1信号最低接收功率-128dBm（MEO卫星）和-130.3dBm（IGSO卫星）。

北斗系统与天通一号卫星系统基本类似，通信性能也类似：北斗入站信道传输速率：15.625Kbit/s，出站信道传输速率为31.25kpbs；天通一号01星话音1.2~ 4kbit/s，数据64~384 kbit/s，毕竟天通一号卫星天线增益大很多，速率肯定高一些。

上图为北斗GEO卫星，上下端为抛物面天线。

图片来源：n2yo.com

部分北斗卫星轨道，可见8字轨道。

从功能上将，北斗系统以定位导航和授时（PNT）为主，当然也支持全球短报文通信业务，天通一号系统功能定位主要是通信。

五、对比星链低轨卫星性能

“星链”（Starlink）是美国太空探索技术公司（SpaceX）于2015年提出的低轨卫星互联网系统，截至2023年8月26日，“星链”已累计发射卫星超过5000颗，2023年内发射1340颗，在轨卫星接近全球总数的50%，主要分布在550km近地轨道（LEO）。

星链卫星不是地球同步卫星，星链卫星轨道速度约7.6公里/秒，每天大约绕地15次，用户终端只有当卫星处于其可视区域时才能锁定与星链卫星的通信，可视的时间长短决定了通信的持续时间，一般来说，一颗卫星可视时间（主要是可视时间内适合建立通信的时间）一般只有几分钟，会经常性地发生通信卫星切换，由于卫星高速运动、地球的自转等，实现无缝通信切换非常有挑战性。

星链卫星使用Ku/Ka频段，Ku：12-18GHz，Ka：26.5-40 GHz，相比天通一号，更高的频段容易实现更大的带宽，可实现高速数据传输。同时，Ku/Ka波段的传播特性在大气中的衰减相对较小。星链卫星目前可实现近100Mbps的下载速率。

星链并不是集成在手机里面的通信模块，想要使用星链业务，必须在地面准备星链卫星天线和星链调制解调器，卫星天线用于接收和发射星链卫星信号；调制解调器接收来自天线的信号，并将其转换为可在移动终端、计算机或路由器上使用的互联网标准连接，如以太网或者无线局域网等。

星链卫星天线见下图，其天线增益超过30dB（比手机里的天线增益大很多），以保证高速数据传输和可靠通信连接，因此，尺寸规模不能太小（还要通过相控阵技术对准卫星），很难集成到手机里。

从地面星链卫星天线，到星链卫星之间的自由空间损耗，也比天通卫星等同步轨道卫星低很多，大约150dB左右（比天通卫星低30dB，1000倍）。星链卫星参数不详，但估计卫星天线增益也在30dB以上。这样，通信传输损耗就会小很多，更容易实现高速数据传输。

星链卫星作为低轨卫星系统，主要技术优势在于地面天线技术（要保持对准星链卫星）、通信组网切换（地面和卫星之间、卫星和卫星之间）等。与天通一号卫星系统实现的手机直连卫星不具备可比性。

结语：

是不是被华为手机直连卫星的神奇应用所震撼了呢？通过天通一号卫星系统，华为手机打破了地球的限制，实现了与卫星的直接通信。无论你身处何地，只要在天通一号的覆盖范围内，你都能享受到高质量的卫星通信服务。相信未来，华为手机还会带给我们更多颠覆想象的科技体验。让我们一起期待吧！记得关注我，阿灿，你的忠诚作者，我将为你带来更多有趣的科普知识和轻松愉快的阅读体验。感谢大家的支持！