卫星通信新纪元？——Mate 50与iPhone 14的卫星通信技术

      近日，华为和Apple相继举行了新品发布会，华为时隔两年在万分困难的情况下发布了Mate系列的新产品Mate 50系列，而Apple则是发布了iPhone的例行更新——iPhone 14系列。这两场发布会不约而同的介绍了全新的功能——卫星通信，一时间将这种技术拉入了大众消费者的视野之中，虽然Apple和华为都提到了卫星通信，但是其实现的最终效果和原理存在着些许不同，本篇笔者来浅谈一下其中的原理。

作为全球定位系统（Global Positioning System）的代名词，美国的GPS系统自然是大众第一个想到Apple所用的技术体系。但是Apple所使用的并不是大名鼎鼎的GPS系统，而是一家大众并不熟悉的“小”卫星通信公司——全球星（Globalstar）。这是一家总部位于美国路易斯安那州的卫星通信公司，它致力于提供“低价”的卫星服务，成为了和传统卫星通信相区分的市场竞争力。并且，大名鼎鼎的高通公司是全球星最大的股东，本次iPhone 14 所使用的高通通信基带X65就集成了对于全球星卫星通信下行通信频段n53的支持。这家公司所使用的56颗通信卫星，其在轨高度为1414千米，以24000千米/小时的相对速度在地球上空环绕飞行，所以其单颗卫星的通信窗口在17分钟左右，之后就要由后续卫星接替通信。

Globalstar的近地轨道通信卫星

卫星导航技术在手机上我们已经应用了多年，而卫星通信技术，则是在今年才开始正式被应用，这之中的难点，不仅在于数据量的增大，还有就是硬件体积的限制，传统的卫星通信天线体积很大，并且需要十分精准的对准卫星的方向才能收发信息，那么Apple与华为是如何在小小的手机中定位太空中高速移动的卫星，从而实现卫星通信功能的呢？其中的答案就是波束成形与定向天线阵列技术的应用。

通过干涉来进行波束赋形

对于军事感兴趣的朋友对此应该不会太过陌生，所谓“波束成形与定向天线阵列技术”其实就是在军事上大放异彩的相控阵天线技术。相位阵就是通过控制电磁波的相位差，利用电磁波的干涉现象来控制电磁波的发射方向的一种技术。在手机中，首先利用软件来提示用户将手机天线对准卫星大致方向，再用算法来控制电磁波束按照指定的方向传播，这样用户就不用精确控制手机，而是由自动算法来为波束赋形，从而完成对于卫星的定位跟踪，之后iPhone会基于卫星短报文，将手机的位置、海拔高度、电量、iPhone用户的基础疾病、遇险信息编码后发送。但是需要指出的是Apple所使用的卫星连接模式为SEND信使链接模式，其与卫星的链接信号相对较弱，这就是为什么在发布会中，Apple所展示的，是要在开阔地域使用才可能达到Apple所宣传的15秒信息发送时间。如果在环境复杂的地域，这一时间很有可能极大得被延长。那么，既然全球星拥有56颗通信卫星，其信号在理论上可以覆盖从南纬70°到北纬70°的广袤地区，但是为什么iPhone 14的卫星通信技术还是只能支持北美呢？这就要说到iPhone 14所采用的卫星通信模式了，弯管式透明转发（CDMA）。

弯管式透明转发示意图

顾名思义，其透明转发的含义就是：卫星在太空中仅仅作为一面“镜子”，将iPhone的短报文信息折射到对应的地面网关，期间不做任何的编码操作，之后再由网关将对应的求救信息通过地面通信发送给对应的救助站进行救援。这种方式的缺点显而易见，就是卫星必须能链接上地面网关，不然就算手机可以连接上卫星，发送的信息也最终无处可去，如果有星间链路，将信号经过多个卫星多跳转发走，这个缺点或许可以被规避，但是很遗憾全球星并没有这种功能。这种方式的优点也很明显，就是便宜简单，对于卫星的要求很低，所以卫星不用换代或是升级维护就能完成，要知道发射一颗新卫星的成本可是巨大的。通过查询全球星的官方网站，可以发现，在中国地区只有一个位于北京的地面网关，但是还处于未启用状态，并且在全球，其网关目前覆盖全面的地域也就只有美洲，也就不难理解为什么iPhone 14的对应功能只能支持北美地区使用了。

全球星地面网关分布

必须说明的一点是，由于iPhone 14 卫星通信的下行频率为n53在中国并没有被批准给任何运营商使用，所以iPhone 14的国行版很可能在硬件上就不会支持卫星通信，这一点要请购买国行的iPhone 14用户注意，就算地面网关建设完全，国行版的iPhone 14也有极大的可能不能使用卫星通信，所以在国内现阶段（未来很久都有可能如此），对这个救命的关键功能有需要的朋友，唯一能选择的只有华为Mate 50。

2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星，在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭发射升空。经过了从上世纪80年代开始探索论证的北斗卫星导航计划，经过了近40年的发展实践，经过“三步走”的发展战略，中国自主研发的北斗全球卫星导航系统正式完成全球组网。北斗星这个自远古时起人们用来辨识方位的依据，自此被中国人用科学技术的手段，带进了千万人的生活。2022年9月，华为站在巨人的肩膀之上，推出了Mate 50 系列。

华为Mate 50使用的卫星通信技术应该是基于北斗三号卫星的“区域短报文通信”，其使用了北斗三号的地球同步轨道卫星（GEO），其运行高度大约位于地面36000千米的地球同步轨道之中。对比iPhone 14所采用的Globalstar运行于1414千米高度的低轨道卫星，有着一定的优势，但同时也存在一定的问题。由于是地球同步轨道卫星，卫星的位置于地球相对静止，因此不需要对抗在相对于地面高速运动的卫星之中所产生的强大多普勒效应，既物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。但是，其劣势也明显存在，第一是：其36000千米的通信距离，会造成至少100ms以上的通信延迟；第二是：超远的通信距离必然会造成其发射功率的上升。过高的发射功率会造成使用者的不安全，以及终端的过快耗电。目前看这两个问题不算严重，毕竟mate50能用到北斗三短报文的机会，少之又少。

北斗三号的看家本领是双向的短报文通信能力，即：用户既可以通过北斗卫星发送短报文联系其他接收终端，反之也可以。这是一种类似于手机短信的卫星短报文通信。但是在Mate 50系列中，这项功能被极大的削弱了。Mate 50 只能发送消息，之后会接收到卫星的回执，以此来确定对方是否接收到了短报文。其阉割掉北斗双向短报文功能的原因，首先的可能就是当今智能手机的体积并不能容下能解码来自卫星的通信信息的硬件；其次，由于使用的是北斗地球同步轨道卫星，因此其轨道高度确定，在轨道高度一定的情况下，要保证信号不相互干扰，全世界只能有120颗同步卫星，卫星资源十分紧张，因此，一旦大量对社会用户开放双向短报文功能，很有可能使得北斗的其他服务受到影响（后续Mate 50 和iPhone 14的卫星通信会收取费用也都有对于卫星资源不足的原因在其中）。

不论是Apple的iPhone14，还是华为的Mate 50，其搭载的卫星通信功能都有其明显的问题，而且对于99%的用户来说，都是噱头的性质占了多数，实际生活中并没有多少用户有机会体验到。并且，两种卫星通信的差异，并不是Mate 50和iPhone 14之间的区别，更多的是北斗卫星系统和全球星系统之间的差异。对于北斗来说，其民用LBS定位服务在信号良好的情况下，平均精度可以达到2.34米，最大误差也不会超过10米；但是对于全球星系统来说，虽说卫星本身甚至支持语音信息的通信，但对于体积和功率都不高的手机来说，目前还只是天方夜谭，并且笔者并没有找到关于其定位精度的数据描述，在环境相对复杂的户外，多一米的定位精度很有可能对于求救人员来说就是生与死的距离，因此，再加上其主打的“低价”卫星服务，对于其定位精度对于北斗来说是否存在优势，持怀疑态度。对于Apple来说，它所拥有的优势，是在于对地图的亲自绘制，在地图上拥有的第一手的信息，很有可能会增强其定位的准确性，但目前还只是笔者的猜测。总结来讲，如果是冲着卫星通信的功能而选择手机，大可不必，您更应该关注的是户外三防手机或是真正