手机“卫星通话”的时代快要到来了吗？
近期炙手可热的华为Mate 60 Pro手机，是全球首款支持卫星通话的大众智能手机，持有者在没有地面信号的情况下，也可以拨打、接听卫星电话，而支持此功能的“幕后功臣”就是我国自主研制的天通一号移动通信卫星。上周在中国空间站开讲的“天宫课堂”第四课，太空授课图像清晰、话音稳定，其背后也有同为通信卫星的天链二号数据中继卫星的功劳。
目前，我国已研制和发射了多种通信卫星，并整星出口多颗，今天我们就请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩来说说号称“顺风耳”的通信卫星在我国的发展进程，以及它在国计民生中扮演着哪些重要角色。
（1）太空中的“国际信使”
通信卫星是世界上应用最早、最广的人造地球卫星之一，如今已成为现代通信的重要手段。作为太空中的“国际信使”，它“投递”的覆盖面特别大，一颗地球静止轨道通信卫星就可以负责1/3地球表面的通信，因此也被称为“顺风耳”。
通信卫星是设在太空的微波中继站，主要通过转发无线电信号来实现各种通信，具有通信距离远、容量大、质量好、可靠性高和灵活机动等优点。由于不受地理条件的限制，通信卫星对地面设施依赖程度较低，在发生重大灾害、战争的情况下，比其他方式更安全可靠，有时甚至是唯一的应急通信手段。
按照业务种类的不同，通信卫星一般可分为固定通信卫星、移动通信卫星、电视广播卫星和跟踪与数据中继卫星等。我国最早发展的通信卫星是固定通信卫星，其特点是为固定用户之间提供通信服务。相应的，移动通信卫星可为移动用户之间提供通信服务，如车辆、飞机、船舶，甚至个人的通信，且具有不受地理障碍约束和用户运动限制等优势。至今，我国已先后研制、发射和应用了三代固定通信卫星、两代数据中继卫星、3颗移动通信卫星、3颗高通量通信卫星、2颗电视直播卫星等，它们在卫星通信领域各显神通，取得了很高的社会效益和经济效益。
通信卫星一般由卫星平台和有效载荷组成，其中有效载荷包括转发器和天线。卫星平台的容量越大、寿命越长，装载的转发器越多，性能就越高。为此，我国先后研制、使用了三代地球静止轨道通信卫星平台。
1984年4月8日，中国第一颗地球静止轨道卫星东方红二号顺利升空，使我国成为世界上第五个独立发射地球静止轨道卫星的国家，随后又发射了多颗东方红二号系列固定通信卫星，它们大大改变了当时边远地区收视难、通信难的状况。
研制东方红三号是我国通信卫星发展的第二步。1997年5月12日，东方红三号卫星的升空使中国通信卫星水平一下跨越了20年，主要用于电话、数据传输、传真、甚小孔径终端网和电视等业务。这颗固定通信卫星采用东方红三号中容量卫星平台，装了24台C频段转发器，寿命8年，采用了许多当时具有世界水平的新技术，如全三轴稳定技术、统一双组元液体推进技术、公用平台设计、大面积密栅太阳电池阵等。
此后，东方红三号卫星平台陆续用于“中星”、鑫诺三号、天链一号等通信卫星，甚至用于“北斗”导航卫星及嫦娥一号、二号绕月探测器等多种航天器。在此基础上，我国还研制了性能更高的东方红三号A、B卫星平台，填补了东方红三号中容量卫星平台与后来发展的东方红四号大容量卫星平台之间的空白。
1999年，我国开始研制第三代大型静止轨道卫星平台——东方红四号卫星平台，它具有输出功率大、承载能力强和服务寿命长等特点，可用于建造大容量固定通信卫星、移动通信卫星、电视直播卫星和数据中继卫星等，并具有确保信息传输安全可靠的有效技术手段。
东方红四号卫星平台寿命15年，能装约45台转发器，我国现已利用它打造了几十颗通信卫星，同时还研制了性能更高的东方红-4E（增强型）、东方红-4SP（全电推）等新型卫星平台。不过，我国还没有研制过名为东方红四号的卫星，只是用东方红四号卫星平台研制各类其他名称的卫星。
（2）我国卫星通信关键技术国际领先
在2008年汶川大地震中，震区的地面通信系统均受到不同程度损毁，难以履行通信的基本需求。当时，受灾群众和救援队伍只能依靠租用的国外移动卫星电话进行联系。所以，在地震后，我国航天专家纷纷呼吁国家立项研制国产卫星移动通信系统，首要任务就是确保在遭受严重自然灾害时实现应急通信。为此，从2011年起我国便开始研制天通一号移动通信卫星。
采用巨大天线的天通一号移动通信卫星示意图
地球静止轨道移动通信卫星的特点是星载收发天线尺寸很大、卫星发射功率较高，并采用雨衰小（降雨引起的信号衰减简称为“雨衰”）和信号传输损耗小的L波段或S波段传输信号，目的是减小地面用户终端的尺寸，以便于携带和保证通信质量。概括来说，移动通信卫星可对海洋、山区、草原、森林、戈壁、沙漠实现无缝覆盖，覆盖对象涉及车辆、飞机、船舶和个人等各类移动用户，其最主要的优势体现在通信终端的小型化和手机化。
2016年8月6日，我国首颗大容量地球静止轨道移动通信卫星天通一号01星升空，其技术指标与能力水平达到国际第三代移动通信卫星水平，可为我国国土及周边海域的各类手持和小型移动终端提供话音和数据通信覆盖，填补了国家军/民用自主卫星移动通信服务的空白。随后，天通一号卫星系统正式面向社会提供服务，在2017年四川阿坝州九寨沟县7.0级地震的指挥救援工作中发挥了重要作用；长征十一号火箭在海上发射（无手机信号、宽带）时，通过天通一号卫星信号将发射画面第一时间回传；2018年台风“山竹”在我国广东省登陆时，各地市防汛办配置了近千台天通一号卫星电话……
天通一号的“神通广大”得益于多项关键技术的攻关。天通一号01星采用的是东方红四号卫星平台和S波段，其关键技术均为自主知识产权。例如，该卫星搭载了大口径环形天线，由于这种天线尺寸远远超过运载火箭整流罩直径，只能使用复杂的机构对天线进行收纳折叠后装入火箭整流罩，发射入轨后再受控展开，同时还要保证天线在轨精度，这标志着我国在大口径柔性折叠天线技术上取得了重大突破。另外，我国还在国际上首次完成了整星级无线低无源互调（PIM）试验。无源互调是指天线在大功率发射的同时，由于天线接收灵敏度高，发射时产生的杂波会落入接收通道，形成干扰，严重影响通信能力。所以，低无源互调技术一直是整个卫星系统最关键的技术之一，也是国际宇航界共同关注的技术难题。我国科学家历经艰辛完成的首次整星级无线PIM试验，不仅满足了卫星任务要求，也促使我国这一技术达到国际领先水平。
2020年11月12日和2021年1月20日，天通一号02星和03星先后升空，与天通一号01星共同组网运行，构成了全规模、完整的天通一号卫星移动通信系统。该卫星移动通信系统实现了亚太地区全覆盖，显著提升了国家应急通信保障能力，能够满足更多民商用户的多样化通信需求，并提供全天候、全天时、稳定可靠的话音、短消息和数据等移动通信服务。
目前，我国天通一号系统的终端用户已超过300万，服务范围涵盖灾难救援、个人通信、海洋运输、远洋渔业、航空客运、两极科考、国际维和等方面。
如前文所说，华为Mate 60 Pro手机能进行卫星通话的技术支持正是天通一号卫星。在无地面网络覆盖的地区，手机用户可以通过卫星通信功能与外界联系，这对于探险家、登山者、渔民等在偏远地区作业或遭遇突发事件的人来说，具有重要意义。
此前天通一号卫星主要是在发生自然灾害或在一些海事卫星通信时使用，但终端较大，现在成功应用于手机并具有卫星通话功能，这标志着中国在卫星通信领域取得了重大进展，这一成果也将推动未来卫星通信领域的进步。
（3）从天链一号到天链二号的跃升
跟踪与数据中继卫星（简称中继卫星）是通信卫星的另一个重大发展，被称为“卫星中的卫星”。它不仅可以使地球测控站连续跟踪、测量和控制在中低轨道运行的航天器，还能将中低轨道航天器的各种数据实时转发给地球测控站，从而使地面与中低轨道航天器能一直保持双向通信。
目前，我国已陆续发射了两代“天链”系列中继卫星，它们在载人航天和中低轨遥感卫星等领域的信息传输中发挥着重要作用。
2008年4月25日，我国第一颗中继卫星天链一号01星升空，它采用东方红三号卫星平台，使我国天基测控系统对中低轨用户航天器的轨道覆盖率达到50%；2011年7月11日天链一号02星升空，使轨道覆盖率提高到75%左右；2012年7月25日天链一号03星升空，使轨道覆盖率提高到近100%，并能提供百兆以上的高数据传输速率；2016年11月22日、2021年7月6日，天链一号04星和05星陆续升空，至此，我国第一代数据中继系列卫星圆满收官。该卫星系统自投入使用以来，为我国中低轨航天器、运载火箭等提供了很好的天基测控和数据中继服务。
2019年3月31日，我国首颗第二代中继卫星天链二号01星升空。它采用性能更优的东方红四号卫星平台，突破了星间链路天线的大量难题，使传输速率增加了1倍，对用户目标服务数量增加1倍，传输总速率达到了每秒千兆比特量级。同时，它配有多副新型天线，可大范围、高精度捕获跟踪目标用户，并具有高速数传的功能，可服务数万千米以内的航天器用户。2021年12月14日、2022年7月13日，天链二号02星、03星先后升空，与天链二号01星组网，组成我国第二代中继卫星系统，具备了满足中低轨道航天器全球覆盖的能力，并提供24小时无间断通信。
总的来看，我国中继卫星的发展不仅大幅提高了对用户航天器的轨道覆盖率，还取代了包括海外站和测量船的大量地球测控站，从而大大降低了成本，且可靠性和通信质量更好，有利于对多个、多种类型的用户航天器进行集中管理和服务。
（4）寻常百姓“卫星通话”指日可待
近年来，我国还发展了电视直播卫星（简称直播卫星），相当于把电视塔搬到太空去，这样就大大增加了电视信号的覆盖面，从而将视频、图文和声音等节目进行点对面的广播，直接供广大用户接收。
直播卫星功率较高，地面用户只要使用较小口径的固定天线就可以接收上百套电视节目广播信号。与地面有线数字电视相比，直播卫星具有覆盖面积大、地面接收设备便宜、易于安装的优势，尤其适用于不易铺设光缆、电缆的偏僻、边远及不发达地区的用户。
2017年6月19日，首颗国产直播卫星——中星九号A升空。它采用东方红四号卫星平台，装有24台Ku BSS频段转发器，主要用于持续推动我国“村村通”“户户通”业务的发展。为了在我国领土和领海区域构建全方位、多层次、复合型的互联互通网络，中星九号A卫星增加了南海区域波束天线，覆盖中国南海及海南岛等地区，从而填补了我国直播卫星在南海区域覆盖的空白。
2021年9月9日，中星九号B直播卫星升空。它比中星九号A覆盖范围更广，覆盖区域能力更强，可为中国领土和领水范围内的直播卫星用户提供更为优质的广播电视直播服务。它具有3个下行波束，分别为全国波束、海域波束和西南波束。其中，海域波束全面覆盖我国四大领海，西南波束是新增波束，可实现卫星对西南地区覆盖能力的进一步提升。该卫星特别设计了专门的转发器，下行信号强度明显增强，可以用于开展直播业务，并实现8K超高清电视节目转播，为2022年北京冬奥会等大型活动提供了高质量直播传输服务。由于中星九号B卫星对区域信号覆盖进行了增强，还可以支持应急广播、教育、医疗等行业信息服务，以及针对移动人群的小码率直播、信息推送等业务，助力卫星通信由“户户通”向“人人通”“移动通”“终端通”发展。
当前，我国继续向研制性能更高、技术更先进的东方红五号超大型卫星平台目标迈进，它可适应下一代通信卫星和遥感卫星等多种需求，有效载荷承载能力1.5吨（可装120台通信转发器）, 总功率28千瓦，有效载荷功率18千瓦，达到国际先进水平。
总而言之，我国卫星通信领域已进入快速发展的时代，而随着其中卫星移动通信技术的不断突破，“卫星通话”进入寻常百姓家指日可待。届时，只要带上小小的智能手机终端，无论走到天涯海角，都可以实时上网，与家人和朋友通话、发短信、视频交流，享受先进卫星技术带来的通信便利和安全保障服务。
供图：视觉中国
来源：北京日报客户端 记者：汪丹
流程编辑：u060