日前，星链（Starlink）官方网站商业服务板块全新推出星链直连手机业务（Starlink Direct to Cell）。这意味着，未来，普通手机可以直接连接星链，使用其相关服务。
图源：星链官网
根据官方信息，该业务适用于现有的LTE手机，无需更改硬件、固件或特殊应用程序，即可通过星链发送文本、语音和数据。预计2024年实现短信发送，2025年实现语音通话和上网（Data），同年分阶段实现IOT（物联网）。
图源：星链官网
直连手机的星链卫星最初将由SpaceX的猎鹰9号火箭发射，未来再由星舰（Starship）发射。卫星进入轨道后将立即通过星间激光链路连接到星链星座，以提供全球连接。
该项业务合作的手机运营商及国家包括：T-Mobile (美国)、ROGERS(加拿大)、KDDI(日本)、OPTUS(澳大利亚)、ONE NZ (新西兰)、SALT（瑞士）。纳入合作伙伴的国家和地区，可获得同样的直连手机服务。
图源：星链官网
就在星链官宣该业务不久前，华为推出的Mate 60 Pro手机成为全球首款集成了卫星通话功能的手机终端；AST SpaceMobile公司利用现有普通手机连接其试验星，实现首次5G卫星通话......众多玩家入局，手机与卫星直连进入新时代。本文将针对手机直连卫星的发展现状与趋势、技术路径与要求等内容进行分析。
01 低轨卫星互联网工业化变革
一、 互联网覆盖的基本情况
在当今的数字时代，互联网已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。但是，事实上，互联网的覆盖面积仍然远远未达到我们普遍的期望。
全球互联网用户情况：
尽管我们生活在一个似乎已经完全被数字化的世界中，但是根据最新的数据显示，全球互联网用户数未达总人口数的70%。大约有27亿人仍然没有网络覆盖，他们无法像我们这样轻松地访问信息、享受在线服务和参与数字经济。
地面网络覆盖面积：
在地理覆盖面积上，情况似乎更加严峻。互联网仅覆盖了约20%的陆地面积，这在整个地球表面上仅仅是6%。许多偏远和地理环境恶劣的地方，例如高山、荒漠和丛林，都是互联网的盲区。
地面网络的增长瓶颈：
过去几年，地面网络渗透率的增速已经逐渐放缓。在当前的技术和策略下，我们已触达地面网络的增长瓶颈。
未来的互联网发展需要我们重新考虑和策划。卫星互联网作为一种新兴的通信方式，有可能为我们打破这个瓶颈，为更多的人们提供稳定且快速的网络连接。
二、 卫星互联网及其覆盖优势
卫星通信的主要特点是空间位置高和服务范围广。与地面网络相比，卫星的高位置使其能够覆盖更广阔的地域，无论是城市还是偏远地区。这种高度和广度的结合，使得卫星通信与全球通信覆盖的需求完美匹配。
卫星互联网不仅提供了三维的覆盖，而且具有广域和无线移动的覆盖优势。这意味着无论用户在何处，都可以享受到稳定的网络连接。
三、 全球低轨通信星座现状
近年来，随着技术的进步和投资的增加，低轨通信星座呈现出爆发式的增长。
在轨卫星的总数：
截至2023年6月，全球的在轨卫星总数已经超过8000颗。这一数据不仅展现出该领域的迅猛增长，也反映了近年来卫星通信的广阔前景。
低轨卫星的占比：
在所有在轨卫星中，低轨卫星的数量更为惊人，达到了7305颗，占据了绝大多数。低轨卫星通信具有低延迟、高传输速率的特点，因此受到了广大投资者和技术人员的青睐。
低轨巨型卫星星座：
在众多的低轨卫星中，有7个百星以上规模的低轨巨型卫星星座。而其中最为引人注目的无疑是星链（Starlink），其在轨卫星数量已经超过了5000颗，几乎占据了低轨卫星数量的三分之二。
这一发展趋势清晰地展现出低轨通信星座的市场前景和技术潜力，预示着未来我们将进入由低轨卫星提供的全域性网络连接时代。
四、 星链已经入商业化快车道
图为：堆叠的星链V2 Mini卫星 图源：SpaceX官方社交媒体
自2019年SpaceX首次发射星链卫星以来，星链计划在短短的四年时间里取得了令人瞩目的进展。
经济价值的飞速增长：
从投资和商业角度看，SpaceX的星链计划取得了巨大成功。根据公开信息，只花了四年时间，SpaceX的估值便增长了约5倍，达到了近1400亿美元。值得注意的是，其中大约75%的贡献都来自于其星链业务，这足以证明星链在SpaceX整体业务中的核心地位。
全球覆盖和用户增长：
技术进步往往伴随着市场的扩张。星链已经在全球超过50个国家和地区部署，为超过150万用户提供服务。与传统的卫星通信市场相比，这一数字实属罕见。过去，即便是最成功的卫星网络，其用户数也只是数万。而星链在短短的4年时间里，拥有超过百万的用户，该数字预计在今年底升至350万至400万。
经济前景和未来计划：
更为重要的是，星链不仅扩大了其市场份额，还实现了商业运营上的成功。根据公开信息，星链已于2023年的前两个季度实现盈利，2023年有望实现全年盈利，营收额预计将达到30亿至60亿美元。此外，SpaceX已经计划在2025年将星链拆分并独立上市。
六、众多玩家入局探索新模式
苹果和华为等市场巨头，已看到卫星直连技术在智能手机领域的巨大潜力。通过与天通和全球星（Globalstar）等现有的卫星通信系统合作，华为和苹果分别研发出能直连卫星的智能手机。这种创新不仅仅实现了窄带的文本式通信，还实现了紧急求助和语音通信的功能，初步验证了电信设备商推动、大众消费级卫星通信服务的卫星直连产品与商业模式。
同时，不仅仅是手机制造商，许多卫星技术供应商和研发公司也加入了这一领域的探索。例如，AST SpaceMobile公司成功研发出一颗装备有64平方米相控阵天线的试验星，名为蓝行者3号（BlueWalker 3）。今年4月，AST用普通的GalaxyS22手机成功地与其试验星通话，实现通信速度可以达到10Mbps。这一重要测试验证了卫星直连、星地一体化融合4G/5G宽带通信的可行性。并且根据AST官网的最新公开信息，今年9月，蓝行者3号近期向无地面网络区的常规手机三星Galaxy S22手机中继了首个5G通话。在此次5G通信试验中，蓝行者3号首先接收了美国电信服务商AT&T的信号，随后将信号转发到了沃达丰公司位于西班牙的地面网络。
七、 低轨卫星互联网星座建设
目前，低轨卫星互联网星座建设有两个方向，分别是宽带通信和手机直连。
宽带通信模式
首先，是星链在发布手机直连业务前所采用的宽带通信模式，使用高频段，如Ku/Ka频段。这种模式的目的在于为地面用户提供类似于“移动无线光纤”的体验。简单来说，就是提供高速的、稳定的网络连接，这与我们日常家中的光纤入户服务相似。这种模式主要服务于ToB业务或其他需要大量数据传输的业务。
手机直连模式
而另一个方向则是手机直连模式。由于智能手机的普及率极高，它所能触及的用户基数也非常巨大，从而使得其渗透能力和市场前景都非常乐观。这种模式的特点是共用Sub-6GHZ等地面频段，旨在实现普通智能手机可兼容直连卫星与地面蜂窝网络。如今，我们已经看到了华为的“捅破天”技术、苹果以及AST等公司在这一方向的努力和创新。
02 卫星互联网大众应用时代
一、低轨卫星互联网应用场景
从城市到乡村，从陆地到海洋，从地面到空中，低轨卫星互联网为我们提供了一个全覆盖的网络解决方案。
在城市里，尤其是人口密集的区域，低轨卫星可以弥补现有蜂窝网络的不足，提供更加稳定和高速的网络服务，尤其在应急情况下，比如在自然灾害等突发事件时，当传统网络受到影响时，卫星网络可以立即介入，确保通信畅通。
而在乡村和偏远地区，低轨卫星提供了一个非常有力的解决方案。传统的地面网络可能无法覆盖这些地区，但通过低轨卫星，我们可以确保这些地方的居民也能够享受到快速且稳定的网络服务。
此外，还有很多特殊的应用场景，例如海上船只、空中飞机、山区、边境岗哨等，这些地方的网络需求可能无法通过传统方式满足，但低轨卫星则为它们提供了解决方案。
总之，低轨卫星互联网为我们开启了一个全新的通信时代，它不仅弥补了地面网络的不足，而且提供了一套更加广泛和灵活的通信解决方案，满足了现代社会的多样化需求。
二、 手机直连卫星应用场景
手机直连卫星在应急通信上的应用
应急通信是一个极为关键的领域。在自然灾害、紧急事件或其他特殊情况下，传统的通信网络可能会受到影响或中断，而卫星通信可以提供一个稳定、可靠的备用通道。它可以确保救援队与指挥中心之间的通信不断，并为受灾者提供实时的疏散指导和搜救信息。灾后恢复和重建是一个长期过程，卫星通信可以帮助确保灾后的安置和维稳工作得以顺利进行，包括提供生活必需品、医疗救助和其他关键服务。
手机直连卫星在车联网中的应用
在车联网中，车载系统可以直接通过卫星进行固件的广播和升级，这样无论车辆在何处，都可以实时获取最新的固件更新，保证车载系统的安全和稳定性。同样地，车载导航地图和其他重要的车载系统数据也可以通过此方式实时更新，为驾驶员提供最新的路况和导航信息。
手机直连卫星在物联网中的应用
在物联网的领域中，智能照明系统、物联网通用控制消息等设备也都可以利用手机直连卫星技术，进行实时的数据传输和控制。这种方式的好处是无论设备在何处，只要能够连接到卫星，就能够实时获取数据和指令。
手机直连卫星在视频领域的应用
除此之外，视频广播领域也能从中受益。现在的电视直播不仅仅局限于家中的大屏，而是可以扩展到手机、平板等移动设备上。卫星直连技术可以确保在任何地方都能够流畅地观看视频内容，无论是电视节目、现场直播等，都能够为观众提供高质量的观看体验。
三、 手机直连卫星详细介绍
“手机直连卫星”，简单来说，指的是通过普通消费级的智能手机，直接接入卫星通信网络。换句话说，您的手机不仅仅能连接到传统的蜂窝网络，而且还可以直接连接到卫星网络，确保您无论身处何地，都能享受到稳定、高速的网络连接。
但在此之前，我们观察到大部分卫星通信设备，与我们日常使用的手机差异较大。例如，许多这类设备需要一根长天线，体积较大，而且操作系统和用户体验并不如现代智能手机那般友好。
尽管技术在发展，更为先进、便携的卫星通信设备层出不穷，但要想真正达到服务广大消费者的普及程度，这些设备必须满足两个关键条件：
便携性：设备必须轻巧，无需长天线或其他繁琐的附件。
友好的用户体验：操作系统和界面应与当前的主流智能手机相匹敌，确保用户无需为了使用卫星通信服务而牺牲他们所习惯的手机体验。
最后，消费者对手机的期望已经被设定得相当高。任何新技术，尤其是卫星通信，要想被广泛接受，必须满足这些期望，而不能低于这个标准。
（一）实现手机直连卫星的要素
1. 终端技术要求：
要实现手机直连卫星，对手机技术的要求是非常高的。比如，我们常用的手机的功率通常只有200毫瓦，即23dBm，这比传统的卫星手机的功率要小得多，差不多只有其十分之一。此外，用户还希望这些手机能保持轻薄，同时满足高效的散热需求。
2. 系统建设的要求：
建立能够支持智能手机直连卫星的系统，不仅仅需要终端技术的突破，还需要对整个系统进行大量工作，包括频率使用、协议设计以及实现星地一体化的协同工作等。这些工作不仅仅是技术性的，也涉及到大量的策略和管理决策。
3. 运营管理与市场服务：
在技术上实现星地一体化后，接下来需要思考的是如何进行有效的运营管理。我们需要考虑如何利用智能手机的地面终端产业链来推进这一技术，以及如何带动消费级大众应用市场。
想要真正实现星地一体化，不仅仅需要先进的技术，策略、管理和市场因素也不可忽视。
（二）手机直连卫星的技术路径
1. 利用现有移动通信系统：
目前，一些业内专家已达成共识，认为可以首先利用已有的移动通信系统，例如天通系统，它可以直接集成到手机中，形成一个多模终端。由于这一模式已经拥有现成的系统，因此它被认为是最快速投入市场的方式。众多地面手机终端制造商也大多采用这种模式。例如，苹果与全球星合作，直接将该系统集成到手机的多模终端中。
2. 地面终端不动，改动卫星系统：
对于一些卫星制造商而言，更倾向于采用第二种模式，即不改变地面终端，但优化卫星系统。他们希望最大化利用已有的手机市场，并只在卫星上进行必要的改动升级，例如增大卫星的天线尺寸，使其更适应地面信号接收。
3. 两边都优化：
第三种模式是在地面终端和卫星系统两边都进行优化，旨在达到整体性能的最佳状态。这种模式无疑是未来的发展趋势。综合优化地面和空中系统，将为用户带来更加稳定和高效的通信体验。
在探索手机智联的未来，不同的路径都应该被考虑和尝试。每一种模式都有其独特之处，需要我们综合评估并不断尝试，确保手机智联的持续和高效发展。
03 手机直连卫星的技术挑战
一、国内情况
在通信和雷达应用中，由于终端技术的高要求，AST及其他国际企业都选择在天线上进行技术升级和优化，以确保其能够支持地面手机和其他应用的需求。
近年来，我国在相控阵天线技术的研发上取得了一些进展，国内研制了雷达用的大面积单波束相控阵天线，解决了大面积星载雷达天线、太阳翼等大型结构的收展问题。
但国内在“超轻超薄多波束超宽带相控阵天线、高收纳比大面积二维展开相控阵机构、通信用超大型天线在轨测量和主动控制、商业化通信星座的超低成本相控阵天线制造”等方面，技术基础仍任重道远。
二、 相控阵天线的功能需求和实施难点
1. 功能需求
（1）阵面面积要求：
数十甚至超过百平米的阵面面积：在卫星通信中，天线的面积与其接收和发送的信号强度密切相关。一个较大的天线面积可以提供更强的信号增益，从而实现更远距离的通信和更高的数据速率。
图为：蓝行者3号位于工厂地面和太空中 图源：AST官网
（2）星体一体收拢功能：
运载整流罩包络需求：为了有效地发射卫星，需要最大化利用火箭的内部空间。如果天线可以与卫星体紧凑地收拢，那么它就可以在较小的火箭内部空间中进行部署，从而节省发射成本。
（3）入轨后解锁、二维协同展开与锁定：
解锁和展开：天线需要一个可靠的机制来在卫星到达轨道后快速并准确地展开。这给机械工程带来了挑战，例如：如何设计一个在极端空间条件下可靠工作的展开系统。
（4）重构功能：
动态对地覆盖：随着卫星在其轨道上的移动，地面上的覆盖区域也会变化。为了确保连续且高质量的覆盖，天线需要能够动态地重构其波束。
（5）在轨检测与补偿功能：
另外，相控阵天线还需解决展开时精度不足或者高低温引起的形变的检测和补偿。
2. 实施难点
（1）超轻阵面：
天线减重设计：为了确保卫星的总体重量在可接受范围内，天线材料和设计都需要进行优化，以达到轻量化的要求。
阵面与收发组件（Transmitter and Receiver，简称T/R）的一体化设计：技术与接收器的集成可以进一步减少重量和复杂性。
高集成收发芯片设计：更高的集成度可以减少卫星上所需的硬件数量，从而减轻重量。
（2）超大面积：
锁紧释放机制：确保天线在发射和部署过程中稳定。
二维协同展开技术：考虑如何同步展开大面积的天线，而不会导致结构上的问题或失效。
阵面精度保证：保证大面积天线的表面平整，以确保信号质量。
在轨功能的标定与校准：确保卫星在轨道上正常运行，并在其生命周期内持续提供高质量的服务。
（3）超低成本：
巨量芯片：大规模生产可以降低单件成本。
模块化阵面设计：模块化设计可以简化制造过程，提高生产效率，从而降低成本。
低成本的设计策略：优化设计流程和选择更经济的材料。
工业化量产：通过优化生产线和自动化，进一步降低单位成本。
本文内容根据银河航天高级总监林广荣在2023中国无线电大会中的主题演讲（节选）整理编辑，银河航天频轨技术总监杨文翰对本文亦有贡献。
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