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衛星通信新紀元?——Mate 50與iPhone 14的衛星通信技術

作者:ZongYu時間:2022-09-15來源:EEPW收藏

      近日,華為和Apple相繼舉行了新品發布會,華為時隔兩年在萬分困難的情況下發布了Mate系列的新產品系列,而Apple則是發布了iPhone的例行更新——系列。這兩場發布會不約而同的介紹了全新的功能——,一時間將這種技術拉入了大眾消費者的視野之中,雖然Apple和華為都提到了,但是其實現的最終效果和原理存在著些許不同,本篇筆者來淺談一下其中的原理。

本文引用地址:http://www.danielliew.com/article/202209/438231.htm


作為全球定位系統(Global Positioning System)的代名詞,美國的GPS系統自然是大眾第一個想到Apple所用的技術體系。但是Apple所使用的并不是大名鼎鼎的GPS系統,而是一家大眾并不熟悉的“小”公司——全球星(Globalstar)。這是一家總部位于美國路易斯安那州的衛星通信公司,它致力于提供“低價”的衛星服務,成為了和傳統衛星通信相區分的市場競爭力。并且,大名鼎鼎的高通公司是全球星最大的股東,本次 所使用的高通通信基帶X65就集成了對于全球星衛星通信下行通信頻段n53的支持。這家公司所使用的56顆通信衛星,其在軌高度為1414千米,以24000千米/小時的相對速度在地球上空環繞飛行,所以其單顆衛星的通信窗口在17分鐘左右,之后就要由后續衛星接替通信。

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Globalstar的近地軌道通信衛星

衛星導航技術在手機上我們已經應用了多年,而衛星通信技術,則是在今年才開始正式被應用,這之中的難點,不僅在于數據量的增大,還有就是硬件體積的限制,傳統的衛星通信天線體積很大,并且需要十分精準的對準衛星的方向才能收發信息,那么Apple與華為是如何在小小的手機中定位太空中高速移動的衛星,從而實現衛星通信功能的呢?其中的答案就是波束成形與定向天線陣列技術的應用。

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通過干涉來進行波束賦形


對于軍事感興趣的朋友對此應該不會太過陌生,所謂“波束成形與定向天線陣列技術”其實就是在軍事上大放異彩的相控陣天線技術。相位陣就是通過控制電磁波的相位差,利用電磁波的干涉現象來控制電磁波的發射方向的一種技術。在手機中,首先利用軟件來提示用戶將手機天線對準衛星大致方向,再用算法來控制電磁波束按照指定的方向傳播,這樣用戶就不用精確控制手機,而是由自動算法來為波束賦形,從而完成對于衛星的定位跟蹤,之后iPhone會基于衛星短報文,將手機的位置、海拔高度、電量、iPhone用戶的基礎疾病、遇險信息編碼后發送。但是需要指出的是Apple所使用的衛星連接模式為SEND信使鏈接模式,其與衛星的鏈接信號相對較弱,這就是為什么在發布會中,Apple所展示的,是要在開闊地域使用才可能達到Apple所宣傳的15秒信息發送時間。如果在環境復雜的地域,這一時間很有可能極大得被延長。那么,既然全球星擁有56顆通信衛星,其信號在理論上可以覆蓋從南緯70°到北緯70°的廣袤地區,但是為什么的衛星通信技術還是只能支持北美呢?這就要說到iPhone 14所采用的衛星通信模式了,彎管式透明轉發(CDMA)。

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彎管式透明轉發示意圖

顧名思義,其透明轉發的含義就是:衛星在太空中僅僅作為一面“鏡子”,將iPhone的短報文信息折射到對應的地面網關,期間不做任何的編碼操作,之后再由網關將對應的求救信息通過地面通信發送給對應的救助站進行救援。這種方式的缺點顯而易見,就是衛星必須能鏈接上地面網關,不然就算手機可以連接上衛星,發送的信息也最終無處可去,如果有星間鏈路,將信號經過多個衛星多跳轉發走,這個缺點或許可以被規避,但是很遺憾全球星并沒有這種功能。這種方式的優點也很明顯,就是便宜簡單,對于衛星的要求很低,所以衛星不用換代或是升級維護就能完成,要知道發射一顆新衛星的成本可是巨大的。通過查詢全球星的官方網站,可以發現,在中國地區只有一個位于北京的地面網關,但是還處于未啟用狀態,并且在全球,其網關目前覆蓋全面的地域也就只有美洲,也就不難理解為什么iPhone 14的對應功能只能支持北美地區使用了。

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全球星地面網關分布

必須說明的一點是,由于iPhone 14 衛星通信的下行頻率為n53在中國并沒有被批準給任何運營商使用,所以iPhone 14的國行版很可能在硬件上就不會支持衛星通信,這一點要請購買國行的iPhone 14用戶注意,就算地面網關建設完全,國行版的iPhone 14也有極大的可能不能使用衛星通信,所以在國內現階段(未來很久都有可能如此),對這個救命的關鍵功能有需要的朋友,唯一能選擇的只有華為。

2020年6月23日,北斗三號最后一顆全球組網衛星,在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭發射升空。經過了從上世紀80年代開始探索論證的北斗衛星導航計劃,經過了近40年的發展實踐,經過“三步走”的發展戰略,中國自主研發的北斗全球衛星導航系統正式完成全球組網。北斗星這個自遠古時起人們用來辨識方位的依據,自此被中國人用科學技術的手段,帶進了千萬人的生活。2022年9月,華為站在巨人的肩膀之上,推出了 系列。

華為Mate 50使用的衛星通信技術應該是基于北斗三號衛星的“區域短報文通信”,其使用了北斗三號的地球同步軌道衛星(GEO),其運行高度大約位于地面36000千米的地球同步軌道之中。對比iPhone 14所采用的Globalstar運行于1414千米高度的低軌道衛星,有著一定的優勢,但同時也存在一定的問題。由于是地球同步軌道衛星,衛星的位置于地球相對靜止,因此不需要對抗在相對于地面高速運動的衛星之中所產生的強大多普勒效應,既物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面,波被壓縮,波長變得較短,頻率變得較高;在運動的波源后面時,會產生相反的效應。但是,其劣勢也明顯存在,第一是:其36000千米的通信距離,會造成至少100ms以上的通信延遲;第二是:超遠的通信距離必然會造成其發射功率的上升。過高的發射功率會造成使用者的不安全,以及終端的過快耗電。目前看這兩個問題不算嚴重,畢竟mate50能用到北斗三短報文的機會,少之又少。

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北斗三號的看家本領是雙向的短報文通信能力,即:用戶既可以通過北斗衛星發送短報文聯系其他接收終端,反之也可以。這是一種類似于手機短信的衛星短報文通信。但是在Mate 50系列中,這項功能被極大的削弱了。Mate 50 只能發送消息,之后會接收到衛星的回執,以此來確定對方是否接收到了短報文。其閹割掉北斗雙向短報文功能的原因,首先的可能就是當今智能手機的體積并不能容下能解碼來自衛星的通信信息的硬件;其次,由于使用的是北斗地球同步軌道衛星,因此其軌道高度確定,在軌道高度一定的情況下,要保證信號不相互干擾,全世界只能有120顆同步衛星,衛星資源十分緊張,因此,一旦大量對社會用戶開放雙向短報文功能,很有可能使得北斗的其他服務受到影響(后續Mate 50 和iPhone 14的衛星通信會收取費用也都有對于衛星資源不足的原因在其中)。

不論是Apple的iPhone14,還是華為的Mate 50,其搭載的衛星通信功能都有其明顯的問題,而且對于99%的用戶來說,都是噱頭的性質占了多數,實際生活中并沒有多少用戶有機會體驗到。并且,兩種衛星通信的差異,并不是Mate 50和iPhone 14之間的區別,更多的是北斗衛星系統和全球星系統之間的差異。對于北斗來說,其民用LBS定位服務在信號良好的情況下,平均精度可以達到2.34米,最大誤差也不會超過10米;但是對于全球星系統來說,雖說衛星本身甚至支持語音信息的通信,但對于體積和功率都不高的手機來說,目前還只是天方夜譚,并且筆者并沒有找到關于其定位精度的數據描述,在環境相對復雜的戶外,多一米的定位精度很有可能對于求救人員來說就是生與死的距離,因此,再加上其主打的“低價”衛星服務,對于其定位精度對于北斗來說是否存在優勢,持懷疑態度。對于Apple來說,它所擁有的優勢,是在于對地圖的親自繪制,在地圖上擁有的第一手的信息,很有可能會增強其定位的準確性,但目前還只是筆者的猜測??偨Y來講,如果是沖著衛星通信的功能而選擇手機,大可不必,您更應該關注的是戶外三防手機或是真正




關鍵詞: Mate 50 iPhone 14 衛星通信

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