民營(yíng)航天公司“銀河航天“宣布已經(jīng)制造完成首顆 5G 衛(wèi)星，預(yù)計(jì)將于年內(nèi)在甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射，發(fā)射任務(wù)由航天科工快舟系列運(yùn)載火箭承擔(dān)。

該 5G 衛(wèi)星為低軌寬帶衛(wèi)星，軌道高度 1200Km，具備廣覆蓋、低時(shí)延、高流量、全空間的優(yōu)勢(shì)，是全球首顆 Q/V 頻段的低軌寬帶衛(wèi)星。衛(wèi)星升空運(yùn)行后，可提供 10Gbps 帶寬 5G 通訊能力，覆蓋 30 萬平方公里，相當(dāng)于大約 50 個(gè)上海市的面積。根據(jù)“銀河航天“的規(guī)劃，整個(gè) 5G 衛(wèi)星形成真正網(wǎng)絡(luò)的覆蓋需要 3 年左右的時(shí)間，第一批星座目前的設(shè)計(jì)是 144 顆衛(wèi)星，然后會(huì)升級(jí)到 800 多顆衛(wèi)星，再升級(jí)到 2800 多顆衛(wèi)星。分析師普遍認(rèn)為，低軌通信衛(wèi)星已經(jīng)解決了主要的技術(shù)難題，這是 6G 時(shí)代開始的標(biāo)志，盡管目前 5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始建設(shè)，并提供服務(wù)，但 5G 全球網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面臨著巨大的挑戰(zhàn)，地面基站很難覆沙漠、海洋等所有區(qū)域，低軌寬帶通信衛(wèi)星可以解決全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋和接入的難題，有望讓全球處于信息貧困的 40 億人暢享網(wǎng)絡(luò)世界。

閱讀本文之前，請(qǐng)問自己以下幾個(gè)問題：

什么是第一宇宙速度?

通信衛(wèi)星都是同步衛(wèi)星么?

通信衛(wèi)星的高度有多高?

這么遠(yuǎn)的距離，為什么衛(wèi)星的通信頻率還高達(dá)幾十 GHz?

注意，上面新聞稿中畫紅色標(biāo)注部分為考點(diǎn)，但局限在高中物理知識(shí)，絕不超綱。

首先，這篇新聞稿中提到的衛(wèi)星，雖然被稱為“5G 衛(wèi)星”，但其實(shí)跟移動(dòng)通信領(lǐng)域里的 5G，并無直接關(guān)系，衛(wèi)星通信和蜂窩移動(dòng)通信，雖然都是基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)的兩個(gè)分支，專業(yè)性差別很大，屬于不同的領(lǐng)域。

比如中國(guó)衛(wèi)通，也獲得了基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)許可證，是除了電信、聯(lián)通、移動(dòng)、廣電之外，為數(shù)不多的持牌機(jī)構(gòu)。雖然基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)范圍中涵蓋了固定通信和移動(dòng)蜂窩通信，但術(shù)業(yè)有專攻，中國(guó)衛(wèi)通只會(huì)在全國(guó)范圍內(nèi)經(jīng)營(yíng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。

至于 6G，也只是處于遙遠(yuǎn)的想象之中，目前 5G 尚未大規(guī)模商用，對(duì)于 6G，更是連具體的概念尚未明確。不過普遍接受的一種說法是，6G 將是一個(gè)“天地一體”網(wǎng)絡(luò)，“5G+衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(通導(dǎo)遙)”，即在 5G 蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，集成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

從無線通信頻段劃分角度看，“5G 衛(wèi)星”和 5G 蜂窩移動(dòng)通信也是有區(qū)別的，我們用的 5G，工作頻段在 5GHz 以下，比如，中國(guó)電信獲得的 5G 頻段為 3.4-3.5GHz;中國(guó)聯(lián)通獲得的 5G 頻段為 3.5-3.6Ghz;中國(guó)移動(dòng)獲得的 5G 頻段為 2515-2675Mhz 及 4.8-4.9Ghz。

衛(wèi)星的通信頻率一般都在 5GHz 以上，C 頻段(4-8GHz)，Ku 頻段(12-18GHz)，Ka 頻段(27-40GHz)……而此次即將發(fā)射的“5G 衛(wèi)星”，則工作在更高的 Q/V 頻段，這個(gè) Q/V 頻段有多高呢?

30-75GHz。

因此，但從工作頻率看，“5G 衛(wèi)星”中的 5G，和 5G 蜂窩移動(dòng)通信中的 5G，并不是一回事。

其實(shí)，筆者一直以來對(duì)于衛(wèi)星通信的大眾化應(yīng)用并不是持樂觀態(tài)度。一個(gè)原因是，從事風(fēng)險(xiǎn)投資這么多年來，聽多了融資大忽悠天天鼓吹“發(fā)射 WiFi 衛(wèi)星”;另一個(gè)原因，是受上世紀(jì) 90 年代的“銥星計(jì)劃”失敗影響，形成了一個(gè)根深蒂固的觀念。

銥星計(jì)劃是 1990 年由摩托羅拉提出，計(jì)劃發(fā)射 77 顆近地衛(wèi)星，組成衛(wèi)星通信星群，實(shí)現(xiàn)全球無縫通信。由于金屬元素銥有 77 個(gè)電子，這項(xiàng)計(jì)劃就被稱為了“銥星計(jì)劃”。

然而，銥星計(jì)劃付諸實(shí)施之后，耗資 50 億美元，1998 年投入使用，2000 年就宣告破產(chǎn)，最后以 2500 萬美元的價(jià)格出售。

除了以上兩個(gè)原因，還有一個(gè)重要的偏見，就是按照蜂窩移動(dòng)通信的原理，很多通信原理常識(shí)，似乎跟衛(wèi)星通信好像有沖突，比如頻率的問題。

我們依據(jù)常識(shí)，頻率越低，穿透性越強(qiáng)，越容易傳播。

比如我們聽廣播的 CRI 的 FM 91.5MHz，覆蓋范圍可以達(dá)到幾百公里，即便我們?cè)谛∩綔蠝侠?，捧著心愛的德生牌收音機(jī)，都可以接收到節(jié)目信號(hào)，再不濟(jì)，把天線拉的長(zhǎng)長(zhǎng)的，總能斷斷續(xù)續(xù)收聽節(jié)目。

而再高的頻率，比如我們的 2G、3G、4G 移動(dòng)通信，頻率范圍在 400MHz ~ 3GHz， 覆蓋范圍最多幾十公里，在偏遠(yuǎn)一點(diǎn)兒的地方，打通電話就有點(diǎn)兒困難了。

而衛(wèi)星通信的工資頻率，高達(dá) 40GHz!

就算低軌的通信衛(wèi)星，高度也在幾百公里，上千公里，比如此次的“5G 衛(wèi)星”，軌道高度為 1200 公里!而對(duì)于最常見的同步通信衛(wèi)星，軌道高度更是高達(dá) 35786 公里!這么遠(yuǎn)的傳播距離，這么高的工作頻率，似乎與常識(shí)不符。

其實(shí)，這確實(shí)是被傳統(tǒng)的地面移動(dòng)通信誤導(dǎo)了。

在地球空間領(lǐng)域，有這么一個(gè)區(qū)域，叫做電離層，大概范圍是從離地面約 50 公里 -1000 公里高度的空間區(qū)域。電離層存在相當(dāng)多的自由電子和離子，會(huì)對(duì)無線電波形成干擾，發(fā)生折射、反射和散射等。只有高頻的微波、毫米波，才能不受干擾地直接穿透電離層。

所以，衛(wèi)星通信采用高頻無線電波，也是不得已的選擇，即便低頻無線電有更好的穿透性、抗干擾能力，也不適用于衛(wèi)星通信。

至于高頻無線電波會(huì)在傳播過程中發(fā)生高損耗，也只能通過其他方式來彌補(bǔ)，比如提高發(fā)射功率，將天線由全向改為定向，以提高發(fā)射和接受的增益……

反正衛(wèi)星和地面接收站之間很少有遮攔，一大片空曠的天空，實(shí)現(xiàn)定向天線也不是不可能。

而地面移動(dòng)通信就不行了，就算不考慮山啊、樓宇啊、樹木啊的遮擋，至少地球還是圓的呢!

如果這么來看，移動(dòng)通信衛(wèi)星似乎還是可以實(shí)現(xiàn)并普及的，為什么“銥星計(jì)劃”會(huì)破產(chǎn)呢?

注意，我們高中物理中有這么一個(gè)常識(shí)性的知識(shí)點(diǎn)，那就是“通信衛(wèi)星都是同步衛(wèi)星”，至少在我上學(xué)那會(huì)兒，選擇題里有這么一項(xiàng)，是要按照正確答案來選擇的。

按照衛(wèi)星軌道高度的不同，通信衛(wèi)星可以分為低軌通信衛(wèi)星(LEO)、中軌通信衛(wèi)星(MEO)和高軌地球同步通信衛(wèi)星(GEO)。LEO 衛(wèi)星軌道高度 500km~2000km，MEO 衛(wèi)星軌道高度 2000km~36000km，GEO 衛(wèi)星軌道高度為 36000km。

所謂同步衛(wèi)星，運(yùn)行于赤道上空，高度為 35786 公里，運(yùn)行一周為 24 小時(shí)，因此，從地球表面來看，這顆衛(wèi)星相對(duì)于地球是靜止的，因此也就很容易捕獲衛(wèi)星信號(hào)。一般來說，三顆同步通信衛(wèi)星，就可以覆蓋地球大部分的面積。

而“銥星計(jì)劃”的衛(wèi)星，則屬于低軌衛(wèi)星，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同步衛(wèi)星的 36000 公里的高度。

低軌衛(wèi)星具有地面高度的優(yōu)勢(shì)，但也有一個(gè)很重要的劣勢(shì)，那就是速度極快!這時(shí)，我們需要回憶一下“第一宇宙速度”——7.9km/s，這是近地衛(wèi)星的最高環(huán)繞速度。隨著衛(wèi)星高度增加，環(huán)繞速度也會(huì)降低，到了 36000 公里的同步衛(wèi)星，運(yùn)行速度降到 3.08km/s。

也就是說，低軌衛(wèi)星的運(yùn)行速度在 3.08km/s-7.9km/s 之間。

這么快的速度，就算移動(dòng)通信也不是這么移動(dòng)的啊，你在高鐵上，速度也不過 350km/ 小時(shí)，打通電話都費(fèi)勁兒。想象一下，頭頂上有個(gè) 5km/s 的衛(wèi)星從你頭上掠過，也許沒等你掏出手機(jī)，信號(hào)就消失了……

特別是非同步衛(wèi)星，位置不固定，要捕獲這顆衛(wèi)星的信號(hào)，都很麻煩。

而要實(shí)現(xiàn)無障礙的衛(wèi)星通信，就必須要發(fā)射多顆衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)，比如本篇開頭的“銀河航天”，就號(hào)稱要升級(jí)到 2800 多顆衛(wèi)星，把地球表面發(fā)射的密密麻麻。

在通信過程中，一旦與你手機(jī)鏈接的衛(wèi)星要飛出通信范圍，就可以快速切換到另一顆離你更近的衛(wèi)星，這樣才能保證不掉線。

但是，如此高頻、高效的處理能力，在 90 年代的“銥星計(jì)劃”時(shí)期，是很難實(shí)現(xiàn)的，這也是“銥星計(jì)劃”失敗的主要原因。

隨著通信技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星組網(wǎng)等問題都得到解決，“新銥星計(jì)劃”也開始浮出水面。

近年來波音、空客、亞馬遜、Google、Facebook、SpaceX 等高科技企業(yè)紛紛投資低軌衛(wèi)星通信領(lǐng)域，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)覆蓋，未來五年內(nèi)將有 20000 余顆低軌衛(wèi)星進(jìn)入太空。

特別是馬斯克的 SpaceX 火箭成功回收，大大降低了衛(wèi)星發(fā)射成本，為大量的低軌通信衛(wèi)星上天鋪平了道路。

至于“5G 衛(wèi)星”的覆蓋范圍，文中提及，“覆蓋 30 萬平方公里，相當(dāng)于大約 50 個(gè)上海市的面積。”但是，這個(gè)覆蓋只是理論值，30 萬平方公里的地界上，就算不考慮衛(wèi)星切換因素，一顆衛(wèi)星也無法支撐。

特別是考慮到高頻、定向發(fā)射的問題，要實(shí)現(xiàn)大范圍、高容量的接入覆蓋，還是很困難的。

最合適的解決辦法，就是“衛(wèi)星組網(wǎng)+地面接收組網(wǎng)”的方式，通過地面接收站和地面中繼的方式，實(shí)現(xiàn)無死角的信號(hào)接收。

最后談?wù)劄槭裁磭?guó)外公司這么熱心于低軌通信衛(wèi)星，其中一個(gè)很大原因就是搶奪資源，特別是軌道和頻譜資源，都是不可再生的。

軌道好理解，空間畢竟是有限的，衛(wèi)星和衛(wèi)星之間也要保持一定的安全空間。

而頻率資源，太空無國(guó)界，一個(gè)國(guó)家的衛(wèi)星，其實(shí)大部分時(shí)間都運(yùn)行在別的國(guó)家上空。由于頻率資源是一種有限的、不可再生的自然資源，頻率資源的獲取不是一個(gè)國(guó)家能主宰的，各國(guó)都必須依據(jù)國(guó)際電聯(lián)制定的規(guī)則進(jìn)行開發(fā)利用，頻率軌道的使用必須進(jìn)行國(guó)際協(xié)調(diào)。

所以，涉及到衛(wèi)星通信領(lǐng)域的頻譜劃分，別人搶到了，留給你的就會(huì)越來越少，剩下的也都是些邊角料。