根据 12 月 13 日的媒体消息,民营航天公司“银河航天“宣布已经制造完成首颗 5G 卫星,预计将于年内在甘肃酒泉卫星发射基地发射,发射任务由航天科工快舟系列运载火箭承担。
该 5G 卫星为低轨宽带卫星,轨道高度 1200Km,具备广覆盖、低时延、高流量、全空间的优势,是全球首颗 Q/V 频段的低轨宽带卫星。卫星升空运行后,可提供 10Gbps 带宽 5G 通讯能力,覆盖 30 万平方公里,相当于大约 50 个上海市的面积。根据“银河航天“的规划,整个 5G 卫星形成真正网络的覆盖需要 3 年左右的时间,第一批星座目前的设计是 144 颗卫星,然后会升级到 800 多颗卫星,再升级到 2800 多颗卫星。分析师普遍认为,低轨通信卫星已经解决了主要的技术难题,这是 6G 时代开始的标志,尽管目前 5G 移动通信网络已经开始建设,并提供服务,但 5G 全球网络的覆盖面临着巨大的挑战,地面基站很难覆沙漠、海洋等所有区域,低轨宽带通信卫星可以解决全球网络覆盖和接入的难题,有望让全球处于信息贫困的 40 亿人畅享网络世界。
阅读本文之前,请问自己以下几个问题:
什么是第一宇宙速度?
通信卫星都是同步卫星么?
通信卫星的高度有多高?
这么远的距离,为什么卫星的通信频率还高达几十 GHz?
注意,上面新闻稿中画红色标注部分为考点,但局限在高中物理知识,绝不超纲。
首先,这篇新闻稿中提到的卫星,虽然被称为“5G 卫星”,但其实跟移动通信领域里的 5G,并无直接关系,卫星通信和蜂窝移动通信,虽然都是基础电信业务的两个分支,专业性差别很大,属于不同的领域。
比如中国卫通,也获得了基础电信业务经营许可证,是除了电信、联通、移动、广电之外,为数不多的持牌机构。虽然基础电信业务范围中涵盖了固定通信和移动蜂窝通信,但术业有专攻,中国卫通只会在全国范围内经营卫星通信业务。
至于 6G,也只是处于遥远的想象之中,目前 5G 尚未大规模商用,对于 6G,更是连具体的概念尚未明确。不过普遍接受的一种说法是,6G 将是一个“天地一体”网络,“5G+卫星网络(通导遥)”,即在 5G 蜂窝移动网络的基础上,集成卫星网络来实现全球覆盖。
从无线通信频段划分角度看,“5G 卫星”和 5G 蜂窝移动通信也是有区别的,我们用的 5G,工作频段在 5GHz 以下,比如,中国电信获得的 5G 频段为 3．4-3．5GHz;中国联通获得的 5G 频段为 3．5-3．6Ghz;中国移动获得的 5G 频段为 2515-2675Mhz 及 4．8-4．9Ghz。
卫星的通信频率一般都在 5GHz 以上,C 频段(4-8GHz),Ku 频段(12-18GHz),Ka 频段(27-40GHz)……而此次即将发射的“5G 卫星”,则工作在更高的 Q/V 频段,这个 Q/V 频段有多高呢?
30-75GHz。
因此,但从工作频率看,“5G 卫星”中的 5G,和 5G 蜂窝移动通信中的 5G,并不是一回事。
其实,笔者一直以来对于卫星通信的大众化应用并不是持乐观态度。一个原因是,从事风险投资这么多年来,听多了融资大忽悠天天鼓吹“发射 WiFi 卫星”;另一个原因,是受上世纪 90 年代的“铱星计划”失败影响,形成了一个根深蒂固的观念。
铱星计划是 1990 年由摩托罗拉提出,计划发射 77 颗近地卫星,组成卫星通信星群,实现全球无缝通信。由于金属元素铱有 77 个电子,这项计划就被称为了“铱星计划”。
然而,铱星计划付诸实施之后,耗资 50 亿美元,1998 年投入使用,2000 年就宣告破产,最后以 2500 万美元的价格出售。
除了以上两个原因,还有一个重要的偏见,就是按照蜂窝移动通信的原理,很多通信原理常识,似乎跟卫星通信好像有冲突,比如频率的问题。
我们依据常识,频率越低,穿透性越强,越容易传播。
比如我们听广播的 CRI 的 FM 91．5MHz,覆盖范围可以达到几百公里,即便我们在小山沟沟里,捧着心爱的德生牌收音机,都可以接收到节目信号,再不济,把天线拉的长长的,总能断断续续收听节目。
而再高的频率,比如我们的 2G、3G、4G 移动通信,频率范围在 400MHz ～ 3GHz, 覆盖范围最多几十公里,在偏远一点儿的地方,打通电话就有点儿困难了。
而卫星通信的工资频率,高达 40GHz!
就算低轨的通信卫星,高度也在几百公里,上千公里,比如此次的“5G 卫星”,轨道高度为 1200 公里!而对于最常见的同步通信卫星,轨道高度更是高达 35786 公里!这么远的传播距离,这么高的工作频率,似乎与常识不符。
其实,这确实是被传统的地面移动通信误导了。
在地球空间领域,有这么一个区域,叫做电离层,大概范围是从离地面约 50 公里 -1000 公里高度的空间区域。电离层存在相当多的自由电子和离子,会对无线电波形成干扰,发生折射、反射和散射等。只有高频的微波、毫米波,才能不受干扰地直接穿透电离层。
所以,卫星通信采用高频无线电波,也是不得已的选择,即便低频无线电有更好的穿透性、抗干扰能力,也不适用于卫星通信。
至于高频无线电波会在传播过程中发生高损耗,也只能通过其他方式来弥补,比如提高发射功率,将天线由全向改为定向,以提高发射和接受的增益……
反正卫星和地面接收站之间很少有遮拦,一大片空旷的天空,实现定向天线也不是不可能。
而地面移动通信就不行了,就算不考虑山啊、楼宇啊、树木啊的遮挡,至少地球还是圆的呢!
如果这么来看,移动通信卫星似乎还是可以实现并普及的,为什么“铱星计划”会破产呢?
注意,我们高中物理中有这么一个常识性的知识点,那就是“通信卫星都是同步卫星”,至少在我上学那会儿,选择题里有这么一项,是要按照正确答案来选择的。
按照卫星轨道高度的不同,通信卫星可以分为低轨通信卫星(LEO)、中轨通信卫星(MEO)和高轨地球同步通信卫星(GEO)。LEO 卫星轨道高度 500km～2000km,MEO 卫星轨道高度 2000km～36000km,GEO 卫星轨道高度为 36000km。
所谓同步卫星,运行于赤道上空,高度为 35786 公里,运行一周为 24 小时,因此,从地球表面来看,这颗卫星相对于地球是静止的,因此也就很容易捕获卫星信号。一般来说,三颗同步通信卫星,就可以覆盖地球大部分的面积。
而“铱星计划”的卫星,则属于低轨卫星,远远低于同步卫星的 36000 公里的高度。
低轨卫星具有地面高度的优势,但也有一个很重要的劣势,那就是速度极快!这时,我们需要回忆一下“第一宇宙速度”——7．9km/s,这是近地卫星的最高环绕速度。随着卫星高度增加,环绕速度也会降低,到了 36000 公里的同步卫星,运行速度降到 3．08km/s。
也就是说,低轨卫星的运行速度在 3．08km/s-7．9km/s 之间。
这么快的速度,就算移动通信也不是这么移动的啊,你在高铁上,速度也不过 350km/ 小时,打通电话都费劲儿。想象一下,头顶上有个 5km/s 的卫星从你头上掠过,也许没等你掏出手机,信号就消失了……
特别是非同步卫星,位置不固定,要捕获这颗卫星的信号,都很麻烦。
而要实现无障碍的卫星通信,就必须要发射多颗卫星,实现卫星组网,比如本篇开头的“银河航天”,就号称要升级到 2800 多颗卫星,把地球表面发射的密密麻麻。
在通信过程中,一旦与你手机链接的卫星要飞出通信范围,就可以快速切换到另一颗离你更近的卫星,这样才能保证不掉线。
但是,如此高频、高效的处理能力,在 90 年代的“铱星计划”时期,是很难实现的,这也是“铱星计划”失败的主要原因。
随着通信技术、微电子技术的飞速发展,卫星组网等问题都得到解决,“新铱星计划”也开始浮出水面。
近年来波音、空客、亚马逊、Google、Facebook、SpaceX 等高科技企业纷纷投资低轨卫星通信领域,目标是实现全球互联网覆盖,未来五年内将有 20000 余颗低轨卫星进入太空。
特别是马斯克的 SpaceX 火箭成功回收,大大降低了卫星发射成本,为大量的低轨通信卫星上天铺平了道路。
至于“5G 卫星”的覆盖范围,文中提及,“覆盖 30 万平方公里,相当于大约 50 个上海市的面积。”但是,这个覆盖只是理论值,30 万平方公里的地界上,就算不考虑卫星切换因素,一颗卫星也无法支撑。
特别是考虑到高频、定向发射的问题,要实现大范围、高容量的接入覆盖,还是很困难的。
最合适的解决办法,就是“卫星组网+地面接收组网”的方式,通过地面接收站和地面中继的方式,实现无死角的信号接收。
最后谈谈为什么国外公司这么热心于低轨通信卫星,其中一个很大原因就是抢夺资源,特别是轨道和频谱资源,都是不可再生的。
轨道好理解,空间毕竟是有限的,卫星和卫星之间也要保持一定的安全空间。
而频率资源,太空无国界,一个国家的卫星,其实大部分时间都运行在别的国家上空。由于频率资源是一种有限的、不可再生的自然资源,频率资源的获取不是一个国家能主宰的,各国都必须依据国际电联制定的规则进行开发利用,频率轨道的使用必须进行国际协调。
所以,涉及到卫星通信领域的频谱划分,别人抢到了,留给你的就会越来越少,剩下的也都是些边角料。
