首顆5G衛(wèi)星成功上天將帶來什么意義

民營航天公司“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載火箭承擔。

該 5G 衛(wèi)星為低軌寬帶衛(wèi)星，軌道高度 1200Km，具備廣覆蓋、低時延、高流量、全空間的優(yōu)勢，是全球首顆 Q/V 頻段的低軌寬帶衛(wèi)星。衛(wèi)星升空運行后，可提供 10Gbps 帶寬 5G 通訊能力，覆蓋 30 萬平方公里，相當于大約 50 個上海市的面積。根據(jù)“銀河航天“的規(guī)劃，整個 5G 衛(wèi)星形成真正網(wǎng)絡(luò)的覆蓋需要 3 年左右的時間，第一批星座目前的設(shè)計是 144 顆衛(wèi)星，然后會升級到 800 多顆衛(wèi)星，再升級到 2800 多顆衛(wèi)星。分析師普遍認為，低軌通信衛(wèi)星已經(jīng)解決了主要的技術(shù)難題，這是 6G 時代開始的標志，盡管目前 5G 移動通信網(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，請問自己以下幾個問題：

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？

這么遠的距離，為什么衛(wèi)星的通信頻率還高達幾十 GHz？

注意，上面新聞稿中畫紅色標注部分為考點，但局限在高中物理知識，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”，但其實跟移動通信領(lǐng)域里的 5G，并無直接關(guān)系，衛(wèi)星通信和蜂窩移動通信，雖然都是基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)的兩個分支，專業(yè)性差別很大，屬于不同的領(lǐng)域。

比如中國衛(wèi)通，也獲得了基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)經(jīng)營許可證，是除了電信、聯(lián)通、移動、廣電之外，為數(shù)不多的持牌機構(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蜂窩通信，但術(shù)業(yè)有專攻，中國衛(wèi)通只會在全國范圍內(nèi)經(jīng)營衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。

至于 6G，也只是處于遙遠的想象之中，目前 5G 尚未大規(guī)模商用，對于 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“天地一體”網(wǎng)絡(luò)，“5G+衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（通導(dǎo)遙）”，即在 5G 蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，集成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來實現(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，中國電信獲得的 5G 頻段為 3.4-3.5GHz;中國聯(lián)通獲得的 5G 頻段為 3.5-3.6Ghz;中國移動獲得的 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 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 蜂窩移動通信中的 5G，并不是一回事。

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

銥星計劃是 1990 年由摩托羅拉提出，計劃發(fā)射 77 顆近地衛(wèi)星，組成衛(wèi)星通信星群，實現(xiàn)全球無縫通信。由于金屬元素銥有 77 個電子，這項計劃就被稱為了“銥星計劃”。

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

除了以上兩個原因，還有一個重要的偏見，就是按照蜂窩移動通信的原理，很多通信原理常識，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，頻率越低，穿透性越強，越容易傳播。

比如我們聽廣播的 CRI 的 FM 91.5MHz，覆蓋范圍可以達到幾百公里，即便我們在小山溝溝里，捧著心愛的德生牌收音機，都可以接收到節(jié)目信號，再不濟，把天線拉的長長的，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 移動通信，頻率范圍在 400MHz ~ 3GHz， 覆蓋范圍最多幾十公里，在偏遠一點兒的地方，打通電話就有點兒困難了。

而衛(wèi)星通信的工資頻率，高達 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！而對于最常見的同步通信衛(wèi)星，軌道高度更是高達 35786 公里！這么遠的傳播距離，這么高的工作頻率，似乎與常識不符。

其實，這確實是被傳統(tǒng)的地面移動通信誤導(dǎo)了。

在地球空間領(lǐng)域，有這么一個區(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。電離層存在相當多的自由電子和離子，會對無線電波形成干擾，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在傳播過程中發(fā)生高損耗，也只能通過其他方式來彌補，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，實現(xiàn)定向天線也不是不可能。

而地面移動通信就不行了，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，移動通信衛(wèi)星似乎還是可以實現(xiàn)并普及的，為什么“銥星計劃”會破產(chǎn)呢？

注意，我們高中物理中有這么一個常識性的知識點，那就是“通信衛(wèi)星都是同步衛(wèi)星”，至少在我上學(xué)那會兒，選擇題里有這么一項，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，運行于赤道上空，高度為 35786 公里，運行一周為 24 小時，因此，從地球表面來看，這顆衛(wèi)星相對于地球是靜止的，因此也就很容易捕獲衛(wèi)星信號。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“銥星計劃”的衛(wèi)星，則屬于低軌衛(wèi)星，遠遠低于同步衛(wèi)星的 36000 公里的高度。

低軌衛(wèi)星具有地面高度的優(yōu)勢，但也有一個很重要的劣勢，那就是速度極快！這時，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)繞速度也會降低，到了 36000 公里的同步衛(wèi)星，運行速度降到 3.08km/s。

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

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

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，都很麻煩。

而要實現(xiàn)無障礙的衛(wèi)星通信，就必須要發(fā)射多顆衛(wèi)星，實現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)，比如本篇開頭的“銀河航天”，就號稱要升級到 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“銥星計劃”時期，是很難實現(xiàn)的，這也是“銥星計劃”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，目標是實現(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，相當于大約 50 個上海市的面積?！钡牵@個覆蓋只是理論值，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，實現(xiàn)無死角的信號接收。

最后談?wù)劄槭裁磭夤具@么熱心于低軌通信衛(wèi)星，其中一個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，太空無國界，一個國家的衛(wèi)星，其實大部分時間都運行在別的國家上空。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國家能主宰的，各國都必須依據(jù)國際電聯(lián)制定的規(guī)則進行開發(fā)利用，頻率軌道的使用必須進行國際協(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，留給你的就會越來越少，剩下的也都是些邊角料。