一條北斗短報文20年後終於裝進華為手機

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智能手機的下一個戰場在天上。

想象一下一個極端情況：當你身處在一個人跡罕及的無人區探險，突然丟失了手機信號，隨着時間推移食物逐漸減少，備用方案用盡，你開始變得絕望。這時候，一部直連衛星的終端設備可能會是你最後的救命裝備。

與傳統的智能手機不同，衛星通信的終端設備意味着它可以直連衛星。我們知道智能手機的通信主要依賴地面的手機信號基站廣播，而衛星通信意味着“將手機基站直接掛在了衛星上”。手機直連衛星，在衛星覆蓋範圍內的全國各地都可以隨時發送求救短信。

9月6日，華為宣布Mate 50正式成為全球首款支持北斗衛星消息的大眾智能手機。華為利用“北斗三號”系統（第三代北斗系統）短報文功能，並在技術體制上進行全面升級，實現讓衛星通信進入大眾智能手機，為更多人在特殊環境下提供更有安全保障的服務。這一技術也入選了《南方周末》評選的“2022中國十大高燃瞬間”。

從其所提供的功能上來說，華為Mate 50雖然仍然不能完全替代專業的衛星手持電話，它不能進行雙向即時的衛星通話，僅提供短報文服務——即發送一條19個字以內的短消息求救。但更重要的意義在於——北斗衛星20載，技術能力不斷提升，終於有一款大眾消費的智能產品提高了北斗衛星消息的可用性，最終實現把衛星終端“裝”進兜里。

這次在華為手機創新科技媒體溝通會上我們也有機會與華為終端BG手機產品線副總裁李小龍面對面交流，來聊聊華為這條短報文背後的故事。

北斗20年，終成天地一體化通信系統

支撐華為Mate 50“捅破天”技術的，正是我國的北斗衛星系統。

聽到天上運行的衛星系統，更多的想到大國重器，更像是軍事利器，其實，衛星系統對於民用也有着非常大的市場。目前世界上存在四大衛星系統，除了最熟悉的美國的GPS，還有俄羅斯的GLONASS，歐洲的伽利略，中國的北斗衛星系統也一直在努力探索和發展。

我國北斗系統自1994年開始攻關研發，2000年首次發射試驗衛星，距今也已經20餘年的時間。不過，自2003年初步建成我國第一代北斗衛星導航定位試驗系統時，北斗一代具有基本的定位、授時和短報文通信功能。

這裡可以科普兩個概念：無源定位和有源定位。雖然北斗和已經把定位刻在腦子裡的GPS的一樣，提供的是基礎的定位服務，但受限於當時國家技術，資金以及本身的運行效率的問題，採用了有源定位的機制——即地面用戶在嘗試使用地位服務時，需要先發送一個請求給衛星，然後接受定位信息。而後者GPS則採用無源定位，衛星主動發送，而地面用戶終端只負責接受，直接得到坐標。

必須得承認，一代北斗需要發送請求，從技術上看定位精度也要比當時的GPS差上不少。不過這種主動請求帶接收的技術設計方式也誕生了北斗短報文這種衛星通信的應用功能。

第一代北斗衛星系統解決的是“從無到有”的問題，二代北斗衛星系統解決“從有到優”。在北斗一代基礎上，14顆衛星組成形成了北斗二代區域導航定位系統，2012年12月開始應用。國家加大研發投入，技術積累，由於第一代系統本身定位精度不高，且主要覆蓋中國境內區域，於是第二代北斗系統融合了用戶自主接收完成連續定位，以及測定和短報文服務功能，除了帶來了比肩GPS定位精度的能力，還將覆蓋區域逐步擴展到更廣範圍的亞太地區。

第三代北斗系統就成了真正意義上覆蓋全球範圍的中國版GPS，它擁有了更多的30顆衛星，覆蓋不同軌道，以及更多的地面基站增強系統，並且北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度無源定位都得以保留。

這裡有必要再科普一下軌道範圍，像GPS基本都運行在地球中圓軌道上，這基本是衛星可以覆蓋全球範圍的最優軌道。而“北斗三號”則採用三種軌道衛星組成混合星座，其中，空間段由3顆地球靜止軌道（GEO）衛星（約3.6萬千米）、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星（約3.6萬千米）和24顆中圓地球軌道（MEO）衛星（約2萬千米）組成，可以看到三代北斗系統高軌衛星更多，高軌衛星覆蓋範圍更廣，三種軌道混合的星座設計也是為了平衡精度需求和建設成本，也呼應了北斗衛星系統“三步走”的策略。

最終，“北斗三號”是世界上首個集定位、授時和報文通信為一體的全球衛星導航系統，而免費發送短報文是其獨有的一種重要功能。

短報文改造Mate50

前面科普了三代北斗系統的前世今生，以及獨有的短報文功能是如何形成的，那麼為什麼短報文功能已經發展了20年，直到今天才迎來大範圍的應用？

其實我們看到，第一代北斗衛星就支持了短報文服務，但因為終端產品的體積等原因，它的使用場景還是非常受限。專用終端需要單獨購買，並且價格很貴，用起來也不是很方便，當然更不可能隨身攜帶。所以限定了它一般只會出現在一些專業的場景和群體中，比如經常出海捕魚的漁船，漁民們有的就會單獨再配備北斗終端。

北斗的功能能不能直接放到手機里？其實這是華為和北斗團隊共同的疑問。研發團隊們深知短報文是我國獨有的一項的技術功能，他們一直想如果能有一個設備可以將這種技術隨時帶在身上，危難之時可以“救命”就更好了。

這種想法每每在他們看到一些自然災害發生時就湧上心頭——比如地震震中區域，交通，電力，甚至是手機通信全部中斷，很多人失聯，無法呼救，無法向外發出自己的求救位置時，“如果每個人都可以通過北斗系統呼救就好了。”

2019年，華為接觸了北斗團隊，短報文帶入智能手機的想法一拍即合。他們都特別希望北斗衛星系統的短報文服務有一天可以放到大眾的消費電子終端中，在危難之時讓人們化被動為主動。項目2019年12月正式立項，雙方馬上開始了將短報文功能塞進手機的研究。

我們都知道，專用的北斗終端設備——一般都採用一個碩大的機身，一個螺旋式的天線。這兩個特點其實都圍繞手機的衛星信號展開，因為衛星距離遙遠，首先要對抗的就是信號衰減。而也因為華為Mate 50此次挑戰連接3顆地球靜止軌道（GEO）衛星屬於高軌道衛星，所以阻力更大。

在這裡簡單做一下對比，iPhone通信的低軌道衛星距離為1400千米左右，埃隆馬斯克的衛星也處於幾百千米的低軌道空間。而華為連接的GEO衛星處於3.6萬千米的軌道空間。

傳統的衛星通信協議和通信頻段都與地面移動通信網絡不同，在基帶處理、射頻電路和天線設計上都有所差異，所以首先就是要讓華為Mate 50終端硬件支持通信。其次，手機和衛星直接通信最大的困難就在於手機發射功率小，而如今又面臨路徑損耗，華為首要問題就是解決手機終端與衛星通信之間信息傳輸損耗大的問題。

3.6萬千米到地面的距離衰減就達到了188dB，而3dB的損耗就意味着一倍的衰減。

“信號衰減後幾乎可以約等於沒有了。”

另外，衛星天線採用了圓極化天線，而手機基本是線極化天線。線極化天線接受圓極化天線信號會自然衰減3dB，本來信號就弱，這意味着又一半信號沒有了。

還有，北斗衛星通信上行和下行的頻率也相差很大，所以需要在兩個相差這麼遠的頻率上優化天線的增益，為此就需要引入一顆功放，而又因為功放的功率很大，所以工作時也會發生瞬時溫度突變，也會影響手機的時鐘信號。這些給射頻電路和天線工程師帶來了巨大挑戰。

為了實現高增益，華為和北斗團隊重新定義了一個通信協議，這是一個關鍵。同時引入了一個高增益的Polar編碼，Polar碼在信道增益上提升了0.8dB，最後引入高功率的PA提升信道增益。

前面提到天線方面的衰減，通過改造收發方向圖一致的天線設計解決。為了保證用戶在使用時方向圖是朝着衛星的方向，設計了巡星引導UX，為用戶帶來可視化的使用方式，更加方便用戶操作。讓手機終端自動尋找衛星的位置，幫助用戶建立更穩定的連接，進而更好地提升信息收發性能。

而為了驗證北斗衛星通信功能在各種環境、不同場景下的可用性，華為的工程師們構建了完整的測試、驗證閉環，構建系統的開發和驗證環境。通過尋星引導向模擬衛星發出信號，利用終端設備接收信號，建立“測試地面北斗衛星信號發射設備-北斗衛星信號接收設備-地面通信系統信息處理”整套通信流程，也是全球首個“北斗三號”端到端星地融合通信驗證系統。