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从北斗到Mate 50:星空中的中国式浪漫

11/07 08:25 作者:脑极体
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中国,距离卫星有多远?

1957年10月,苏联“斯普特尼克一号”人造卫星成功升入太空。几乎在同一时间,竺可桢、钱学森、赵九章联名上书,建议开展中国的人造卫星研究。彼时的中国人,才刚刚看到人造卫星的价值。距离真正发射一颗卫星,还有很远的路要走;距离在卫星领域关键技术上实现领先,更是一件不敢设想的事情。

在那之后,1958年中国正式提出了东方红一号卫星预研计划。1965年正式启动研制,最终在1970年4月24日于酒泉卫星发射中心成功实现了东方红升空。这就是我们耳熟能详的“两弹一星计划”关键组成部分。

一转眼,来到了2022年。华为Mate50系列利用北斗三号系统的短报文功能,并在技术体制上进行全面升级,最终实现了卫星通信能力与智能手机结合。华为Mate50就此成为全球首款支持北斗卫星消息的智能手机,而中国科技也在卫星通信史上写下了至关重要的一笔。

这件事,入选了《南方周末》评选的“2022中国十大高燃瞬间”。这一天,中国用“关键科技全球领先”的方式,把与卫星之间的距离无限缩短。

从东方红升空,到历经二十余年的北斗建设,再到Mate 50成为全球首款支持北斗卫星消息的智能手机。如果给整个故事加个关键词,我能想到的第一个词是:浪漫。

卫星登天,通信落地,在这场漫长的探索里,有太多鲜为人知的关隘和困难。克服这些困难,靠的不是某位天才的灵感,而是一群人又一群人的接力与跋涉,最终才让看似不可能的目标变成现实。在华为开发者大会2022期间,我们有机会了解到Mate 50系列完成手机卫星通信背后的故事。就像东方红、北斗的故事一样,这段故事里也充盈着那种心怀星空,脚踏泥土的中国式浪漫。

从两弹一星元勋,到万千北斗人,再到华为工程师,卫星的故事,是中国科技人写给国家,写给人民,写给世界的一封无言情书。

这封情书里写着:哪怕用数十年时间,哪怕经过千难万险。任他翻山越岭,任他时光飞逝,我也要让星光向你而来。

从东方红到北斗三号,

中国卫星的全球时代

我们在中学时代,都背诵过这样的知识点:于1970年4月24日成功发射的东方红一号卫星,重173千克,由长征一号运载火箭送入近地点441千米、远地点2368千米。

如果说,东方红完成了中国人造卫星从无到有的变局。那么历经二十余年发展的北斗体系,则成功将中国卫星事业推进到了全球时代。

2020年6月23日,随着西昌卫星发射中心将一枚“长三乙”运载火箭发射升空,北斗卫星导航系统的第55颗卫星成功进入轨道。这标志着北斗三号最后一颗全球组网卫星就位,北斗三号部署比原计划提前半年顺利完成。

从1994年开始启动北斗一号工程算起,到北斗三号全面完成共用了二十六年。毫不夸张地说,这其间北斗人克服了千难万险,经历了千辛万苦。按照北斗系统的发展规划,北斗一号实现服务中国,二号实现服务亚太。而北斗三号的落成,则标准北斗系统具有了服务全球的能力。进入新时代、新阶段的北斗,面临着一个全新问题:全球时代的中国卫星,应该如何缩短与其他具有先发优势系统的差距,塑造自己的差异化价值?

手机卫星通信的战略意义,就在这个节点上浮现了出来。在目前阶段,手机卫星定位已经成为了通用能力,但卫星的另一项关键价值卫星通信,则还无法与大众生活、生产进行紧密联接。另一层面看,空天地一体化的通信网络,几乎已经确定是6G时代的发展方向。将北斗纳入6G探索,对于中国卫星事业来说具有不可替代的战略机会。

但这个机会,也意味着更多的困难。

翻过山峰之后,是另一座山

华为能够在Mate 50系列这一代就能成功实现手机卫星通信,其实是远超产业界早先预期的。

一方面是因为北斗三号刚刚建成两年,而手机核心技术能力,比如通信能力的规划周期,一般要提前两代左右开始。换句话说,我们倒推一下时间表就会发现,早在北斗三号刚刚建成时,华为就必须马上开始规划、探索、实验如何基于北斗体系完成手机通信。

所谓手机卫星通信,本质是将卫星当作通信的中继设备。用户将通过卫星,完成与地面上其他通信设备的联系。这项技术听起来简单,但要真正实现却要面对非常严峻的问题。在北斗三号翻越山岭建成之后,华为开始探索基于北斗的手机卫星通信可能,面对的是另一座技术与工程的高山。

首先,第一个问题就是卫星太高了。

北斗三号系统的卫星运行轨道高度大约在3.6万公里。而卫星越高,就意味着发射信号的传输损耗越大,地面发射的信号更加难以被卫星接收。相比来说,我们知道苹果手机在今年也推出了卫星信息能力。但苹果接入的是低轨道卫星。低轨道卫星(LEO)的轨道高度仅是高轨道(GEO)卫星的二十分之一,甚至八十分之一,其通信传输难度也随之急剧下降。北斗作为卫星网络中的后起之秀,还无法提供大量的中低轨道卫星群。所以如何在北斗特性的基础上完成通信信号的“高空攀登”,就成为摆在华为面前最关键的问题。

接下来,第二个问题也随之展现:硬件功率过低。

高轨卫星传输的信号损耗很高,意味着地面设备必须以更强的功率进行信号发射。但手机轻薄的机身决定了其功率发射器件必须很小。解决手机功率太低,成为第二道必答题。

另外一个难题,在于智能手机的收发天线,相比专用终端增益低。

卫星电话能够进行卫星通话的前提,是其内置了结构复杂、体积硕大的手法天线。但手机的天线设备不可能如此,这就导致天线收发带来的增益很低。如何解决天线问题,也成了一大挑战。

以技术,以时间,以跋涉

手机卫星通信是否有前景?当然有。是否有最快实现的必要?当然有。

在这个答案之下,所有的难关都必定被攻克。在Mate 50成功实现北斗通信之前,华为首先对一系列手机卫星通信的关键技术进行了攻关。构建了一套能够满足手机卫星通信需求的通信协议。其中包括全新的通信体制、协议栈和应用底层协议。可是说是从零开始,完整勾勒出了手机与北斗的联接方案。

而通信协议只是第一步。接下来,华为就需要突破那些关键的挑战。

面对硬件功率不足的问题,华为在Mate 50系列中全新设计了高性能硬件。其中包括高功率的PA、低损耗射频链路,以及收发方向图一致的天线设计。这些硬件能力的叠加下,可以有效提升手机的长距离通信功率,减少手机与卫星之间通信的信号损耗。确保手机卫星通信的精准、可靠。

在硬件层面的性能提升基础上,为了进一步解决手机通信增益不足的问题。华为专门设计了全新的编解码算法,引入了高增益的Polar编码方案。从而可以降低卫星信号传输过程中的干扰和噪声,提升信号解码率。新的高增益算法,可以让信号更加聚焦,减少在传输过程中的发散,最终确保信号直达北斗。

另一方面,我们知道卫星的运行轨迹是固定的。如果手机天线能够准确对准卫星,会让信号传输有更好的效果。为此,华为专门在Mate 50系列中加入了专用的UX设计。通过专有的寻星引导UX,可以让用户通过可视化的操作方式,更准确帮助手机确定卫星的位置,从而建立更准确的卫星联接。

技术准备之后,还需要大量庞杂、繁琐的功能性验证工作。作为一项全新通信尝试,没有人知道能不能手机卫星通信的边界在哪里,其通信覆盖能力究竟是怎样的。尤其重要的是,手机卫星通信的使用场景往往是极端的天气、环境条件中。因此功能验证必须更加极端,更加富有耐心,才能确保手机卫星通信能够肩负起它的重任。

为了验证北斗手机卫星通信的可用性,华为的工程师们建立起了完整的测试、验证闭环,构建了系统性的开发和验证环境。通过寻星引导向模拟卫星发出信号,利用终端设备接收信号,建立起了包括“测试地面北斗卫星信号发射设备-北斗卫星信号接收设备-地面通信系统信息处理”在内的整套通信流程。这也是全球首个北斗三号端到端星地融合通信验证系统。

经历了18个月的外场测试,踏遍了31个省。进入过无人区,穿越过戈壁沙漠、高山丛林、江海湖泊、草原盆地。最终,华为的工程师们将可靠、可信的手机卫星通信能力,通过Mate 50献给了用户。

在5月的西藏尼玛县。华为的研发测试人员要每天早晨迎着大雪,哈着白气,测试北斗卫星消息功能。在被称为人类禁区的可可西里,华为工程师们脱下防晒服,马上换上羽绒服,依靠间接性吸氧来对抗高原反应,只有这样才能保证持续测试北斗卫星消息。在烈日当空的秦岭,测试人员登上3000米的涝峪八里坪秦岭,在用8元一瓶的矿泉水奢侈地洗了一把脸后,测试北斗卫星消息功能。他们最终让手机北斗通信能力,早于大众期待成为现实,以技术,以时间,以跋涉。

从2019年12月立项,到2020年4月完成可行性分析,再到2021年2月完成实验室联接。历时15个月,华为工程师成功发出了第一条北斗卫星消息。上面写着:星辰大海,纵横相依。摇摇星光,向你而来。

这时距离1957年中国提出“要有自己的卫星”,已经六十五年过去了。中国科技,终于揭开了全球卫星通信史上新的大幕,在卫星产业的关键创新上世界领先。

这是一个关于与时间赛跑的故事,是一种关于远大征程的浪漫。

又岂在朝朝暮暮

所有人都能看到,手机卫星通信绝不是一个小功能、小技术。频谱资源注定有限,但人类的通信需求却是无限扩张的。所有在某个时刻,人类通信将注定走入太空。

而华为能够在业界率先实现卫星通信进入智能手机,让手机具备真正意义上的通信无死角覆盖。不仅在特殊行业、户外探险、应急求生等领域提供了不可替代的价值,更是对未来人类通信必然性的率先挖掘。每个时代,都需要有科学界、科技企业、工程团队率先抵达未来。而这一次,前哨站里是华为与北斗。

这一切,都不是一朝一夕的成功,而是一种中国科技特有的长期主义使然。我们愿意在一件意义非凡的事情上投入全力,愿意数十年如一日地为之奉献,愿意跋山涉来找寻答案。这是中国科技,或许也是北斗,是华为的浪漫主义——两情若是久长时,又岂在朝朝暮暮。

这个故事依旧处在进行时。

在太空中,10月31日,长征五号B遥四火箭搭载着“梦天”实验舱在海南文昌发射场成功发射。与“梦天”实验舱一起升空的还有北斗短报文通信子系统。这意味着,北斗短报文通信首次在空间站上开展验证,成为航天员与地面通信链路的全新保障。

而在大地上,华为开发者大会2022上,华为宣布HUAWEI Mate Xs 2北斗卫星消息功能正式开启众测,HUAWEI Mate Xs 2成为全球首款支持卫星消息的折叠屏手机。这意味着,北斗卫星消息必然将在未来更多华为手机中登场,并且不断成长。同时也意味着折叠屏与卫星通信,这两项颇具未来感的技术开始交织,酝酿新的化学反应。华为不懈创新的精神,正像以往一样,拓展着手机卫星通信、折叠屏,乃至更多技术与产业的边界。引领手机行业走向星空深处、6G时代的无限可能性,为行业未来的技术升级之路铺就基石。

北斗三号全面建成时,有记者采访了时任北斗卫星导航系统总设计师助理、工程总体室主任的郭树人。“这十年,您最大的欣慰是什么?”郭树人的答案是:“通过不计其数的计算、论证设计出的方案,终于得到肯定,取得统一意见。”

对于手机卫星通信技术,对于华为的工程师们来说,或许也是一样的。不计其数的技术尝试、工程性打磨、性能验证,最终才能让不可能成为可能。当信号穿越三万米的距离,在星空与北斗三号相遇。金风玉露一相逢,便胜却人间无数。

险阻终究可以被翻越,难题终究围困不住时间。

哪怕天长地久,也要让他成真;即使千难万险,也要让星光向你而来。

从北斗登天,到Mate落地,这是中国式的科技创新,也是中国式的星空浪漫。

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