一条北斗短报文20年后终于装进华为手机

科技

2022-11-06 02:11

作者｜钟文

智能手机的下一个战场在天上。

想象一下一个极端情况：当你身处在一个人迹罕及的无人区探险，突然丢失了手机信号，随着时间推移食物逐渐减少，备用方案用尽，你开始变得绝望。这时候，一部直连卫星的终端设备可能会是你最后的救命装备。

与传统的智能手机不同，卫星通信的终端设备意味着它可以直连卫星。我们知道智能手机的通信主要依赖地面的手机信号基站广播，而卫星通信意味着“将手机基站直接挂在了卫星上”。手机直连卫星，在卫星覆盖范围内的全国各地都可以随时发送求救短信。

9月6日，华为宣布Mate 50正式成为全球首款支持北斗卫星消息的大众智能手机。华为利用“北斗三号”系统（第三代北斗系统）短报文功能，并在技术体制上进行全面升级，实现让卫星通信进入大众智能手机，为更多人在特殊环境下提供更有安全保障的服务。这一技术也入选了《南方周末》评选的“2022中国十大高燃瞬间”。

从其所提供的功能上来说，华为Mate 50虽然仍然不能完全替代专业的卫星手持电话，它不能进行双向即时的卫星通话，仅提供短报文服务——即发送一条19个字以内的短消息求救。但更重要的意义在于——北斗卫星20载，技术能力不断提升，终于有一款大众消费的智能产品提高了北斗卫星消息的可用性，最终实现把卫星终端“装”进兜里。

这次在华为手机创新科技媒体沟通会上我们也有机会与华为终端BG手机产品线副总裁李小龙面对面交流，来聊聊华为这条短报文背后的故事。

北斗20年，终成天地一体化通信系统

支撑华为Mate 50“捅破天”技术的，正是我国的北斗卫星系统。

听到天上运行的卫星系统，更多的想到大国重器，更像是军事利器，其实，卫星系统对于民用也有着非常大的市场。目前世界上存在四大卫星系统，除了最熟悉的美国的GPS，还有俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略，中国的北斗卫星系统也一直在努力探索和发展。

我国北斗系统自1994年开始攻关研发，2000年首次发射试验卫星，距今也已经20余年的时间。不过，自2003年初步建成我国第一代北斗卫星导航定位试验系统时，北斗一代具有基本的定位、授时和短报文通信功能。

这里可以科普两个概念：无源定位和有源定位。虽然北斗和已经把定位刻在脑子里的GPS的一样，提供的是基础的定位服务，但受限于当时国家技术，资金以及本身的运行效率的问题，采用了有源定位的机制——即地面用户在尝试使用地位服务时，需要先发送一个请求给卫星，然后接受定位信息。而后者GPS则采用无源定位，卫星主动发送，而地面用户终端只负责接受，直接得到坐标。

必须得承认，一代北斗需要发送请求，从技术上看定位精度也要比当时的GPS差上不少。不过这种主动请求带接收的技术设计方式也诞生了北斗短报文这种卫星通信的应用功能。

第一代北斗卫星系统解决的是“从无到有”的问题，二代北斗卫星系统解决“从有到优”。在北斗一代基础上，14颗卫星组成形成了北斗二代区域导航定位系统，2012年12月开始应用。国家加大研发投入，技术积累，由于第一代系统本身定位精度不高，且主要覆盖中国境内区域，于是第二代北斗系统融合了用户自主接收完成连续定位，以及测定和短报文服务功能，除了带来了比肩GPS定位精度的能力，还将覆盖区域逐步扩展到更广范围的亚太地区。

第三代北斗系统就成了真正意义上覆盖全球范围的中国版GPS，它拥有了更多的30颗卫星，覆盖不同轨道，以及更多的地面基站增强系统，并且北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度无源定位都得以保留。

这里有必要再科普一下轨道范围，像GPS基本都运行在地球中圆轨道上，这基本是卫星可以覆盖全球范围的最优轨道。而“北斗三号”则采用三种轨道卫星组成混合星座，其中，空间段由3颗地球静止轨道（GEO）卫星（约3.6万千米）、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星（约3.6万千米）和24颗中圆地球轨道（MEO）卫星（约2万千米）组成，可以看到三代北斗系统高轨卫星更多，高轨卫星覆盖范围更广，三种轨道混合的星座设计也是为了平衡精度需求和建设成本，也呼应了北斗卫星系统“三步走”的策略。

最终，“北斗三号”是世界上首个集定位、授时和报文通信为一体的全球卫星导航系统，而免费发送短报文是其独有的一种重要功能。

短报文改造Mate50

前面科普了三代北斗系统的前世今生，以及独有的短报文功能是如何形成的，那么为什么短报文功能已经发展了20年，直到今天才迎来大范围的应用？

其实我们看到，第一代北斗卫星就支持了短报文服务，但因为终端产品的体积等原因，它的使用场景还是非常受限。专用终端需要单独购买，并且价格很贵，用起来也不是很方便，当然更不可能随身携带。所以限定了它一般只会出现在一些专业的场景和群体中，比如经常出海捕鱼的渔船，渔民们有的就会单独再配备北斗终端。

北斗的功能能不能直接放到手机里？其实这是华为和北斗团队共同的疑问。研发团队们深知短报文是我国独有的一项的技术功能，他们一直想如果能有一个设备可以将这种技术随时带在身上，危难之时可以“救命”就更好了。

这种想法每每在他们看到一些自然灾害发生时就涌上心头——比如地震震中区域，交通，电力，甚至是手机通信全部中断，很多人失联，无法呼救，无法向外发出自己的求救位置时，“如果每个人都可以通过北斗系统呼救就好了。”

2019年，华为接触了北斗团队，短报文带入智能手机的想法一拍即合。他们都特别希望北斗卫星系统的短报文服务有一天可以放到大众的消费电子终端中，在危难之时让人们化被动为主动。项目2019年12月正式立项，双方马上开始了将短报文功能塞进手机的研究。

我们都知道，专用的北斗终端设备——一般都采用一个硕大的机身，一个螺旋式的天线。这两个特点其实都围绕手机的卫星信号展开，因为卫星距离遥远，首先要对抗的就是信号衰减。而也因为华为Mate 50此次挑战连接3颗地球静止轨道（GEO）卫星属于高轨道卫星，所以阻力更大。

在这里简单做一下对比，iPhone通信的低轨道卫星距离为1400千米左右，埃隆马斯克的卫星也处于几百千米的低轨道空间。而华为连接的GEO卫星处于3.6万千米的轨道空间。

传统的卫星通信协议和通信频段都与地面移动通信网络不同，在基带处理、射频电路和天线设计上都有所差异，所以首先就是要让华为Mate 50终端硬件支持通信。其次，手机和卫星直接通信最大的困难就在于手机发射功率小，而如今又面临路径损耗，华为首要问题就是解决手机终端与卫星通信之间信息传输损耗大的问题。

3.6万千米到地面的距离衰减就达到了188dB，而3dB的损耗就意味着一倍的衰减。

“信号衰减后几乎可以约等于没有了。”

另外，卫星天线采用了圆极化天线，而手机基本是线极化天线。线极化天线接受圆极化天线信号会自然衰减3dB，本来信号就弱，这意味着又一半信号没有了。

还有，北斗卫星通信上行和下行的频率也相差很大，所以需要在两个相差这么远的频率上优化天线的增益，为此就需要引入一颗功放，而又因为功放的功率很大，所以工作时也会发生瞬时温度突变，也会影响手机的时钟信号。这些给射频电路和天线工程师带来了巨大挑战。

为了实现高增益，华为和北斗团队重新定义了一个通信协议，这是一个关键。同时引入了一个高增益的Polar编码，Polar码在信道增益上提升了0.8dB，最后引入高功率的PA提升信道增益。

前面提到天线方面的衰减，通过改造收发方向图一致的天线设计解决。为了保证用户在使用时方向图是朝着卫星的方向，设计了巡星引导UX，为用户带来可视化的使用方式，更加方便用户操作。让手机终端自动寻找卫星的位置，帮助用户建立更稳定的连接，进而更好地提升信息收发性能。

而为了验证北斗卫星通信功能在各种环境、不同场景下的可用性，华为的工程师们构建了完整的测试、验证闭环，构建系统的开发和验证环境。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“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”整套通信流程，也是全球首个“北斗三号”端到端星地融合通信验证系统。

2020年4月团队完成了可行性论证分析——2021年2月实验室有线连接，第一条消息发送成功——2021年3月实验室无线连接第一条消息发送成功——十几天后样机外场空口，第一条消息也发送成功。不过团队还来不及激动，因为这只是完成了第一条北斗信息的0到1而已。

卫星通信进入大众智能手机后

在完成测试环境的这一条北斗信息发报后，华为的研发团队变身成为了“驴友”，但这竟是他们最享受的一段时光。

5月的西藏尼玛县，每天早上还在下着雪，外场测试的华为的研发测试人员已经在哈着白气，测试北斗卫星消息功能；

从格尔木沿着昆仑山脉一路行驶，进入可可西里区域，此前的防晒服很快就换成了羽绒服，研发人员需要间歇性地依靠吸氧，解决高原反应，才能持续测试北斗卫星消息功能；

而在烈日炎炎的西安，太阳当空照，没树没遮凉，研发测试人员登上海拔3000多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，开始测试北斗卫星消息功能。

为了确保手机终端在任何极端场景下，任何经纬度都可以接收到卫星通信消息，华为停不下，还需要进一步的功能验证。华为测试团队跨过31个省份、直辖市、自治区，又历时18个月进行场外测试。

走过这一切之后，这条历时20余年的北斗短报文功能才终于来到我们的智能手机上。

这意味着华为在业界率先实现了让卫星通信进入大众智能手机，具备真正意义上的通信无死角覆盖的能力，也是中国市场第一部可以连接卫星的智能手机。它的成功，也意味着天地一体化的技术正式来到消费电子产业，开启了终端卫星通信大发展的一页篇章。

从产品设计的角度——在华为Mate 50之前，电影中的卫星电话很像是一个大哥大，配有一根外置的四臂螺旋结构天线，因为没有它就没有信号。如今，华为通过改善天线结构，北斗短报文进入智能手机，螺旋结构天线可能自此消失。

行业分析也认为，华为进入这个领域之后，相信会有越来越多的手机公司会推出相应的卫星通信功能——北斗应用也会变得越来越开放，近期，智能手机厂商OPPO和荣耀都相继曝光出了关于北斗通信的射频和电子设备专利，而卫星通信也有机会迎来更多的玩法——未来人们或许可以连着卫星打游戏，刷视频。

目前，除了华为Mate 50系列已经接入北斗众测入口，华为Mate Xs 2也将支持北斗卫星消息。众测报名于2022年11月5日开启。

产品的创新更不足以掩盖的是华为的突围精神。比起华为这些招牌式的对于技术本身的改造，更重要的是，如今在这个已经如此饱和且显现疲惫的智能手机市场，华为还仍然愿意成为那个改变市场的人。

华为人更喜欢登上珠穆拉玛峰搭建5G通信，让通信技术赋能千行百业；也认可没有捅不破的天花板，在极境中敢为！

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来源: qq

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