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創辦人談衛星 2/與手機對接,路漫漫其修遠兮

衛星通訊示意圖。 美聯社
衛星通訊示意圖。 美聯社

本文共2049字

作者 李中旺

2023是不是手機衛星元年?

2022年的8月25日,SpaceX CEO Elon Musk 與 T-Mobile CEO Mike Sievert共同發表了計劃,將在2023年讓「一般手機」直接連上低軌衛星,消除全球手機通訊的死角。

同年的9月,蘋果發表iPhone 14手機,它能夠在沒有任何地面無線信號的地區,透過低軌衛星發送求救信號。一時之間風起雲湧,晶片與手機大廠都紛紛發表了手機直接連通衛星的計畫。美國FCC也推波助瀾,在2023年3月17日表示:「希望促成衛星與行動通訊業者的結盟,以縮小通訊覆蓋缺口。」

2023年,本來應該是手機和低軌衛星兩大產業「對接」的元年。

盤點2023的成果

9月份,華為的Mate 60 Pro+橫空出世,它利用天通衛星來撥打衛星電話,經由北斗衛星來連接應用與簡訊。人類首次實現了雙衛星(天通衛星、北斗衛星)通訊。

除了華為的驚天之舉,2023年一整年全球產業在「手機連接低軌衛星」議題上,並沒有重大的進展。

星鏈,這個幾乎是低軌衛星的代名詞,悄悄的更改了計劃,推遲到2024年才開通衛星短訊,2025年開通手機連衛星語音服務。更遑論其他跟隨在後的企業,雷聲大雨點小,都還沒有進入商業運轉的階段。

衛星通訊與手機都是古老而成熟的行業

打從人類66年前發射了第一顆衛星開始,衛星通訊技術就不斷地進步。儘管受到了諸多限制,現今高、中、低軌的衛星通訊,不論技術、產品、或營運模式都相當的成熟。

2019年開始大量佈建的星鏈,已能提供100 Mbps穩定連線速度,以及有超過200萬用戶的成果。50年前問世的手機已經發展到第五代,正往第六代挺進…

然而,回顧2023年,這兩個成熟行業的對接就顯得步履顢頇。究其問題的根源,就在於手機是短小輕薄的手持裝置。因為小,所以很難用提供更大顆的電池將大信號打到外太空;也因為小,所以很難安排大面積的相控陣列天線去「對準」或「追蹤」衛星,讓傳輸順利的進行。

手機衛星通信的技術難點

高軌同步衛星(GEO)靜止在地球35,786公里的上空。一般手機對基地台的距離最多10公里,要升級發送信號到那麼遠的衛星,最大的困難在於電磁波的強度。

手機必須配備耗電的「強功率放大電路(PA)」和「高增益天線」才能發出足夠強度的信號。而「高增益天線」發出的電磁波波束很狹窄,手機雖然有GPS的導引,但要以窄波束對準同步衛星,通常會經歷一些嘗試的過程才能成功。

以星鏈為例,低軌衛星(LEO)離地球的距離是550公里。相較於同步衛星,不只信號的延遲大幅縮短,電波強度也可以降低到4千多倍,對於節約手機的耗電有絕對的優勢。

然而低軌衛星以每秒7公里多的速度對地面飛行,一般衛星飛越用戶上空的時間也不過幾分鐘。手機的天線必須先靠GPS的導引,設定天線的方位角與仰角,找到衛星,並一路調整指向,追隨衛星飛行的軌道(如圖一A、圖一B所示)。

這也就是把地面大型平板天線追蹤的功能,用人為手動的方式來完成。在實際的運作上,有相當的困難。

圖一A:衛星升起時,手機必須傾斜以指向衛星方向。 李中旺/提供
圖一A:衛星升起時,手機必須傾斜以指向衛星方向。 李中旺/提供

圖一B:衛星在中天時,手機必須轉向垂直以對準衛星方向 李中旺/提供
圖一B:衛星在中天時,手機必須轉向垂直以對準衛星方向 李中旺/提供

相對於「手機衛星通話」,「手機衛星短訊或衛星物聯網」會比較容易實現

「手機衛星短訊」通常被限制在200個字節之內,「衛星物聯網」訊息量也不大。手機與衛星間以2Kbps的速度傳送訊息,兩三秒就可以傳輸短訊完畢。

這也就是說,一旦手機的天線對準了某顆低軌衛星,在極短的時間之內,就可以將訊息傳送妥當。因為在這麼短的時間之內,衛星的位置變化有限,不太需要做緊密的星體追隨。

相對的,「手機衛星通話」的時間很難節約到短短幾秒鐘內,一般會拉長到一兩分鐘。在這段比較長的時間裡,衛星位置會有比較明顯的變化。如果手機天線不能即時對準與追蹤到衛星的新位置,就會因信號丟失而斷線。

現階段蘋果的iPhone 14與Garmin的InReach都沒有採用語音,只使用文字訊息做緊急救援SOS服務,這應該是主要的原因之一。

他山之石,華為的策略

Mate 60手機將通話的功能連上了固定位置的天通衛星,雖然拉長了訊息的延遲,但也巧妙地避免手機在通話期間去追蹤衛星的困難。

Mate 60也將不太需要追蹤衛星的短訊功能,交給了變動位置的中軌(MEO)北斗衛星。55顆飛舞在空的北斗三號導航衛星群,隨時可以連接上地面的華為手機,提供快捷的文字或物連網傳輸服務。

由天通和北斗佈下的國家級星網,一時之間還不容易被歐美日的對手超越。

展望未來

檢視2023年蘋果和華為這個手機成功連上衛星營運的案例,可以發現蘋果是在iPhone 14以後的手機才能發出求救SOS簡訊;華為也是Mate 60之後的手機才配備有連線衛星的功能。兩者都是強化過的專用手機,而非泛用機。也就是說,一般手機要直接連上衛星還需要再等一等。

用同步衛星或低軌衛星來連接手機,各有各的優點與難處。「電力、對準、和衛星追蹤」,是手機衛星網路的三大門檻。

華為、蘋果只是個開端,相信衛星與手機兩大產業將持續攜手一一越過這些門檻。只不過受限於手機的體積,這條路還真的有點長。

(作者是友訊科技共同創辦人、明泰科技創辦人,現任職於創威訊科技)

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友訊科技共同創辦人、明泰科技創辦人,現任職於創威訊科技

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