电子发烧友App
民营航天公司“银河航天“宣布已经制造完成首颗 5G 卫星，预计将于年内在甘肃酒泉卫星发射基地发射，发射任务由航天科工快舟系列运载火箭承担。
该 5G 卫星为低轨宽带卫星，轨道高度 1200Km，具备广覆盖、低时延、高流量、全空间的优势，是全球首颗 Q/V 频段的低轨宽带卫星。卫星升空运行后，可提供 10Gbps 带宽 5G 通讯能力，覆盖 30 万平方公里，相当于大约 50 个上海市的面积。根据“银河航天“的规划，整个 5G 卫星形成真正网络的覆盖需要 3 年左右的时间，第一批星座目前的设计是 144 颗卫星，然后会升级到 800 多颗卫星，再升级到 2800 多颗卫星。分析师普遍认为，低轨通信卫星已经解决了主要的技术难题，这是 6G 时代开始的标志，尽管目前 5G 移动通信网络已经开始建设，并提供服务，但 5G 全球网络的覆盖面临着巨大的挑战，地面基站很难覆沙漠、海洋等所有区域，低轨宽带通信卫星可以解决全球网络覆盖和接入的难题，有望让全球处于信息贫困的 40 亿人畅享网络世界。
阅读本文之前，请问自己以下几个问题：
什么是第一宇宙速度？
通信卫星都是同步卫星么？
通信卫星的高度有多高？
这么远的距离，为什么卫星的通信频率还高达几十 GHz？
注意，上面新闻稿中画红色标注部分为考点，但局限在高中物理知识，绝不超纲。
首先，这篇新闻稿中提到的卫星，虽然被称为“5G 卫星”，但其实跟移动通信领域里的 5G，并无直接关系，卫星通信和蜂窝移动通信，虽然都是基础电信业务的两个分支，专业性差别很大，属于不同的领域。
比如中国卫通，也获得了基础电信业务经营许可证，是除了电信、联通、移动、广电之外，为数不多的持牌机构。虽然基础电信业务范围中涵盖了固定通信和移动蜂窝通信，但术业有专攻，中国卫通只会在全国范围内经营卫星通信业务。
至于 6G，也只是处于遥远的想象之中，目前 5G 尚未大规模商用，对于 6G，更是连具体的概念尚未明确。不过普遍接受的一种说法是，6G 将是一个“天地一体”网络，“5G+卫星网络（通导遥）”，即在 5G 蜂窝移动网络的基础上，集成卫星网络来实现全球覆盖。
从无线通信频段划分角度看，“5G 卫星”和 5G 蜂窝移动通信也是有区别的，我们用的 5G，工作频段在 5GHz 以下，比如，中国电信获得的 5G 频段为 3.4-3.5GHz;中国联通获得的 5G 频段为 3.5-3.6Ghz;中国移动获得的 5G 频段为 2515-2675Mhz 及 4.8-4.9Ghz。
卫星的通信频率一般都在 5GHz 以上，C 频段（4-8GHz），Ku 频段（12-18GHz），Ka 频段（27-40GHz）……而此次即将发射的“5G 卫星”，则工作在更高的 Q/V 频段，这个 Q/V 频段有多高呢？
30-75GHz。
因此，但从工作频率看，“5G 卫星”中的 5G，和 5G 蜂窝移动通信中的 5G，并不是一回事。
其实，笔者一直以来对于卫星通信的大众化应用并不是持乐观态度。一个原因是，从事风险投资这么多年来，听多了融资大忽悠天天鼓吹“发射 WiFi 卫星”;另一个原因，是受上世纪 90 年代的“铱星计划”失败影响，形成了一个根深蒂固的观念。
铱星计划是 1990 年由摩托罗拉提出，计划发射 77 颗近地卫星，组成卫星通信星群，实现全球无缝通信。由于金属元素铱有 77 个电子，这项计划就被称为了“铱星计划”。
然而，铱星计划付诸实施之后，耗资 50 亿美元，1998 年投入使用，2000 年就宣告破产，最后以 2500 万美元的价格出售。
除了以上两个原因，还有一个重要的偏见，就是按照蜂窝移动通信的原理，很多通信原理常识，似乎跟卫星通信好像有冲突，比如频率的问题。
我们依据常识，频率越低，穿透性越强，越容易传播。
比如我们听广播的 CRI 的 FM 91.5MHz，覆盖范围可以达到几百公里，即便我们在小山沟沟里，捧着心爱的德生牌收音机，都可以接收到节目信号，再不济，把天线拉的长长的，总能断断续续收听节目。
而再高的频率，比如我们的 2G、3G、4G 移动通信，频率范围在 400MHz ~ 3GHz， 覆盖范围最多几十公里，在偏远一点儿的地方，打通电话就有点儿困难了。
而卫星通信的工资频率，高达 40GHz！
就算低轨的通信卫星，高度也在几百公里，上千公里，比如此次的“5G 卫星”，轨道高度为 1200 公里！而对于最常见的同步通信卫星，轨道高度更是高达 35786 公里！这么远的传播距离，这么高的工作频率，似乎与常识不符。
其实，这确实是被传统的地面移动通信误导了。
在地球空间领域，有这么一个区域，叫做电离层，大概范围是从离地面约 50 公里 -1000 公里高度的空间区域。电离层存在相当多的自由电子和离子，会对无线电波形成干扰，发生折射、反射和散射等。只有高频的微波、毫米波，才能不受干扰地直接穿透电离层。
所以，卫星通信采用高频无线电波，也是不得已的选择，即便低频无线电有更好的穿透性、抗干扰能力，也不适用于卫星通信。
至于高频无线电波会在传播过程中发生高损耗，也只能通过其他方式来弥补，比如提高发射功率，将天线由全向改为定向，以提高发射和接受的增益……
反正卫星和地面接收站之间很少有遮拦，一大片空旷的天空，实现定向天线也不是不可能。
而地面移动通信就不行了，就算不考虑山啊、楼宇啊、树木啊的遮挡，至少地球还是圆的呢！
如果这么来看，移动通信卫星似乎还是可以实现并普及的，为什么“铱星计划”会破产呢？
注意，我们高中物理中有这么一个常识性的知识点，那就是“通信卫星都是同步卫星”，至少在我上学那会儿，选择题里有这么一项，是要按照正确答案来选择的。
按照卫星轨道高度的不同，通信卫星可以分为低轨通信卫星（LEO）、中轨通信卫星（MEO）和高轨地球同步通信卫星（GEO）。LEO 卫星轨道高度 500km~2000km，MEO 卫星轨道高度 2000km~36000km，GEO 卫星轨道高度为 36000km。
所谓同步卫星，运行于赤道上空，高度为 35786 公里，运行一周为 24 小时，因此，从地球表面来看，这颗卫星相对于地球是静止的，因此也就很容易捕获卫星信号。一般来说，三颗同步通信卫星，就可以覆盖地球大部分的面积。
而“铱星计划”的卫星，则属于低轨卫星，远远低于同步卫星的 36000 公里的高度。
低轨卫星具有地面高度的优势，但也有一个很重要的劣势，那就是速度极快！这时，我们需要回忆一下“第一宇宙速度”——7.9km/s，这是近地卫星的最高环绕速度。随着卫星高度增加，环绕速度也会降低，到了 36000 公里的同步卫星，运行速度降到 3.08km/s。
也就是说，低轨卫星的运行速度在 3.08km/s-7.9km/s 之间。
这么快的速度，就算移动通信也不是这么移动的啊，你在高铁上，速度也不过 350km/ 小时，打通电话都费劲儿。想象一下，头顶上有个 5km/s 的卫星从你头上掠过，也许没等你掏出手机，信号就消失了……
特别是非同步卫星，位置不固定，要捕获这颗卫星的信号，都很麻烦。
而要实现无障碍的卫星通信，就必须要发射多颗卫星，实现卫星组网，比如本篇开头的“银河航天”，就号称要升级到 2800 多颗卫星，把地球表面发射的密密麻麻。
在通信过程中，一旦与你手机链接的卫星要飞出通信范围，就可以快速切换到另一颗离你更近的卫星，这样才能保证不掉线。
但是，如此高频、高效的处理能力，在 90 年代的“铱星计划”时期，是很难实现的，这也是“铱星计划”失败的主要原因。
随着通信技术、微电子技术的飞速发展，卫星组网等问题都得到解决，“新铱星计划”也开始浮出水面。
近年来波音、空客、亚马逊、Google、Facebook、SpaceX 等高科技企业纷纷投资低轨卫星通信领域，目标是实现全球互联网覆盖，未来五年内将有 20000 余颗低轨卫星进入太空。
特别是马斯克的 SpaceX 火箭成功回收，大大降低了卫星发射成本，为大量的低轨通信卫星上天铺平了道路。
至于“5G 卫星”的覆盖范围，文中提及，“覆盖 30 万平方公里，相当于大约 50 个上海市的面积。”但是，这个覆盖只是理论值，30 万平方公里的地界上，就算不考虑卫星切换因素，一颗卫星也无法支撑。
特别是考虑到高频、定向发射的问题，要实现大范围、高容量的接入覆盖，还是很困难的。
最合适的解决办法，就是“卫星组网+地面接收组网”的方式，通过地面接收站和地面中继的方式，实现无死角的信号接收。
最后谈谈为什么国外公司这么热心于低轨通信卫星，其中一个很大原因就是抢夺资源，特别是轨道和频谱资源，都是不可再生的。
轨道好理解，空间毕竟是有限的，卫星和卫星之间也要保持一定的安全空间。
而频率资源，太空无国界，一个国家的卫星，其实大部分时间都运行在别的国家上空。由于频率资源是一种有限的、不可再生的自然资源，频率资源的获取不是一个国家能主宰的，各国都必须依据国际电联制定的规则进行开发利用，频率轨道的使用必须进行国际协调。
所以，涉及到卫星通信领域的频谱划分，别人抢到了，留给你的就会越来越少，剩下的也都是些边角料。
责任编辑：ct
工商网监
评论