我国的社会化股权创投基金对我国商业航天的创立及发展起到了重要的金融支撑作用，低轨卫星互联网及手机直连卫星通信的兴起是我国商业航天发展的重大机遇。本文通过一系列分析国内外手机直连卫星的技术路线及所需核心技术，给出了下一阶段商业航天投资方向的建议。
如果我们把国家发布支持商业航天发展的重要政策并诞生了首批民营火箭公司的2015年称为中国商业航天的元年，那么中国的商业航天已经走过了9年波澜壮阔的发展历史，目前已经在商业航天全产业链取得了令人振奋的成果。这些成果的取得要归因于国家政策的支持、中国航天创立七十年来丰厚的技术和人才积累以及创业者们的奋斗精神，还有一个关键的因素是我国股权创投基金在金融层面对中国商业航天创立和发展的鼎力支持。
我国的股权投资事业发轫于上世纪90年代初，成长壮大于2000年-2015年互联网及移动互联网的高速发展时期，在此期间中国股权投资相关的政策体系、法律和法规、监督管理机制、募投管退机制以及人才储备诸方面得到发展与完善，随后创投行业迎来了消费互联网投资红利结束，国家把科学技术创新作为国家发展的战略支撑的新时代，中国创投行业秉持与国同行、为国分担的理念，迅速把投资重点转移到包括商业航天在内的高壁垒、长周期的硬科技领域。
我国众多创投机构以“投早、投小、投科技”的共识，在我国商业航天起步及发展的各个阶段为商业航天初创公司可以提供了长期畅通的直接融资渠道，在企业创立的初期甚至是企业唯一的融资渠道。社会化的股权互助基金具备适应商业航天周期长、风险大的属性，敢于在深入调研的基础上投资刚刚组建的商业航天企业，对商业航天企业的创立和发展起到不可或缺的关键作用。股权投资机构在整个商业航天创新体系中发挥的作用不仅体现为资产金额的投入，更重要的是可以在一定程度上促进资源的有效配置，不断引导资本、技术、信息、人才、市场等各类要素向商业航天的创新前沿汇集。
据从商业查询平台统计，截至到2023年，我国商业航天赛道共发生约450起融资事件，披露的融资额超过480亿元，其中2023年国内商业航天领域的股权融资数量超越50笔，募资金额超过120亿元，其中逾亿元的股权融资事件数量占比达到约50%。在商业航天股权投资的早中期，大笔的投资案例大多分布在在空间基础设施的建设方面，包括运载火箭及其配套部组件，商业测控网以及卫星平台等。在卫星的“通信、导航、遥感”三个分类下面，商业航天的前期投资大多分布在在遥感卫星及其载荷以及遥感应用领域，导航领域的投资最重要的包含导航增强和北斗应用，伴随着卫星互联别是手机直连卫星通信的蓬勃兴起，低轨通信卫星对商业航天的股权投资方向与重点已经产生了深刻的影响。
我们首先从全球率先实现手机直连卫星话音业务商业化运营的我国“天通一号”高轨卫星移动通信系统谈起，再讨论国内外正在积极论证和建设的低轨宽带卫星互联网及手机直连卫星通信，能够正常的看到国内外已经建成的高轨卫星移动通信系统从通信协议、体系架构及传输速率看均与地面移动通信2G/3G系统相当，而当前全球正在建设的低轨宽带卫星互联网星座及手机直连卫星业务系统则面向与5G-A乃至6G深层次地融合的空天地一体化设计，反映出时代和产业的巨大进步，蕴藏着巨大的商业经济价值和投资机会。
商业航天及低轨卫星互联网已成为中国关键战略产业之一，也是新质生产力的典型代表，而移动通信产业是我国信息产业的中坚力量，从技术和运营上看都属于我国的优势产业。如果把商业航天和移动通信两大产业比喻成两艘在太空中运行的巨型飞船，手机直连卫星则可以看作两艘巨型飞船的宏大交会对接，两大产业的融合发展对商业航天和移动通信产业均会产生巨大的推动作用。
传统航天及新兴的商业航天以往是典型的面向B端的产业，手机直连卫星是卫星互联网领域的重大创新和迭代演进的发展趋势，将给商业航天带来前所未有的大规模C端用户和多样化的应用场景，与移动通信产业链的复用也将极大降低手机直连卫星系统装备及终端产品的研制成本，补星互联别是手机直连卫星通信的相关供应链。从移动通信产业高质量发展的角度看，发展以手机直连卫星业务为代表的天地融合网络是实现5G-A及6G “全域通感、泛在智能、空天地一体”愿景的内在需求，手机直连卫星通信有望成为中高端手机的标准功能，将为移动通信贡献较大增量市场，为广大新老用户提供泛在连接的普惠服务，给移动通信运营商带来用户规模和用户价值的双重提升。
卫星互联网及手机直连卫星通信也是当前大国科技竞争的前沿领域，其争取频轨资源的战略意义和巨大的商业经济价值在行业中取得普遍共识。在不久前结束的2024年世界移动通信大会（MWC 2024）上，地面移动通信网与卫星网的融合成为了大会的核心议题之一；专业航空航天投资机构北京元航资本认为手机直连卫星将成为商业航天快速实现商业闭环、应用场景落地以及促进行业可持续发展的关键业务；美国知名航天智库北方天空研究所(NSR)甚至把手机直连卫星描述为“卫星通信历史上最大的机会”。
卫星通信是一种超大覆盖、面向低密度业务应用的无线通信方式，很适合作为地面互联网和移动通信网在人口密集地区之外的覆盖补充和延伸，包括陆地、海洋和天空，实现全时全域泛在连接的通信目标。特别是手机直连卫星有庞大的用户基础，卫星通信产业和移动通信产业的融合发展将产生极低成本的卫星终端解决方案和配套芯片，手机直连卫星的有关技术产品迁移到车联网、物联网领域也将具有强大生命力和广阔市场。
由于手机直连卫星属于商业航天和移动通信交叉融合的工程技术，产业的门槛较高，目前全球仅有中美两个航天技术和移动通信产业均有深厚积累的国家在手机直连卫星领域取得实质性进展。2023年8月华为公司和中国电信在全球率先实现了消费级智能手机直连卫星语音通信的业务化运营，2023年7月中国航天科技集团五院抓总研制的卫星网络技术试验卫星发射升空，2024年1月、2月中国移动和中国联通先后完成了手机直连低轨卫星的在轨试验，中国向国际电信联盟（ITU）正式申报的两个万星巨型低轨互联网星座“GW”和“G60”都在积极地推进。2023年4月，美国AST SpaceMobile公司基于BlueWalker3低轨卫星，使用未经修改的智能手机实现了LTE 4G对星语音通线月SpaceX公司使用Starlink V2.0 mini低轨试验卫星和普通智能手机演示了手机直连卫星的上网功能，下行峰值速率达到17Mbps，并计划在未来两年实现语音通话功能。
中美两国的商业航天公司发展低轨卫星互联网及手机直连卫星通信各有其优势。如果以2002年SpaceX的成立为标志，美国商业航天比中国商业航天起步早13年，如果从上世纪80年代美国政府颁布《商业航天发射法》算起则更早。目前美国公司在低成本、大运力航天运载工具及低轨宽带通信卫星的研发和批量制造方面具有先发领先优势，中国商业航天企业正在奋力追赶，预计多型具有可重复使用架构的大中型液体火箭将在2026年达到商用状态。在移动通信产业方面，中国拥有华为、中兴、中信科、中移动等全球领先的移动通信设施制造商和运营商，而美国从3G时代后已不再拥有本土的移动通信设施制造商，当手机直连卫星技术若干年后发展到接近6G的高级阶段，卫星和地面移动通信系统将在无线接入网和核心网层面做全面和深入的融合，需要卫星制造商、移动通信系统制造商和电信运营商的密切协同 ，届时中国企业在航天技术和移动通信产业的综合优势将发挥关键作用。
卫星互联网业务与手机直连卫星业务既有联系又有区别。卫星互联网业务属于固定卫星业务（FSS）范畴，主要面向宽带数据业务，卫星工作于Ka/Ku等较高频段，Ka/Ku频段空间传输衰减较大，同时高数据率要求接收端的高信号强度/高载噪比，因此卫星互联网用户终端一定要使用高增益的外接天线才能够有效工作，例如SpaceX公司Starlink的互联网用户要使用笔记本电脑大小的平板相控阵天线。
手机直连卫星业务属于移动卫星业务（MSS）范畴，MSS以支持低发射功率、低天线增益的小型手持式终端为目标，国际电信联盟（ITU）把空间传输特性最好的两个卫星低频段L和S频段分配给MSS，同时卫星要采用大口径高增益星载多波束天线来弥补手持式终端较低的射频性能带来的无线链路预算的不足。我国“天通一号”高轨移动通信卫星使用了15米直径的大型可展开网状反射天线，而低轨移动通信卫星一般使用大阵面多波束相控阵天线，例如美国AST公司Bluewalker3手机直连卫星试验星的星载相控阵天线平方米，天线dBi。
目前实现手机直连卫星通信的技术路线主要有三种，分别是卫星网/地面网双模手机方案、面向存量手机方案以及3GPP NTN（Non-Terrestrial Network，即非地面网络）标准方案，三种方案各有优缺点。
手机与地面基站的通信距离通常在几百米到几千米的量级，而手机直连卫星的通信距离则达到与低轨卫星连接的几百千米量级和与高轨卫星连接的36000千米的量级，手机直连卫星超长的通信距离以及低轨卫星的高速移动带来了信号衰落、时频同步、切换及移动性管理等一系列问题需要解决。手机直连卫星使得卫星通信从行业应用迈向了公众电信业务，这是卫星通信的一个重大变化，从“通了就行”到满足电信级QoS(服务质量)需要做很多工作。
双模手机方案是对现有卫星通信技术和与移动通信技术的组合应用，因此该方案技术成熟，特别是使用在轨卫星可快速实现手机直连卫星业务的商用。但是双模手机如果直连“天通一号”这类高轨卫星，地面信号强度很低，双模手机只能实现对星的窄带低速话音和短信业务，无法实现手机对星的宽带上网功能。后两种方案通常基于低轨卫星星座，目前尚处于完善通信标准和发射少量验证星的阶段，但是低轨卫星在通信速率、系统容量、时延等方面具有优势，未来更加匹配于作为地面5G/6G宽带移动通信网的补充和延伸，因此后两种方案，特别是面向3GPP NTN标准的低轨卫星方案被认为手机直连卫星技术的主要发展方向。
华为和中国电信实现的手机直连“天通一号”卫星的方案就是典型的双模手机方案。如图1所示，在这一方案下，卫星通信网与地面移动通信网并未深度融合，基本独立运行，只是将手机做成卫星/地面网双模手机，手机内集成了两套分别面向卫星和地面移动通信网的基带和射频芯片及天线，通过人工选择完成与卫星或地面网的语音通信。“天通一号”卫星的核心网与地面移动通信核心网完成了网间信令的拉通和优化，实现了星/地双模手机用户身份的统一认证，使用单一普通中国电信手机号码的双模手机在卫星网和地面网均可拨打，不再需要用原天通卫星电线”的专门号段。
华为和中国电信此次率先实现消费类手机直连高轨通信卫星并非从零开始，其依托的卫星系统就是我国专门面向手持卫星终端开发的“天通一号”移动通信卫星，卫星系统采用了参照GSM标准制定的GMR-1通信协议，星上透明转发，星状组网。在本次实现消费级手机直连天通卫星之前，“天通一号”已经与十几款入网的行业用天通手持终端配合而平稳运行数年，行业用天通手持终端通常厚实坚固，外接具有相对较高增益的圆极化杆状天线。“天通一号”卫星采用直径15米的大型空间可展开网状反射面天线，以星载微波电路完成波束赋形，可以对地产生上百个高增益点波束（参见图2）。2016年8月、2020年11月、2021年1月“天通一号”01星、02星和03星相继成功发射，三颗星分别覆盖中国本土及南海、西太平洋、东南亚及印度洋北部，可以提供最低速率为1.2kbps的语音业务、短信业务和最大384kbps的数据业务，数据业务需要用带有高增益平板天线的终端设备。
消费级星地双模手机的内置边框卫星天线的增益比行业用天通手持终端的外接杆状天线的增益还要低数个dB，研制方采用多天线圆极化拟合、语音降速、优化信源编码等措施弥补了手机内置低增益天线带来的无线链路损失，同时通过产业方的协作完成了双模手机的卫星收发射频和基带芯片的小型化及低功耗化，参见图3。
华为于2023年8月宣布Mate60 Pro手机具备直连“天通一号”卫星的语音通话功能后，引起了市场的强烈反响。截至到2024年3月底，除了华为三款Mate60系列手机外，还有荣耀、小米、OPPO各一款旗舰手机支持直连“天通一号”卫星的语音通话功能，手机直连卫星已经显现出成为高配置手机标配功能的趋势。
存量手机直连卫星方案指现网的4G/5G手机不做任何修改，完全由卫星侧来解决长距离星地链路和低轨卫星高速运动引入的时频同步、多普勒频移、切换与移动性管理、随机接入、无线链路预算等方面的技术问题，需要引入大面积波束赋形相控阵天线提供高增益波束，满足存量手机直连卫星的无线链路需求和与地面基站覆盖兼容的需求。存量手机直连卫星模式通常由商业航天公司与地面移动通信运营商（MNO）合作并使用地面蜂窝网络的频谱资源来实施。
该模式的优点是海量存量手机用户不用换手机就可以享受手机直连卫星服务，难点是对于多普勒频移及时延补偿等技术问题只能对卫星侧、基站侧进行适应性改造，在手机侧的协议和参数不能修改，在工程上有一定局限性，该方案面对网络拓扑快速变化的星地场景的适应能力也有限。另外，由于各国地面移动通信网频率的分配和使用并不统一，开展全球业务需要做跨国频率协调。
美国SpaceX、AST等公司的手机直连卫星研发走了面向存量手机直连卫星的路线，但从它们公布的网络结构图能够正常的看到两家具体的实现方案不同（参见图4）。SpaceX采用的是基站上星、星上再生处理的方案，并配备有星间激光链路；而AST采用了星上透明转发方案，卫星相当于地面基站的天线模块（RRU/AAU），基站主体安装于地面信关站，手机通过卫星的透明转发完成与信关站后方的地面基站及核心网的高层信令和业务数据的传输，地面基站控制卫星相控阵天线的波束赋形。AST的试验星没有配备星间链路，透明转发方式也难以支持星间链路。
SpaceX公司的Starlink星座在V1.5版之前没有配备星间激光链路，组网方式为“天星地网”，需要在地面配备大量信关站，地面信关站提供了卫星与地面网络的连接功能。目前SpaceX在全球建立了150多座信关站，大部分在美国本土，在海洋等难以建立信关站的区域没办法提供服务。从V1.5版开始的2000余颗在轨卫星已经配备了星间激光链路，这部分卫星以“天网地站”方式组网，减少了对地面信关站的依赖，预计Starlink最终将形成“天网地网”天地双骨干网的架构。星间链路对于由于地理政治学因素难以在全球布建地面信关站的中国卫星互联网运营商及移动通信运营商更加有意义。
3GPP NTN手机直连卫星路线与前两种路线GPP国际标准化组织主导，拥有持续演进能力，面向未来6G星地一体化融合的技术体制，具有主要服务物联网应用的窄带IoT NTN和宽带NR NTN两个分支。
2022年7月，3GPP宣布5G R17标准冻结，标志着5G的第三个标准版本完成。5G R17将网络覆盖场景从地面拓展到了非地面（NTN），经过补充提案后R17标准已确认在空口支持透明转发和星上再生两种模式。在频率方面，3GPP R17为5G NTN 引入了两个专用频段：L波段的n255和 S波段的n256，便于全球业务的开展。纵观移动通信从1G到5G的发展史，全球移动通信标准的种类呈现收敛趋势，统一的国际标准有利于产业的发展，这也是采用3GPP NTN标准的手机直连卫星方案的最大优势，但是3GPP NTN标准还需要一些时间走向成熟。
3GPP NTN 手机直连卫星方案面临的星地时频同步、多普勒频移、无线链路预算紧张等问题与存量手机直连卫星方案基本一样，但是NTN方案可以从卫星侧和手机侧两个方向来协同处理问题，这种“双向奔赴”的解决方案比存量手机直连卫星只能在卫星单侧改动更加系统化。
如图5所示，在采用3GPP NTN协议的透明转发手机直连卫星架构中，卫星仅在变频、放大、波束管理等射频层面处理信号，对射频信号携带的高层协议呈现“透明”状态。透明转发方案相当于地面基站的天线（RRU/AAU）上星，卫星之外的接入网功能都部署在地面，地面信关站后面的5G NTN基站继承了地面移动通信基站在高层协议处理、MIMO、负载平衡、切换管理等方面的功能，具体实现机制3GPP根据卫星运行的特殊场景做出了改进。该方案的缺点是手机至信关站基站的空口传输时延长、对馈电链路的带宽要求高，3GPP R17已经针对长时延引入了额外的定时参数偏移量。该方案另一个先天不足是透明转发不解析高层路由信息，无法支持星间链路，要布设大量地面信关站。总的来说，透明转发模式把基站放在地面，卫星相对简单，网络建设和运维成本低，更适合在发展手机直连业务的初期实施。
在图6表示的采用3GPP NTN协议的星上再生处理手机直连卫星架构中，卫星带有完整的5G NTN基站功能，卫星除了具备基本的射频收发功能外，还可以解调出基带信息，具有星间路由、接入控制和无线资源管理等功能，因此该方案可支持星间链路，基站上星还能减少手机和基站之间协议栈的物理层和MAC层的处理时延。
3GPP NTN方案针对手机直连卫星面临的星地时延和频偏、移动性管理、切换管理、链路层的可靠传输机制（HARQ）等特殊问题做出了系统化的协议增强，比由各个厂家主导的存量手机路线的单侧协议增强更加完备。
地面5G基站可采用CU/DU/AAU合设或分离设置方式，基站上星也能够准确的通过详细情况实施全部基站上星和基站DU上星、CU置于地面的类似处理。R19 NTN已经在3GPP立项，R18/R19涉及的核心网（UPF模块）上星也在积极论证和实测，最终目标是实现6G星地在空中接口、接入网、核心网的全面融合，使得移动通信用户能无感知地在卫星网和地面网中切换和漫游，享受空、天、地、海一体化的连续覆盖和服务。
低轨卫星通信网涉及的关键技术很多，限于篇幅本节仅讨论星载天线技术。天线是通信卫星射频前端的关键部组件之一，对于面向小型手持终端应用的高轨、低轨移动通信卫星，星载大口径高增益多波束天线是对抗星地信号衰落、实现手机直连卫星的必备技术产品。
大型空间可展开网状反射面天线在国内外多型高轨移动通信卫星上得到应用，参见图7。我国在研制“天通一号”高轨移动通信卫星的过程中突破了10米以上直径大口径空间可展开网状反射面天线技术，变成全球上两个掌握该技术的国家之一。这一天线技术除了应用于高轨移动通信卫星，还在我国北斗导航卫星、鹊桥中继卫星、低成本轻量化合成孔径雷达(SAR)卫星及高端高轨合成孔径雷达(SAR)卫星等项目上得到普遍应用。
虽然目前低轨移动通信卫星是研究的热点，但高轨移动通信卫星的独特优点仍不容忽视。据推算，如果高轨移动通信卫星的天线米，就非常有可能使地面手机不仅具备对星语音通话功能，还能使手机以数十kbps的速率上网，基本能够很好的满足图片和文字的网上交流。一颗高轨移动通信卫星即可覆盖全国陆地及周边海域，建设周期和总成本很存在竞争力。高轨卫星和低轨卫星及别的类型通信系统设备各有其优势，高轨卫星、中轨卫星、低轨卫星、临近空间飞行器、无人机、地面基站、星间激光通信网、地面光纤骨干网等多样化通信节点和网络都可能会成为中国未来空天地融合一体化信息通信网的有机组成部分。
低轨移动通信卫星轨道低，视角宽，要求天线具备较大扫描角，低轨卫星对地运行速度快，过顶时间短，需要宽窄波束结合的混合式波束方案保证通信的连续性，同时平板相控阵天线的波束切换能够达到微秒量级，适合低轨星座的跨星快速切换，而反射面天线难以满足大扫描角和快速切换等要求，平板相控阵天线的高性能和低剖面比反射面天线更适合低轨通信卫星的需求。国外近年出现的低轨通信卫星都采用了相控阵天线，包括Iridium NEXT铱星二代、AST Bluewalker3、Starlink V1.0版及Starlink V2.0 mini版等，如图8所示。预计我国即将建设的低轨卫星通信星座也将采用星载平板相控阵天线方案，但还有待突破大阵面、高收纳比星载相控阵天线技术，相关领域值得深入研究。在当前技术发展阶段下，手机的内置卫星天线主要还是低增益无源天线，未来有可能出现适合手机使用的有源相控阵天线，将降低对卫星天线、低轨卫星互联网
通过本文前面对我国低轨卫星互联网及手机直连卫星通信现状和技术路线的梳理分析能够正常的看到，我国两个高确定性的万星低轨通信星座“GW”和“G60”的建设和运维将是两个十年以上的长周期、高度复杂的巨型系统工程，庞大的建设规模和紧迫的时间将拉动整个商业航天产业链产生阶跃式的发展，对火箭、卫星、测控、终端每个方面提出了爆发式的需求，中国的国有航天和民营商业航天都面临着很大的挑战和机会。
大型低成本可重复使用液体火箭，具备一次完成低轨通信星座卫星整轨布署的运载能力
卫星互联网已被国家纳入新基建范畴，也是最新确立的新质生产力的典型代表，手机直连卫星使商业航天与规模巨大的移动通信产业融合发展，我国两个大规模低轨互联网星座正在加速推进，这些都给中国商业航天的发展提供了前所未有的机遇，也给面向商业航天的投资带来了广阔的空间。
作者陈东是元航资本创始合伙人之一，从事商业航天、低空经济、新一代信息技术、新能源及储能、先进制造等领域的研究和投资。
本文转载自“元航资本”，原标题《【EC Viewpoint】低轨卫星互联网及手机直连卫星热潮下的商业航天投资》。
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