卫星通信这个词听起来离我们很远，但实际上每天都在接触。手机定位用的GPS、北斗、Galileo就是卫星通信的一种，车载导航、共享单车定位、外卖骑手调度全都依赖天上那几十颗卫星。最近几年SpaceX的星链（Starlink）把卫星通信推向了消费级市场，一套终端加几千颗低轨卫星就能在偏远山区、海上、飞机上高速上网，彻底改变了大家对"卫星=笨重大天线"的印象。今天从技术层面聊聊卫星通信到底是怎么回事。

先从分类说起。卫星通信按轨道高度分三类：低轨（LEO，Low Earth Orbit）、中轨（MEO，Medium Earth Orbit）、高轨（GEO，Geostationary Earth Orbit，又叫静止轨道）。低轨卫星高度一般在300km到1200km之间，周期90分钟左右绕地球一圈；中轨在2000km到35000km之间，GPS和北斗的导航卫星就在这个高度（约20200km，周期12小时）；高轨在35786km，这个高度上卫星绕地球一周正好24小时，跟地球自转同步，所以在地面看起来是固定不动的，传统的通信卫星、电视直播卫星大多在这个轨道。

不同轨道各有优缺点。高轨卫星的优点是"静止"，地面站天线对准之后不用跟踪，一颗卫星能覆盖三分之一地球表面，三颗就能覆盖全球。缺点是距离远，信号延迟大（单程大概250ms，往返500ms），而且发射窗口只有几分钟（因为卫星在天空中移动），单次传输的数据量受限制，带宽也不够大。中轨卫星主要用于导航，不做通信。低轨卫星距离近，信号延迟小（单程10ms-50ms），单颗卫星带宽虽然不如高轨，但可以用成千上万颗组成组网，在全球形成一个立体通信网络。这就是为什么星链、OneWeb、Amazon Kuiper这些低轨互联网星座成为当前卫星通信的主战场。

卫星通信的基本组成很简单：空间段（卫星）和地面段（地球站）。卫星本体主要由载荷、平台两部分。载荷是有效载荷，也就是天线、转发器、信号处理器这些负责通信的部件；平台是支撑系统，包括太阳能电池板、电池组、姿控系统（保持卫星朝向正确）、温控系统（保证器件在-100℃到+100℃的太空环境里不冻不烤）、通信总线等。星链卫星因为要做大规模组网，做得特别紧凑，每颗只有约260kg，太阳能板可展开到20㎡左右，天线是相控阵（Phased Array），不用机械转动就能快速指向不同方向。

地面段的核心是用户终端。星链的用户终端叫Starlink Dish，看起来像一个小圆盘，带电机可以自动对准天空中最近的卫星（实际是相控阵+机械跟踪结合，先用相控阵大角度搜索，找到信号后电机微调）。用户终端的主要技术挑战是低功耗、小型化、低成本。相控阵天线比传统抛物面天线贵得多，星链通过大规模量产（单颗卫星成本控制在50万美元以内，整套终端在国内卖几千块）把单价压下来了。国内的替代方案比如国网的卫星互联网终端、华为的星网终端，也在往这个方向走。

工作流程是怎样的？用户发数据时，先通过地面站（用户终端）把信号上行发向当前可见的卫星A，卫星A接收处理后，要么通过星间链路（激光通信）直接传给下一颗卫星B，要么通过地面网关（Gateway）回落到地球，再走光纤骨干网传出去。下行链路反过来：数据从地面网关或者星间链路传到当前覆盖用户的卫星，卫星下行发给用户终端。星间链路用的是激光通信，带宽高达100Gbps以上，比传统的微波链路快好几个数量级，这也是星链网络延迟低、吞吐高的关键技术之一。

导航卫星（GPS、北斗）的通信原理跟通信卫星不一样。导航卫星本身不做数据中转，它的核心功能是广播导航电文。每颗卫星上都有高精度的原子钟（铷钟或铯钟，精度到纳秒级），不间断地向地面发送自己的时间戳、轨道参数（星历）、健康状态等信息。地面接收器（比如手机里的GPS模块）同时接收4颗以上卫星的信号，根据每颗卫星信号到达的时间差，就能算出自己到每颗卫星的距离（伪距测量），再结合卫星的精确轨道位置，通过数学上的三边测量法算出经纬度、高度、速度，同时把接收器的时钟同步到GPS时间。北斗比GPS多了两个独创功能：短报文通信（用户可以通过北斗卫星发一条140字以内的短消息给其他人，相当于卫星短信）和精密单点定位（定位精度可达厘米级，用于测绘、自动驾驶等高精度场景）。

当前卫星通信行业的热点是低轨卫星互联网。除了星链（目前已发射超过5000颗），国内的"中国星网"（前身是中国卫通的低轨计划，后来独立出来成立了中国卫星网络集团）也在密集发射试验星，计划部署1.3万颗卫星；欧洲的OneWeb（破产重组后继续推进）348颗卫星已部署完成；Amazon Kuiper计划3236颗。未来几年低轨卫星星座的总规模可能超过2万颗，给太空轨道管理带来巨大挑战，报废卫星和太空垃圾的清理也成了新的行业痛点。

最后说点实际的。如果你在考虑装卫星上网，星链的月费大概几百块人民币，国内目前部分地区可以开通；中国星网的民用服务还在试点阶段，预计这两年会有商业化产品。在偏远山区、远洋船、沙漠科考站这些没有光纤和移动网络覆盖的地方，卫星通信是唯一的选择。如果你只是日常上网，还是用光纤和5G吧，速度更快、延迟更低、价格也便宜。卫星通信的价值在于补覆盖而不是替代。