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iPhone13支持卫星通讯为什么这么难?

来源:曲博科技教室

#曲博科技教室#

#曲建仲#

2022-09-07

【编者按】本文作者曲建仲,内容来自曲博科技教室,集微网经原作者授权转载。

去年媒体爆料iPhone13系列有望支持卫星通讯,透过连接低轨道卫星提供电话和讯息功能,同时提到卫星通讯服务公司GlobalStar很大机会获Apple选中成为服务供货商,消息传出后GlobalStar股价立刻大涨。可惜好景不长,后来举行的iPhone13发表会上苹果只字不提卫星通讯功能,造成GlobalStar股价下跌,最近iPhone14又有传言说会有卫星功能,到底是真是假?到底分析师的爆料是真是假?苹果真的有在研究低轨道卫星通讯吗?为什么要把卫星通讯放在手机上这么困难?

首先我相信分析师的爆料是真的,苹果真的有在研究低轨道卫星通讯,但是那天我看到这个爆料之后,立刻和身边的朋友说:我赌苹果会发现iPhone加上了卫星通讯以后优点有限缺点无穷,最后会暂时放弃这个想法。那么这到底是为什么呢?

先谈谈15年前苹果被爆料的另外一个点子吧!

我们的手机在使用时最大的缺点就是屏幕太小,6吋左右的屏幕常常让我们觉得太小用不顺手,但是把屏幕加大又不方便,15年前德州仪器发明了微型「数字光源处理器(DLP:Digital Light Processing)」,它是使用一个单芯片的「数字微镜(DMD:Digital Micromirror Device)」把影像投射到手机外的屏幕上,有点类似我们看电影那样,而且光学机构可以做到只有尾指的大小,却可以投射出20吋以上的影像,当时也有许多媒体爆料下一代iPhone将会内建这个功能,我当时就和朋友说10年之内绝不可能,因为苹果会发现iPhone加上了投影显示器以后优点有限缺点无穷,为什么呢?

智能手机的重点是轻薄短小,电池续航力要长,掌上型的投影显示器是使用发光二极管(LED)提供光源,在投射的时候很耗电,而且要投射的屏幕尺寸愈大亮度愈高耗电量愈大,这意味使用者可能投影10分钟就没电了!这样的使用情境会被接受吗?如果要延长使用时间,就必须增加电池的大小,因此光学机构加上电池大小,至少会让iPhone增加20%的尺寸、重量、价格,我相信苹果研究之后会暂时放弃这个想法,结果到被我猜中了!而且一放弃就是15年。

为什么iPhone13支持卫星通讯这么难?

要了解这个原因,就必须先了解低轨道卫星到底是什么?可以参考我之前发表的文章:卫星和你想的不一样:别再说星链计划是6G了!

基本上马斯克的星链计划(Starlink)使用可回收火箭,一次发射60颗小型低轨道卫星,再加上近年来微型卫星的数据传输率提升,因此不论在成本、特性、费用等各方面都有优势,一定会成功取代现有的中、高轨道卫星,应用在现有的卫星通讯市场,包括:飞机、船艇、深山或乡村人烟稀少的地方,以上都是正确的说法。

但是卫星通讯也有它的限制,首先地面基站距离手机大约5公里,而低轨道卫星距离手机500公里,这意味着手机里负责处理电磁波的「射频组件(RF:Radio Frequency)」与「功率放大器(PA:Power Amplifier)」必须放大到现有的100倍能量,如图一所示,不但尺寸很难缩小耗电量也很大,如果要延长使用时间,就必须增加电池的大小,因此射频组件加上电池大小,至少会让iPhone增加10%以上的尺寸、重量、价格,更重要的是加了这个到底有什么用处?大概就是让用户在郊游或爬山没有基站时可以求救使用,彭博的记者证实了这个想法。

iPhone低轨道卫星通讯功能遭彭博社揭秘,主要用在紧急救援

https://mrmad.com.tw/iphone-low-orbit-satellite-communication-function 

图一  手机的射频组件(RF)示意图。

低轨道卫星还有那些困难?

网络上流传了许多关于低轨道卫星的未来,真实的信息是有,夸大的信息更多,可以说是马斯克说什么就有人信什么?我这里举一个例子:

第一期:太空星链卫星间以激光技术作数据传输,因为太空为真空环境,2020年星链卫星已验证成功。

第二期:太空星链卫星与地面固定的数据交换中心站以激光技术作数据传输,因为有大气层空气介质干扰,及星链卫星激光装置的发射功率与装置设计的大小,要能平衡与优化,研发需要时间,预定3-5年后完成运作。

第三期:太空星链卫星与飞机、船艇、电动车的机载接收装置,以激光技术作数据传输,因为精巧多角度激光收发组件开发需要更多时间,预定8-10年后完成,成功后,星链卫星网络系统全面采用激光技术传输数据,到时星链卫星服务就成为「太空超5G (Space Beyond 5G)」,可正式称为「太空6G (Space 6G)」。

光是看完这段文字,我想星链公司(Starlink)的股价至少可以再炒高100倍!重点是上面这些话,有的对有的错,穿凿附会就是为了炒股而已,到底那些是对的,那些又是夸大的呢?

让我们先回来了解一下低轨道卫星的特性

所谓的通讯卫星,就是把架设在地面大楼屋顶的基站移到太空中,优点是讯号覆盖范围大,几乎可以传送到世界的任何一个角落,主要分为三类,如表一所示。

表一  三种通讯卫星的特性比较。

其中要特别留意,低轨道卫星大约每2小时绕行地球一圈,换算出来时速大约27,000公里,相当于音速的22倍,当我们在地面上抬头从地平线的一端看到它,到它由地平线的另一端消失只有大约10分钟,意思是一般我们用的5G是「基站不动手机动」,手机移动时必须换基站来维持通讯;而低轨道卫星是「手机不动基站动」,而且基站移动的速度是音速的22倍,手机每10分钟要换一个基站来维持通讯,这是不是颠覆了你的想象?

太空星链卫星间以激光技术作数据传输成本高

由于光波在真空中传播的速度比在光纤介质中快,因此直接使用激光光在外层空间传送数据的确是比在地面用光纤传送速度更快,他们就是用这个话术唬过华尔街的投资人,但是他们没有说清楚的是,既然如此为什么科学家不早点这么做,却要在地面上大费周章拉什么跨海光缆呢?

因为激光是直线前进的光束,光点大约只有几毫米(mm),要在两颗时速大约27,000公里,距离大约200公里的卫星之间对准到毫米的精确度非常困难,发射端只要偏差1度,距离200公里外就偏了3.5公里,如果要对准到毫米的精确度,则发射端只能偏差0.000001度,如何在时速大约27,000公里的卫星上控制激光光到这样的精确度?如果卫星移动速度相同,卫星之间没有相对速度还比较容易;如果卫星移动速度不同那就困难了!因此卫星间使用激光光通讯设备昂贵,不同于地面光纤通讯使用的组件。星链公司虽然已经验证成功,但是要解决的问题还很多,特别是成本的问题。

太空星链卫星与地面以激光技术作数据传输更困难

低轨道卫星时速大约27,000公里,距离地面大约500公里,要和地面固定的接收站使用激光光通讯,则发射端只能偏差0.0000005度,而且大气层空气介质会干扰,空气中的水汽会吸收激光发出的红外光,更别说地面的飞机、船艇、电动车也在移动,要怎么对准?美国太空发展署(SDA)以及国防高等研究发展署(DARPA)的确有在研究低轨道卫星与地面固定的接收站使用激光光通讯,不过那都是国防运事用途。

现在大家明白,为什么现在的卫星通讯都是使用电磁波而不是激光了吧!因为电磁波是放射状向四面八方发射,而且会绕射越过障碍物,地面接收天线只要在一定的范围内都收的到。所以我常说:当你听到一个新技术被吹嘘得多么多么的好,但是人类却又一直都没有使用,那原因很简单,就是这个新技术也有许多许多问题。

难道星链公司的人都不知道这个很难吗?

他们当然知道,但是不画大饼怎么能吸引华尔街的投资人?重点是吹牛必须讲的煞有其事,还必须连时程表都规划好,上面那个第一期、第二期、第三期就是最好的例子,在我解说之前大家看了是不是也觉得很有道理,甚至心里有一股冲动想要去抢购星链公司的股票?

更重要的是媒体也没多少人真的了解这么多,利用媒体放消息炒作得震天价响,可以烘托出公司未来一飞冲天的氛围,同时他们算准了华尔街的投资人都是财经专家,只要饼画得够大,计划书写得煞有其事,就可以唬住大家拿钞票来投资,饼画小了他们还不屑投资呢!至于未来是不是能做到那是五年甚至十年以后的事了,你看看他写的时程不也就差不多是这个时间?

有什么办法可以让iPhone14支持卫星通讯?

有网友在西瓜频道的曲博科技教室上留言呛声:任何人学科学地应该知道Never say never。坦白说这是对的,但这是在鼓励科学家要发挥想象力,所以它是对着科学家说的,不是对着工程师说的,工程师的工作是要把东西做出来而且要达到一定的良率或正确率,还要考虑成本和使用情境,这个往往才是最困难的地方,所以我们更常说You cannot sell the cow and drink the milk(鱼与熊掌不可兼得)。

考虑到iPhone支持低轨道卫星必须把射频组件与功率放大器整合到手机里,电池也要加大,这样会增加20%以上的尺寸、重量、价格,大概就是让用户那天出外郊游或爬山没有基站时可以求救使用,我认为比较可行的方法是把低轨道卫星通讯组件做成一个「模块(Module)」与手机分开,有需要的用户再购买这个模块,而且平常不需要带在身上,要出外郊游或爬山时再带出门,这样就可以在平时享受轻巧的手机,在郊游或爬山时享受低轨道卫星的通讯服务,这不就同时满足鱼与熊掌了吗?

想要做个聪明的投资人还是赚钱的投资人?

想要做个聪明的投资人吗?那就得乖乖地静下心来学科技,把真相都了解了再来决定要如何投资,别被他们当傻子给唬过去了!

有趣的是,我发现这样反而错失炒股赚钱的机会,因为股市是由华尔街在操控的,华尔街大部分是财金专家,股票的涨跌是他们说了算,因此科技公司只要饼画得够大,牛吹得煞有其事,就能唬过他们追捧股票,结局就是股价大涨。真正了解背后的原理,就知道风险很高不敢投资,结果反而错失了赚钱的机会。

不过接下来华尔街的把戏就是利用媒体扩散宣传让散户一起追捧,再把股票倒给大家,唉!这就是股票市场天天上演的把戏不是?

责编: 爱集微

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