基于專利分析的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展研究

趙瑞環(huán) 楊艷芹 宋潔瓊 張 蕾

1.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

2.吉林省四平市伊通滿族自治縣融媒體中心

3.中國(guó)自控系統(tǒng)工程有限公司

手機(jī)直連衛(wèi)星指使用消費(fèi)級(jí)非專用移動(dòng)終端，通過不改或少量修改基本配置，來解決傳統(tǒng)專用衛(wèi)星移動(dòng)通信終端資費(fèi)昂貴、外形笨重、通信速率低和功能有限等問題，從而突破應(yīng)急和高端市場(chǎng)，走向大眾應(yīng)用。針對(duì)未來復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，手機(jī)直連衛(wèi)星也將成為單兵作戰(zhàn)與救援的一類關(guān)鍵解決方案。

專利作為科技成果的重要體現(xiàn)，日漸成為技術(shù)創(chuàng)新的主要資源，通過充分挖掘?qū)＠谐休d的技術(shù)信息，可以為我國(guó)相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供有力支撐。為了全面掌握手機(jī)直連衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，本文基于德溫特和incoPat 專利數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行全球?qū)＠麢z索，截止日期為2023 年3 月10 日，篩選出相關(guān)專利873 項(xiàng)。通過手機(jī)直連衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)定量分析，對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)成和專利申請(qǐng)人等進(jìn)行研究，有助于國(guó)內(nèi)相關(guān)單位了解手機(jī)直連衛(wèi)星領(lǐng)域技術(shù)研制概況，洞悉國(guó)外技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，從而進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)衛(wèi)星通信服務(wù)新賽道更快速地發(fā)展與培育。

一、技術(shù)構(gòu)成分析

手機(jī)直連衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)的專利申請(qǐng)主要聚焦在天基系統(tǒng)構(gòu)建、星上載荷、通信體制設(shè)計(jì)和終端應(yīng)用等4 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域（見圖1）。其中，業(yè)內(nèi)在衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)、星上數(shù)字處理、天地組網(wǎng)、星間鏈路、星地同頻、非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的關(guān)注度較高；手機(jī)直連下的低軌星座設(shè)計(jì)和大型相控陣天線則是未來技術(shù)突破方向。

圖1 手機(jī)直連衛(wèi)星全球?qū)＠夹g(shù)構(gòu)成

1. 天基系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

在天基系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)研究主要來自于中國(guó)和美國(guó)。其中，西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所近年來投入頗多，先后在專利中提出小衛(wèi)星集群自組網(wǎng)（CN103684576B）、低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)小區(qū)切換方法（CN111182594B）、激光通信捕獲跟蹤系統(tǒng)（CN105356943B）等；上海衛(wèi)星工程研究所對(duì)該領(lǐng)域也非常關(guān)注，分別在專利CN113489526B、CN108833010B 中提出了在環(huán)狀網(wǎng)星座的分布式自主任務(wù)規(guī)劃、星地激光通信光束漂移自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)确桨?。美?guó)企業(yè)則相對(duì)側(cè)重于應(yīng)用層面的研究，全球星電子有限公司在專利US6233463B1 中描述了一種衛(wèi)星地面移動(dòng)終端自動(dòng)漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)終端借助收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與網(wǎng)關(guān)之間的雙向通信；休斯通信公司在專利US10856333B2 中提出了一種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，通過地面無(wú)線網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)中的用戶終端與eNodeB 之間的空中接口，完成了因特網(wǎng)協(xié)議和非IP 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

2. 星上載荷技術(shù)

在星上載荷方面，相關(guān)專利技術(shù)主要集中在大型相控陣技術(shù)和數(shù)字再生技術(shù)方面。透過已公開專利申請(qǐng)可以看出，領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)先行者AST SpaceMobile 公司重視大型相控陣的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，先后在專利中提出衛(wèi)星無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)波束和網(wǎng)關(guān)無(wú)縫切換方法（US11463159B2）、高通量分級(jí)衛(wèi)星（US20220038174A1）、空間物體的動(dòng)量輪和反作用輪（US20220297857A1）等。通信測(cè)控技術(shù)研究所也在有效載荷星上處理技術(shù)方面多角度創(chuàng)新，在透明與處理相結(jié)合的可重構(gòu)柔性轉(zhuǎn)發(fā)（CN105827305B）、數(shù)字信道化波束形成的星上柔性交換（CN114124194A）等方面陸續(xù)有方案公開。

3. 通信體制設(shè)計(jì)

在手機(jī)直連衛(wèi)星通信體制設(shè)計(jì)方面，中國(guó)企業(yè)投入比重最大，美國(guó)次之。針對(duì)星地同頻技術(shù)，各研制單位為解決衛(wèi)星與地面基站在采用相同頻率時(shí)產(chǎn)生的干擾等問題，正在加大干擾的協(xié)調(diào)和管理等新型方案部署，如Lynk Global 公司的專利US10951305B2 提出通信干擾抑制方法，專利US10951305B2 使用地面基站與軌道基站相同的協(xié)議、頻譜或定時(shí)來過濾干擾。針對(duì)短報(bào)文通信技術(shù)，我國(guó)的華為技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華為”）創(chuàng)新方案豐富，在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)間的短信服務(wù)方法、短報(bào)文消息接收／管理方法、北斗通信系統(tǒng)中的白名單控制方法等方向均有涉及。

4. 終端應(yīng)用研究

在終端應(yīng)用研究方面，國(guó)內(nèi)外企業(yè)主要圍繞移動(dòng)通信芯片和智能場(chǎng)景展開創(chuàng)新設(shè)計(jì)。近年來，得益于國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體技術(shù)和北斗系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展，國(guó)內(nèi)各廠商開始加大短報(bào)文芯片研制，主要專利申請(qǐng)單位涵蓋了中國(guó)電子科技集團(tuán)、東方紅衛(wèi)星移動(dòng)通信有限公司、國(guó)防科技大學(xué)、聯(lián)發(fā)科、華為等。如國(guó)防科技大學(xué)的專利CN111800184A 提出可嵌入手機(jī)低功耗服務(wù)的衛(wèi)星通信方法；東方紅衛(wèi)星移動(dòng)通信有限公司的專利CN113872678A 提出星內(nèi)終端移動(dòng)性管理方法；華為的專利CN105790824B 提出面向衛(wèi)星系統(tǒng)的多終端尋址方法。國(guó)外的創(chuàng)新主體包含了高通在內(nèi)的領(lǐng)先半導(dǎo)體公司，其專利EP1121604A1 提出衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的用戶終端快速定位方法。

二、專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

隨著衛(wèi)星移動(dòng)通信的快速發(fā)展，美國(guó)有多個(gè)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)、協(xié)同組網(wǎng)和星間鏈路等方面進(jìn)行了大量創(chuàng)新，為其后續(xù)在手機(jī)直連衛(wèi)星方面積累了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。由于低軌星座、星上載荷和終端芯片技術(shù)的不斷突破，2018 年開始，全球?qū)＠暾?qǐng)量持續(xù)快速上升。從相關(guān)技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)（見圖2）對(duì)比來看，近幾年我國(guó)的專利申請(qǐng)量與歐美等國(guó)家相比有了大幅度提升。

圖2 手機(jī)直連衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

全球?qū)＠暾?qǐng)量排名前18 位的創(chuàng)新主體中（見圖3），中國(guó)企事業(yè)單位較多，共有10 家；國(guó)外在手機(jī)直連衛(wèi)星研制上專利申請(qǐng)量排名靠前的創(chuàng)新主體有8 家。其中高通公司、AST SpaceMobile 公司、Lynk Global公司和華為公司作為手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展最具代表性的企業(yè)，其專利布局豐富且細(xì)致。以下結(jié)合這4 家公司的手機(jī)直連衛(wèi)星發(fā)展動(dòng)態(tài)分析其專利技術(shù)特點(diǎn)，以期掌握各企業(yè)在技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究側(cè)重方向和關(guān)鍵突破點(diǎn)。

圖3 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)人排名

1. 高通公司

高通公司作為美國(guó)通信巨頭，已開發(fā)一款名為驍龍衛(wèi)星通信的產(chǎn)品，可以將其添加到任何安卓智能手機(jī)和其他設(shè)備中。據(jù)稱，高通已與銥星公司達(dá)成協(xié)議，為下一代安卓旗艦智能手機(jī)提供基于衛(wèi)星的連接，并發(fā)布全球首個(gè)可在高端智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)雙向通信的解決方案，未來甚至將探索衛(wèi)星連接筆記本電腦和汽車。

高通公司專利布局豐富，主要集中在衛(wèi)星通信體制、星上載荷和終端應(yīng)用上，專利技術(shù)涉及星間切換（IN201847009310A）、高增益衛(wèi)星通信天線（AU2000069165A1）、波束間切換時(shí)的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）處理（IN201847009499A）、窄帶非地面網(wǎng)絡(luò)的波束重選（IN202247065361A）、多普勒頻偏補(bǔ)償（CN1783750B）等；另外，針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的快速用戶終端定位（EP1121604A1）、低成本衛(wèi)星用戶終端的天線（IN201847012816A）、基于波束跳變的無(wú)線設(shè)備分集（US20220394497A1）、 波 束 管 理（IN202227040873A）、 窄 波 束 技 術(shù)（US20220045727A1）等專利技術(shù)，該公司也進(jìn)行了大量專利布局。

2. AST SpaceMobile 公司

AST SpaceMobile 公司旨在構(gòu)建一個(gè)包含16 個(gè)軌道面、243 顆衛(wèi)星的低軌通信星座，實(shí)現(xiàn)普通智能手機(jī)不做任何功能修改即可通過衛(wèi)星獲得4G 和5G服務(wù)。該公司的原型衛(wèi)星“藍(lán)行者”3號(hào)（BlueWalker 3） 已 于2022 年9 月11 日成功發(fā)射，并已部署有史以來最大的商業(yè)通信陣列。AST SpaceMobile 公司計(jì)劃2023 年第一季度進(jìn)行直連地面蜂窩設(shè)備的衛(wèi)星能力測(cè)試，支持移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商與“藍(lán)行者”3 號(hào)互聯(lián)，為未來與星座內(nèi)的“藍(lán)鳥”（BlueBird）衛(wèi)星商業(yè)服務(wù)做準(zhǔn)備。

作為手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)的先行者，AST SpaceMobile 公司的專利布局細(xì)致且豐富，其專利技術(shù)涉及高通量衛(wèi)星系統(tǒng)（US20220038174A1）、多普勒頻偏補(bǔ)償（US20210218464A1）、網(wǎng)絡(luò)訪問管理（US20220014264A1）、衛(wèi)星多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)（US20210044349A1）等；另外，針對(duì)無(wú)線設(shè)備地理定位（US20220140890A1）、衛(wèi)星姿態(tài)控制（US20220297857A1）、星上高增益相控陣天線的設(shè)計(jì)、管理與應(yīng)用（US62671900P0、IN202117055963A）等，AST SpaceMobile 公司也進(jìn)行了一定專利保護(hù)。

3. Lynk Global 公司

Lynk Global 公司是一家專注于為移動(dòng)電話提供通用連接的移動(dòng)技術(shù)公司，是唯一獲得美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）許可并即將開展商業(yè)服務(wù)的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商。近期，該公司宣布即將在夏威夷建成一個(gè)地面站，這是其計(jì)劃在全球部署的數(shù)十個(gè)地面站中的第一個(gè)，也是其不斷增長(zhǎng)的小型衛(wèi)星群與標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)連接計(jì)劃的關(guān)鍵部分。

Lnyk Global 公司的專利相對(duì)少一點(diǎn)，主要涉及天地直連通信方法、接收機(jī)與發(fā)射機(jī)通信參數(shù)設(shè)置等，如專利IN201917036237A 和US20220038849A1。同時(shí)，該公司在由空中基站與地面基站構(gòu)成的空間通信網(wǎng)絡(luò)（US20220052753A1）、星間衛(wèi)星通信和星上通信載荷（US20220021446A1）、星地直連設(shè)備認(rèn)證與廣播服務(wù)方法（US20220240084A1）等技術(shù)上也進(jìn)行了多地域的專利布局。

4. 華為技術(shù)有限公司

作為移動(dòng)設(shè)備制造商，華為公司于2022 年9 月發(fā)布了支持手機(jī)衛(wèi)星通信的新機(jī)型Mate50，Mate50 系列支持“北斗”衛(wèi)星消息。華為在手機(jī)直連衛(wèi)星應(yīng)用嘗試上勇開先河，自2018 年起，先后布局了近30 項(xiàng)專利用于星地直連通信功能的保護(hù)圍欄構(gòu)建，對(duì)通信體制設(shè)計(jì)和終端應(yīng)用尤為關(guān)注，其專利涉及衛(wèi)星通信領(lǐng)域內(nèi)的極化碼編碼方法（CN113810059A）、用于衛(wèi)星系統(tǒng)的極化編碼方法（CN113810060A）、高可靠性數(shù)據(jù)傳輸方法（CN113691300A）等。此外，針對(duì)短報(bào)文消息接收／管理方法也進(jìn)行了專利布局，如專利CN115119138A 和CN114827913A。相關(guān)技術(shù)的提前研制和布局保護(hù)，為華為全球首款支持“北斗”衛(wèi)星消息的智能手機(jī)的順利發(fā)布與推廣鋪平了道路。

三、結(jié)論

基于專利的多維度分析結(jié)果來看，隨著手機(jī)直連衛(wèi)星熱度的持續(xù)上升，專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)快速走高趨勢(shì)，主要來自于中國(guó)、美國(guó)、歐洲、印度和日本等國(guó)家。其中，中國(guó)和美國(guó)專利量最多，但技術(shù)構(gòu)成區(qū)別明顯：美國(guó)側(cè)重于星上載荷技術(shù)和星座構(gòu)建應(yīng)用的發(fā)展，在通信體制設(shè)計(jì)和終端應(yīng)用上相對(duì)欠缺；而中國(guó)在通信體制設(shè)計(jì)和終端應(yīng)用投入比重大，也重視天基系統(tǒng)的構(gòu)建，但是相較美國(guó)星座構(gòu)建還有一定差距。從專利技術(shù)分布來看，國(guó)內(nèi)外在星上處理、星地同頻、星上載荷、協(xié)同組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域均已實(shí)現(xiàn)較多技術(shù)突破，而大型相控陣天線和低軌星座設(shè)計(jì)則是未來主要技術(shù)突破方向。另外，從國(guó)外近幾年公開的專利來看，如AST SpaceMobile、Lynk Global 等優(yōu)勢(shì)主體重視其創(chuàng)新技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，部分關(guān)鍵創(chuàng)新在多個(gè)國(guó)家進(jìn)行了廣泛的同族專利布局。我國(guó)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)研制的同時(shí)，也要注意好規(guī)避，結(jié)合專利保護(hù)的地域性特點(diǎn)，防范侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。