01
尚未定义的6G技术与固定角色
5G商业化方兴未艾，6G技术布局却早已开始。在各种不同的6G技术方案中，低轨通信卫星（LEO, 下简称“低轨卫星”）已然被视为未来高效智能互联时代的关键一环，不过在6G规模商用化之前，低轨卫星应用最大的技术考验是如何跨越的？
需要明确的是，现在在国际上关于“6G技术到底该如何定义”这一问题尚未达成一致意见，因此任何超越5G的技术都是未来6G技术的备选方案，马斯克的星链，华为利用北斗三号系统短报文功能做到“捅破天”，甚至量子通信技术等等都可以归于6G麾下。
作为下一代通信标准，实现空天地海一体化是6G的主要方向之一。而要实现人与人、人与物、物与物全球全域的互联，这就需要卫星通信尤其是低轨卫星通信发挥核心作用了，毕竟光靠地面基站还是无法在海洋、沙漠、无人区等地区形成有效覆盖。
实际的技术应用我们其实早就有所耳闻，比如从2021年7月郑州特大暴雨到今年8月的华北暴雨，都能看到的无人机应急通信系统。看似是无人机在地面通信阻断时力挽狂澜大放异彩，背后其实就是卫星通信在发挥作用。
卫星通信技术在走向C端用户之前，一直集中于专业领域，普通民众很少会感受到或者关心它的存在。简单来说，卫星通信技术就是将人造卫星作为中继站，两个或多个终端通过电磁波与人造卫星相连，继而互相通信，最常见的就是导航定位功能。自上世纪五六十年代开始，有能力发射卫星的国家都开始组建自己的卫星通信网络，中国亦然。
根据轨道的高度，通信卫星可以被分为三种，分别是距离地表在3.6万公里的地球同步轨道（GEO）卫星、距离地表2000～1.5万公里的中地球轨道（MEO）卫星。最后则是6G服务的关键“低轨卫星”，低轨卫星低轨卫星部署位置最低，距地表仅有500～2000公里，因为距离近，使得通信时延短、数据传输率高，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效且成本较低，用来向大众提供通讯与影像遥测等功能最为合适。
然而，也正是因为其在低轨道航行，带来了一个低轨卫星通信与生俱来的难题。
02
速度带来技术困扰
由于离地球近，受向心力的影响，低轨卫星绕行地球的速度非常快，可达每小时2.7万公里，绕行地球一周最快只需要一个半小时。在这样的情况下，卫星相对于地面接收机处于高速移动的状态，对通信而言则是一个“噩梦”。
因为在这种情况下，通讯系统设计必须考虑许多因素，其中一个重点就是“多普勒效应”（Doppler Effect）所带来的影响。
什么是多普勒效应？它与低轨卫星通信又有什么关系？1842年，奥地利物理学家多普勒发现，当一个运动的物体朝着观测者而来时，它发出的声波会因为二者间的相对运动被压缩，从而频率升高，听起来更尖锐；相反，当一个物体远离观测者而去时，声波会被伸展，频率下降，听起来更低沉。
可以想象一下当警车鸣笛靠近又远离的过程。当警车靠近，声音会变得尖锐，而后随着警车远去，声音又会变得低沉，人们很容易根据声音变化判断警车与自己的距离——声波在这个过程中的变化就是所谓的多普勒效应。
这种效应同样会发生在电磁波上。由于低轨卫星相对地球的高速运动，移动速度可高达7.4公里每秒，加之低轨卫星通信采用的是高频率频段，因此产生的多普勒频移幅度会极大。卫星发射信号频率与地面接收机接收到的信号频率之间存在着一定的差值, 这个差值就被称作为多普勒频移。
因此，如果想实现稳定连续的通信，终端在通信过程中需要频繁的切换到其他波束或卫星上，也就是不断地“传声”才能继续通话。以美国低轨道卫星通信群、第一代“铱星系统”为例，其最小切换时间间隔10.3秒，平均切换时间间隔277.7秒，而切换越频繁，切换失败的可能性就越大，信息传着传着就不完整了。
此外，如果同时有多颗卫星传输讯号，就有可能由于多普勒频移造成通讯频率的重叠，致使接收到的讯号有所混淆。这些都需要在设计卫星系统时有针对性地测量和补偿。
03
通信之外还有何用
随着近二十年来通信技术、微电子技术的飞速发展，低轨卫星通信系统信号处理能力、通信带宽都在不断提升，针对多普勒效应，研究人员发现可以在讯号格式设计上做出区隔，尽量减少通话掉线的概率；接收机的部分也可应用阵列天线进行波束追踪，以强化讯号、排除干扰等等方式抵消多普勒效应对通信的影响。
所谓“福祸相依”，当研究人员为多普勒效应绞尽脑汁的同时，也认识到多普勒频移的可预测性，也就意味着可以利用低轨卫星电磁波讯号的频移变化来进行定位。
全球四大导航系统现在主要还是依靠中、高轨道导航卫星星座进行定位，但由于其距离地球远信号传输会受到电离层干扰，且导航卫星在运行中难免产生漂移，这些因素都会导致定位误差。现有的定位精度可以满足大众消费的基本需求，但难以满足汽车自动驾驶、无人机、物联网等行业对高精度实时定位的需求。
低轨卫星轨道资源与频谱资源都还处在“先到先得”阶段
如果能把低轨卫星信号加上，作为增强系统，那么卫星导航定位的精度和可用性也会随着提升。简而言之，用户所使用的终端需接受两组数据，其中一组是导航卫星发射的原始定位数据，另一组则是由低轨卫星发射的修正数据，终端在接收修正数据后，会修正原始定位数据，降低误差。
无论是从通信还是定位导航角度考虑，未来6G时代低轨卫星的重要性相比5G时代都是有增无减。也正因此，轨道资源（卫星占位）与频谱资源（卫星与地面联络）的稀缺性也逐渐显现。
