手机终端低轨卫星宽带通信中继天线配置技术研究

手机终端使用低轨卫星进行宽带通信是否需要配置中继天线，这一问题的答案取决于手机终端类型和卫星侧技术设计。本研究通过对手机终端直连技术路径、中继天线功能定位以及无人机中继方案的深入分析，揭示了不同场景下的技术选择逻辑。研究表明，普通消费级手机通过卫星侧技术创新（如大孔径相控阵天线、专用频谱等）可以实现无需中继天线的直连通信，但通信能力受限；专用卫星手机和改造手机则可能需要外置辅助天线以增强信号。将中继天线搭载在无人机上形成的空中中继方案，在技术上完全可行，能够支持附近区域手机终端的低轨卫星宽带通信，并已在应急通信等场景中得到实际应用验证。相比传统卫星通信，无人机中继方案具有部署灵活、成本效益高等优势，单次任务成本可降低 60%，通信畅通可使灾害损失减少 15%-20%。

摘要

1. 引言

随着低轨卫星通信技术的快速发展，手机终端与卫星的直接通信正从概念走向现实。Starlink、AST SpaceMobile 等公司的技术突破，使得普通智能手机无需额外硬件改造即可接入卫星网络成为可能。然而，在实际应用中，由于手机终端天线增益低、发射功率小等固有局限性，卫星侧需要采用大孔径相控阵天线等技术来弥补这些不足。

在某些场景下，特别是在地面网络中断的应急通信需求中，将中继天线配置在无人机上形成空中中继站，可能是一种更为灵活和有效的解决方案。这种 "无人机 + 卫星" 的立体化通信方案，能够在 "断网、断电、断路" 的极端环境下快速构建临时通信链路，成为连接 "孤岛" 的空中桥梁。

本研究旨在深入分析手机终端使用低轨卫星进行宽带通信时的中继天线配置需求，探讨无人机中继方案的技术可行性和应用价值，为相关技术选择和系统设计提供理论依据和实践指导。

2. 手机终端直连低轨卫星宽带通信的技术路径分析

2.1 消费级手机直连技术能力与限制

消费级手机直连低轨卫星宽带通信代表了卫星通信技术的重大突破。与传统卫星通信需要专用设备不同，现代消费级手机通过卫星侧的技术创新，已经能够实现与低轨卫星的直接通信。

在技术能力方面，目前的技术突破主要体现在以下几个方面：首先，卫星侧采用了大孔径、高增益的星载大型相控阵天线，弥补手机内置天线增益低、发射功率小的短板。例如，Starlink V2 卫星搭载的相控阵天线面积达 25-32 平方米，是 VLEO 轨道上最大规模的商业相控阵天线。AST SpaceMobile 的 BlueWalker 3 卫星更是采用了 693 平方英尺（约 64 平方米）的超大孔径相控阵天线，专门设计用于与标准未修改移动设备直接通信。

其次，频谱资源的创新利用解决了兼容性问题。Starlink 通过收购 1.9GHz PCS 频段，该频段与地面 4G/5G 网络一致，使得现有智能手机无需硬件改造即可接入卫星网络。这种频谱共享策略大大降低了用户使用门槛，实现了真正意义上的 "无缝切换"。

在通信性能方面，根据实际测试结果，T-Mobile 与 Starlink 合作的卫星服务在 5MHz 信道下，下行速率可达 16.9-18.3Mbps。AST SpaceMobile 的 BlueWalker 3 卫星在测试中实现了约 14Mbps 的下载速率，打破了此前的天基蜂窝宽带数据传输记录。中国电信在 NTN 技术试验中，通过 HARQ 机制优化，在 10MHz 带宽配置下实现了下行峰值速率 33.5Mbps，较普通 5G 手机卫星接入速率提升至 2.5 倍。

然而，消费级手机直连技术也存在明显的限制：

通信能力受限：由于手机天线增益低（通常小于 - 5 dBi），通信能力远不及地面网络。测试显示，视频通话画质仅为 144p-240p，每 1-2 分钟出现 1 次卡顿，平均持续时间仅约 6 分钟。

信号稳定性问题：在无地面蜂窝信号的盲区，虽然手机可成功连接星链卫星，但约 30% 的测试时段出现 "无信号格" 提示。信号易受遮挡影响，在树荫遮挡处信号强度下降 60%，重度操作频繁中断（成功率＜30%）。

卫星切换挑战：低轨卫星相对地面用户进行高速运动，带来远超地面通信系统的多普勒频移以及时延变化率，给终端与网络间的时频同步状态带来挑战。低轨单星服务时间短，卫星频繁切换导致的业务连续性难以保障。

2.2 专用手机终端与消费级手机的技术差异

专用卫星手机与普通消费级手机在技术设计上存在根本性差异，这些差异决定了它们在卫星通信中的不同表现。

在硬件设计方面，专用卫星手机具有以下特点：首先，专用卫星手机通常配备可伸缩或折叠天线，以建立与卫星的视距连接，而普通手机仅需内置天线或小型外部天线与蜂窝塔通信。传统卫星电话需要很长的天线来接收信号，而普通手机天线已经高度集成化，甚至看不到外置天线。

其次，专用卫星手机的射频功率要求远高于普通手机。以全球星系统为例，其终端等效全向辐射功率需要达到 30 dBm。即便按照低轨卫星系统推算，同时考虑目前智能手机内置天线的增益普遍小于 - 5 dBi，其终端的传导功率需求仍远超 5G 标准对于 Power Class 2 类型手机终端的传导功率要求。

在功能设计上，专用卫星手机和消费级手机也存在显著差异：专用卫星手机专为在其他通信方式失效时提供可靠语音通信而设计，以功能为主，通常没有娱乐性功能。而普通手机依赖地面基站，覆盖范围有限，但功能更加多样化。

从芯片层面看，以华为 P70 为例，卫星消息版搭载麒麟 9010e 芯片，而普通版为麒麟 9010。两者虽同属麒麟 9 系，但 9010e 的 CPU 超大核频率较 9010 降低了 111MHz，性能略有妥协，但功耗控制更优，实际使用中卫星消息版的续航表现更持久，机身发热量更低，适合长时间户外使用。

在通信能力方面，专用卫星手机通常具有更强的抗干扰能力和更广的频段支持。它们能够连接远在 3.6 万公里高空的天通卫星，外置天线与卫星芯片模组功不可没。与之相比，智能手机现有天线接收卫星信号 "力有不逮"，且主板上寸土寸金，留给卫星基带芯片的空间有限。

2.3 主流低轨卫星星座的手机直连技术设计

当前主流低轨卫星星座在手机直连技术设计上采用了不同的技术路径，各有其技术特点和优势。

Starlink 的技术路径：Starlink 通过收购 1.9GHz 频谱（PCS 频段）解决了手机直连卫星的频谱障碍，这一频段与地面 4G/5G 网络一致，使得现有智能手机无需硬件改造即可接入卫星网络。Starlink V2.0 卫星采用 VLEO 轨道（约 320 公里），相比传统轨道大幅降低了传输时延，单程信号传输时间仅为 3.6 毫秒，整个端到端延迟控制在 43 毫秒左右，接近地面 5G 网络水平。

Starlink 的 Direct-to-Cell 技术允许智能手机直接连接 Starlink 卫星，无需专门硬件或对现有设备进行修改。该技术通过将数千颗低轨卫星转变为 "空中基站"，让标准未修改的智能手机能够直接连接它们发送短信、拨打电话，最终实现从地球上任何地方浏览互联网，无需地面基站。

AST SpaceMobile 的技术路径：AST SpaceMobile 采用了不同的技术策略，其 BlueWalker 3 卫星搭载了 693 平方英尺的超大孔径相控阵天线，通过 3GPP 标准频率与手机建立连接。该卫星设计为与标准未修改移动设备直接通信，通过大孔径天线弥补手机天线增益低的问题。

AST SpaceMobile 的技术优势在于其完全兼容现有手机。自 BlueWalker 3 发射以来，已经实现了与所有主要制造商手机的完全兼容性，并支持 2G、4G LTE，现在支持 5G。该公司在测试中验证了各种使用 SIM 卡的常规智能手机和设备，结果显示所有设备都能够直接与 BW3 卫星交换网络信息，无需地面塔台。

中国卫星通信的技术路径：中国在手机直连卫星技术方面也取得了重要进展。中国电信完成了业界首个 NGSO NTN 终端直连技术试验，使用自研的 NTN 星载基站原型样机，开展手机直连低轨星的能力优化。该试验重点攻克了两方面的技术难题：一方面，针对卫星接入时延大、数据帧调度不全的问题，实现 HARQ（混合自动重传请求）机制优化；另一方面，针对低轨单星服务时间短、卫星频繁切换导致的业务连续性难以保障的问题，实现基于信号质量测量的星间切换技术，将切换时延控制在 100 毫秒以内。

中兴通讯联合中国移动研究院和 MediaTek 完成了基于 3GPP 标准的手机直连低轨卫星 NR-NTN 实时语音实验室验证，实测卫星电话呼叫建立时延在 1 秒左右，空口语音单向时延在 50ms 以内。

2.4 手机终端天线配置要求与技术规格

手机终端在直连低轨卫星时，天线配置面临着前所未有的技术挑战，这些挑战源于卫星通信的特殊要求和手机终端的物理限制。

在频段选择方面，手机直连卫星通信主要采用 L/S/C 频段，这些频段已被地面网络、全球导航卫星系统大量使用。由于卫星信号的大衰减特性，需要天线进行特殊设计以提高接收信号强度，天线成为终端侧的关键考量因素。按照 ITU 的规划，低频段可用于卫星移动通信业务的带宽一般低于 20MHz，该带宽远低于 5G NR 的可用带宽以及传统卫星通信的带宽。

在天线增益要求方面，由于卫星位置和通信方向既相对固定，又实时快速变化，为适应低轨卫星位置的快速变化，要求手机天线辐射信号是全向的，但同时卫星的移动又会导致星地之间通信链路受到遮挡，引起星地通信中断问题，所以为实现可靠通信需要研究手机直连卫星手机天线的方向性控制方法。

在功率要求方面，即便按照低轨卫星系统推算，同时考虑目前智能手机内置天线的增益普遍小于 - 5 dBi，其终端的传导功率需求仍远超 5G 标准对于 Power Class 2 类型手机终端的传导功率要求。这意味着，如果要让普通手机直接连接卫星，要么需要大幅提升手机的发射功率（这在实际中难以实现），要么需要卫星侧提供更强的接收能力。

为了克服手机发射功率和天线增益不够的问题，技术解决方案主要集中在卫星侧：需要发射低轨卫星星座、星上搭载超大口径通信天线、提高卫星发射功率。同时，该技术路线卫星与地面移动通信共用通信频率，还需要实现天地多波束同频共用、优化卫星和地面网关的处理流程。手机直连卫星手机终端侧需配置小型化、高增益、宽频带和高稳定性的内置卫星天线。

在实际应用中，不同类型的手机终端对天线配置有不同要求：普通消费级手机通过卫星侧的技术创新（大孔径天线、专用频谱等）可以实现无需额外中继天线的直连，但通信能力受限；专用卫星手机通常需要外置辅助天线以增强信号接收能力；而经过改造的双模手机则可能需要集成卫星通信模组或独立芯片，同时保留地面通信功能。

3. 中继天线在手机低轨卫星通信中的功能定位

3.1 中继天线与辅助天线的概念差异

在手机低轨卫星通信系统中，中继天线和辅助天线虽然都与天线技术相关，但在功能定位、技术实现和应用场景方面存在本质差异。

辅助天线的功能定位：辅助天线主要用于增强手机终端自身的信号收发能力，本质上是对手机内置天线的补充和强化。这类天线通常作为手机的外置配件，通过物理连接或无线连接的方式与手机配合使用。例如，小米 14 Ultra 集成了 "卫星信号放大器"（satellite signal amplifier）配件，通过这一功能，手机具有了双向卫星通信兼容性，允许发送和接收语音和文本消息，或共享位置和身体数据。

辅助天线的技术特点包括：首先，辅助天线直接与手机终端相连，作为终端的一部分或附件存在；其次，辅助天线仅用于增强终端自身的信号接收和发射能力，不具备信号转发或中继功能；第三，辅助天线的设计目标是弥补手机内置天线的不足，提高终端与卫星之间的通信质量。

在实际应用中，辅助天线通常用于以下场景：在信号较弱的环境中（如室内、车内），通过外置高增益天线提升接收信号强度；在需要长时间进行卫星通信的场景中，通过外置天线降低手机功耗，延长电池续航；在对通信质量要求较高的应用中（如视频通话、大文件传输），通过辅助天线提升数据传输速率和稳定性。

中继天线的功能定位：中继天线则是一种完全不同的技术概念，它不是手机终端的一部分，而是独立的通信设备，用于在不同通信节点之间转发信号。中继天线的核心功能是建立 "终端→中继→卫星" 或 "终端→中继→地面站" 的多跳通信链路，通过中继节点扩展通信覆盖范围，提高通信可靠性。

中继天线的技术特点包括：首先，中继天线是独立的通信节点，不直接与手机终端集成；其次，中继天线具有信号接收、处理和转发能力，能够在不同频段、不同协议之间进行转换；第三，中继天线通常具有更大的天线孔径、更高的发射功率和更强的信号处理能力，能够支持多个用户同时接入。

在手机低轨卫星通信系统中，中继天线可以部署在多种平台上，包括地面固定站、移动车辆、无人机、气球等。其中，将中继天线搭载在无人机上形成的空中中继站，因其部署灵活、覆盖范围广、响应速度快等优势，在应急通信等场景中展现出巨大的应用潜力。

3.2 中继天线的核心功能与技术机制

中继天线在手机低轨卫星通信系统中承担着多重核心功能，这些功能的实现依赖于先进的信号处理技术和系统架构设计。

信号转发与增强功能：中继天线的最基本功能是接收来自手机终端的信号，对其进行放大和处理后，再转发给卫星或地面站。这种转发机制能够有效解决手机终端发射功率低、天线增益小的问题。通过中继天线的放大作用，可以将手机微弱的发射信号增强到卫星能够有效接收的水平。

在技术实现上，中继天线通常采用以下几种转发模式：透明转发（Bent-pipe）模式下，中继设备仅对信号进行放大和转发，处理延迟极低（μs 级），但抗噪能力较弱，噪声会被同时放大；再生中继（Regenerative）模式下，中继设备对信号进行解调 - 解码 - 再编码 - 调制处理，处理延迟较高（ms 级），但抗噪能力强，可以进行错误纠正；混合模式则根据链路质量自适应切换透明转发和再生中继模式。

覆盖范围扩展功能：中继天线的另一个重要功能是扩展通信覆盖范围。在地面通信盲区或卫星信号遮挡区域，中继天线可以作为 "桥梁"，将信号从有覆盖的区域转发到无覆盖的区域。特别是在复杂地形（如山区、峡谷、城市峡谷）或应急场景（如灾害救援、军事行动）中，地面终端与卫星之间的直连链路常因遮挡、距离过远、低仰角而中断，中继天线能够构建绕过障碍物的迂回路径，显著提升通信覆盖范围与可靠性。

在无人机中继场景中，中继天线通过在空中建立通信节点，能够覆盖地面基站无法到达的区域。例如，在森林、山谷、城市密集区等地面通信盲区，无人机可通过卫星通信与地面 5G 网络协同，形成 "卫星 + 无人机中继" 的双连接模式。

多用户接入支持功能：现代中继天线系统具备支持多个用户同时接入的能力，这对于应急通信等需要大规模用户并发的场景至关重要。中继天线通过时分复用（TDMA）、频分复用（FDMA）、码分复用（CDMA）或正交频分复用（OFDMA）等技术，能够在同一信道上支持多个用户的信号传输。

在实际应用中，一个中继天线系统可以支持数十甚至数百个用户同时接入。例如，中国电信的应急通信无人机搭载的基站，可支持 80 余部手机同时接入，形成半径 150 米的应急通信圈。这种多用户支持能力大大提高了中继系统的使用效率和经济效益。

协议转换与适配功能：中继天线还能够实现不同通信协议之间的转换和适配。在手机低轨卫星通信系统中，手机终端可能采用不同的通信标准（如 4G、5G、WiFi 等），而卫星通信可能使用专用的协议栈。中继天线通过协议转换功能，能够实现不同标准之间的互联互通。

例如，在 "卫星 + 无人机中继" 系统中，无人机搭载的中继设备需要同时支持地面移动通信协议（如 4G/5G）和卫星通信协议，实现两种不同网络之间的数据格式转换、地址映射、QoS 保障等功能。这种协议转换能力使得使用不同制式手机的用户都能够接入卫星网络，大大提高了系统的兼容性和用户体验。

3.3 中继天线的技术规格与性能要求

中继天线系统的技术规格直接决定了其在手机低轨卫星通信中的性能表现，这些规格涵盖了天线参数、射频性能、信号处理能力等多个维度。

天线参数要求：中继天线的天线参数是影响系统性能的关键因素。在天线增益方面，为了有效接收手机终端的微弱信号并向卫星发送强信号，中继天线通常需要高增益天线，增益值一般在 20-40 dBi 之间，具体数值取决于应用场景和覆盖要求。天线波束宽度需要根据覆盖范围进行优化，通常要求波束宽度≤10° 以保证信号指向性。

在天线类型选择上，中继天线系统通常采用相控阵天线或高增益喇叭天线。相控阵天线具有电子扫描能力，能够快速调整波束指向，适应卫星和用户的动态变化；高增益喇叭天线则具有结构简单、成本较低、效率高等优点，适合固定或半固定应用场景。

天线的极化方式也是重要参数。在手机低轨卫星通信中，通常采用圆极化天线以克服多径效应和极化失配问题。双圆极化天线阵可以提高信号的极化纯度和抗干扰能力，但在大扫描角度下轴比会明显恶化，需要在满足宽带和宽扫描角的要求下，实现双频阵列的良好圆极化性能。

射频性能要求：中继天线的射频性能直接影响信号的传输质量和系统容量。在工作频段方面，中继天线需要支持与手机终端和卫星通信的相关频段，包括 L/S/C 频段（用于手机 - 中继链路）和 Ku/Ka 频段（用于中继 - 卫星链路）等。

发射功率是中继天线的关键参数之一。为了确保信号能够有效到达卫星，中继天线的发射功率通常需要达到数十瓦甚至更高。接收灵敏度则决定了中继天线能够接收的最弱信号强度，通常要求达到 - 100 dBm 以下，以保证能够接收到手机终端的微弱信号。

噪声系数是衡量中继天线接收性能的重要指标，低噪声系数能够提高接收信号的信噪比，改善通信质量。通常要求中继天线的噪声系数在 2-5 dB 之间，具体数值取决于系统设计和成本考虑。

信号处理能力要求：现代中继天线系统需要具备强大的信号处理能力，以支持多用户接入、协议转换、干扰抑制等功能。在处理延迟方面，不同的中继模式有不同的要求：透明转发模式要求处理延迟极低（μs 级），以满足实时语音通信的需求；再生中继模式的处理延迟较高（ms 级），但能够提供更好的信号质量和抗干扰能力。

在多用户支持能力方面，中继天线系统需要支持大规模多输入多输出（MIMO）技术、波束成形技术等，以提高频谱效率和系统容量。例如，采用分布式波束成形技术，可以通过多个中继节点的协同工作，实现信号的相干叠加，提升接收功率。研究表明，使用两个卫星可以获得最大 6 dB 的增强，使用四个卫星可以获得最大 12 dB 的增强。

在抗干扰能力方面，中继天线系统需要具备自适应干扰抑制、跳频通信、扩频通信等技术能力。传统的固定频点通信方式难以应对动态干扰场景，因此需要采用自适应跳频通信协议，该协议能够实时监测频谱环境，自动切换至干扰最小的频点工作，确保通信链路的连续性。

系统集成要求：中继天线系统的集成度和模块化程度直接影响其部署灵活性和维护成本。现代中继天线系统采用模块化设计，通信载荷、能源系统、任务设备等均可快速更换，以适应不同场景需求。例如，中兴通讯的 "大载荷长航时无人直升机载应急通信系统" 是唯一同时搭载公网基站、PDT 集群专网、Mesh 自组网、卫星中继的体系化应急救援系统。

在功耗控制方面，中继天线系统需要在保证性能的前提下尽可能降低功耗。特别是在无人机搭载场景中，功耗控制直接影响无人机的续航时间和任务执行能力。通过采用高效的功率放大器、优化的信号处理算法、智能的功率管理策略等技术手段，可以将中继天线系统的功耗控制在合理范围内。

4. 无人机搭载中继天线的技术可行性验证

4.1 无人机中继技术的理论基础与技术架构

无人机中继技术在手机低轨卫星通信中具有坚实的理论基础，其核心思想是利用无人机的高空优势和机动性，构建灵活的空中通信节点。

理论基础分析：无人机作为中继节点的理论基础主要体现在以下几个方面：首先，无人机的高空位置能够有效解决地面通信的遮挡问题。在复杂地形（如山区、森林、城市峡谷）中，地面终端与卫星之间的直连链路常因地形阻挡而中断，而无人机通过在高空建立中继节点，可以绕过障碍物，建立可靠的通信链路。

其次，无人机的机动性提供了动态优化的可能性。无人机可以根据通信需求和环境变化，实时调整位置和高度，优化中继链路的性能。例如，在洪涝灾害中，无人机可根据水位变化动态调整中继节点位置，确保信号覆盖最优。

第三，无人机中继能够实现信号的空间分集。通过部署多个无人机中继节点，可以形成分布式的中继网络，利用空间分集技术提高通信的可靠性和抗干扰能力。研究表明，采用分布式波束成形技术，多个无人机的协同工作可以实现信号的相干叠加，显著提升接收功率。

技术架构设计：无人机中继系统的技术架构通常采用 "地面终端 - 无人机中继 - 卫星 / 地面站" 的多跳通信模式，具体架构如下：

在硬件层面，无人机中继系统包括以下核心组件：通信载荷部分，包括卫星通信模块、地面通信模块、中继处理单元等；天线系统，包括卫星通信天线、地面通信天线、相控阵天线等；电源系统，包括电池、太阳能板、功率管理单元等；飞控系统，包括导航模块、姿态控制模块、自主飞行算法等。

在软件层面，无人机中继系统采用 "云 - 边 - 端" 协同架构：云端部署任务规划与集群调度系统，基于实时灾情数据生成最优航线；边缘端搭载嵌入式智能控制单元，实现本地化数据处理与动态组网；终端设备通过轻量化 APP 实现一键式操作，降低人员操作门槛。

在协议层面，无人机中继系统需要支持多种通信协议的转换和适配。例如，地面终端可能使用 4G/5G 协议，而卫星通信可能使用专用协议，无人机中继需要实现两种协议之间的转换，包括数据格式转换、地址映射、QoS 保障等功能。

中继模式选择：无人机中继系统支持多种中继模式，每种模式都有其适用场景和技术特点：透明转发模式下，无人机仅对信号进行放大和转发，处理延迟极低（μs 级），适合对延迟敏感的语音通信；再生中继模式下，无人机对信号进行解调 - 解码 - 再编码 - 调制处理，虽然延迟较高（ms 级），但抗噪能力强，适合数据通信；混合模式则根据链路质量自适应切换两种模式，在保证通信质量的同时优化延迟性能。

4.2 无人机中继系统的技术实现路径

无人机中继系统的技术实现涉及多个关键技术领域，包括无人机平台技术、天线技术、通信技术、控制技术等，这些技术的有机结合构成了完整的无人机中继解决方案。

无人机平台技术：无人机平台的选择直接影响中继系统的性能表现。在机型选择上，目前主要有三种类型：多旋翼无人机具有垂直起降能力，适合在空间受限的环境中部署，但续航时间较短（通常 30 分钟到 2 小时）；固定翼无人机续航时间长（可达 10-15 小时），飞行速度快（80-120 公里 / 小时），覆盖范围广，适合大范围通信覆盖；复合翼无人机结合了多旋翼和固定翼的优点，既具有垂直起降能力，又有较长的续航时间，是目前应急通信领域的主流选择。

在载荷能力方面，现代应急通信无人机的载荷能力已从最初的几公斤增长至几十公斤，能够集成多种通信设备。例如，翼龙 - 2 无人机的载荷能力达到 400 公斤，能够搭载多种通信设备和任务载荷。

在续航能力方面，无人机平台从最初的 30 分钟提升至如今的 10 小时以上。通过采用高效的动力系统、优化的气动设计、智能的能源管理等技术，无人机的续航能力得到了显著提升。例如，某型太阳能无人机在白天飞行时，太阳能电池可提供 80% 的电能，剩余 20% 由电池供应，夜间则完全依靠电池飞行，总续航时间可达数天。

天线系统集成技术：无人机中继系统的天线配置是实现高效通信的关键。在天线类型选择上，通常采用以下几种方案：相控阵天线具有电子扫描能力，能够快速调整波束指向，适应卫星和用户的动态变化，虽然成本较高，但性能优越；高增益喇叭天线结构简单、成本较低、效率高，适合固定或半固定应用场景；反射面天线具有高增益、窄波束的特点，适合点对点通信，但波束指向调整困难。

在天线集成设计上，需要考虑以下关键因素：首先是天线的安装位置，需要确保天线具有良好的视野，避免被无人机机体遮挡；其次是天线的重量和尺寸，需要在保证性能的前提下尽可能轻量化；第三是天线的风阻影响，需要通过气动设计减少对无人机飞行性能的影响；第四是天线的电磁兼容性，需要避免对无人机其他电子设备产生干扰。

通信链路设计：无人机中继系统涉及两条关键通信链路：地面 - 无人机链路和无人机 - 卫星链路。

地面 - 无人机链路通常采用以下技术：在频段选择上，可使用 4G/5G 频段（如 2.6GHz、3.5GHz）或专用频段（如 370MHz）；在调制方式上，采用 OFDM 等先进调制技术以提高频谱效率；在天线技术上，地面终端可使用定向或全向天线，无人机端使用相控阵天线以实现波束跟踪；在功率控制上，采用自适应功率控制算法，根据链路质量调整发射功率。

无人机 - 卫星链路的设计需要考虑以下因素：首先是频段选择，通常使用 Ku/Ka 频段以获得高增益和窄波束；其次是天线设计，需要使用高增益天线以补偿长距离传输损耗；第三是功率要求，需要较高的发射功率以确保信号到达卫星；第四是跟踪技术，需要实现对卫星的精确跟踪以保持通信链路的稳定。

控制与管理技术：无人机中继系统的控制与管理涉及飞行控制、通信管理、任务调度等多个方面。

在飞行控制方面，无人机需要具备自主飞行能力，包括自主起飞、航线规划、悬停避障、降落回收等功能。通过采用先进的导航技术（如 GPS / 北斗组合导航）、姿态控制技术（如惯性导航系统）、避障技术（如激光雷达、视觉传感器）等，无人机能够在复杂环境中安全飞行。

在通信管理方面，需要实现对通信链路的实时监控和优化。包括链路质量监测、干扰检测与抑制、功率控制、波束成形等功能。通过智能算法实现对通信资源的动态分配，提高系统的整体性能。

在任务调度方面，需要根据通信需求和环境变化，动态调整无人机的任务配置。例如，在应急通信场景中，根据灾情发展和救援需求，实时调整无人机的位置、高度、通信参数等，确保通信服务的连续性和质量。

4.3 实际应用案例与性能验证

无人机中继技术在实际应用中已经展现出巨大的价值，特别是在应急通信、偏远地区通信覆盖等场景中取得了显著成效。

应急通信应用案例：无人机中继在应急通信中的应用最为广泛和成功。以下是几个典型案例：

在 2025 年 "应急使命" 演习中，搭载全网通基站的复合翼无人机、无人直升机先后升空，在不同空域盘旋，实现洞庭村通信中断区域全覆盖，为所有运营商用户提供应急通信。其中，某型无人机依靠火箭推射装置迎风而上，快速飞抵洞庭村上空 700 米的高度不断盘旋，不仅能将洞庭村的航拍画面实时回传，其搭载的公网基站，可以让 7 公里范围内的手机恢复 4G 网络信号。

中国电信在应急通信保障中采用 "无人机 + 卫星" 的立体化通信方案，通过多类型无人机协同作战，突破地理限制，实现 "信号从天而降"。该基站具备 "即落即用" 特性，无需人工操作，两分钟内自动展开并接入卫星网络，形成半径 150 米的应急通信圈，可支持 80 余部手机同时接入，让受灾群众得以与外界联系。

翼龙 - 2 无人机在四川木里地区的森林火灾救援中发挥了重要作用。该无人机从安顺机场出发，经过 500 公里飞行达到灾区上空，为地面救援队伍提供空中通信覆盖。在山高林密、公网覆盖不到的地区，翼龙 - 2 无人机通过搭载的通信设备，建立了临时通信网络，保障了救援指挥的通信需求。

性能验证结果：无人机中继系统的性能验证主要包括通信覆盖范围、传输速率、延迟性能、可靠性等指标。

在通信覆盖范围方面，根据实际测试结果，搭载 4G 基站的无人机在 700 米高度可覆盖半径 7 公里的区域，形成约 154 平方公里的通信覆盖面积。搭载卫星通信设备的无人机中继系统，通过与低轨卫星配合，可以实现更广范围的通信覆盖。

在传输速率方面，不同配置的无人机中继系统表现各异。根据测试数据，使用 4G/5G 技术的无人机中继系统，下行速率可达 100Mbps 以上，上行速率可达 50Mbps 以上，能够支持高清视频传输、大文件传输等业务需求。使用卫星通信的无人机中继系统，虽然速率相对较低，但在地面网络完全瘫痪的情况下仍能提供基本的通信服务。

在延迟性能方面，无人机中继系统引入的额外延迟主要包括信号处理延迟和传输延迟。根据测试，透明转发模式下的处理延迟约为 0.1ms，再生中继模式下的处理延迟约为 15ms。传输延迟则取决于通信距离，地面 - 无人机链路的延迟通常在 1-10ms 之间，无人机 - 卫星链路的延迟约为 250ms（单跳）。

在可靠性方面，无人机中继系统的通信可用率可达 98% 以上。通过采用冗余设计、故障检测与自动切换、智能路由等技术，系统能够在部分组件失效的情况下仍保持正常工作。

技术成熟度评估：从技术成熟度角度看，无人机中继技术已经达到实用化水平。主要体现在以下几个方面：

首先，关键技术已经得到验证。包括无人机平台技术、天线集成技术、通信协议转换技术、自主飞行控制技术等都已在实际应用中得到验证。特别是在多次应急通信保障任务中，无人机中继系统展现出了良好的技术性能和可靠性。

其次，标准体系逐步完善。电信终端产业协会等标准化组织已经制定了相关技术标准，对机载中继通信设备的卫星通信链路提出了具体要求，例如支持二层和三层业务传输、非抗旋翼系统常态下上下行速率不低于 6Mbps/40Mbps，且能在不低于 150km/h 的快速移动场景中稳定传输。

第三，产业生态初步形成。目前全国已有 20 余家企业参与应急通信无人机研发，形成年产值超 30 亿元的市场规模，创造就业岗位 5000 余个。从政策支持角度看，国家高度重视应急通信体系建设，《"十四五" 应急管理体系规划》明确提出 "提升应急通信保障能力，构建空天地一体应急通信网络"，为无人机中继技术的发展提供了有力的政策支持。

5. 无人机中继方案的应用场景与价值评估

5.1 应急通信场景的应用分析

无人机中继技术在应急通信领域展现出了独特的优势和巨大的应用价值，特别是在 "断网、断电、断路" 的极端环境下，成为连接 "孤岛" 的空中桥梁。

灾害救援场景：在地震、洪涝、泥石流、森林火灾等自然灾害中，地面通信基础设施往往遭到严重破坏，救援队伍与指挥中心之间形成 "信息孤岛"，严重影响救援效率。无人机中继系统能够在灾害发生后迅速部署，构建临时通信网络。

以地震灾害为例，传统地震救援中，地面通信基站常因建筑倒塌而损毁，救援队伍与指挥中心之间无法有效沟通。而无人机中继可在 15 分钟内升空构建临时通信网络，覆盖半径达 50 公里。在实际救援中，无人机中继平台起飞后，能够将现场高清视频、人员定位数据实时传输至指挥中心，指挥人员通过画面迅速制定救援方案，比传统徒步侦察提前了近 2 小时。据应急管理部统计，通信畅通区域的救援成功率比通信盲区高出 35% 以上。

在洪涝灾害中，无人机中继系统针对水域环境特点，采用 "低空贴地飞行 + 水面反射通信" 策略，克服了电磁波在水中的衰减问题。2021 年河南暴雨救援中，无人机中继为被困村庄提供了持续 72 小时的通信保障，使医疗物资调配、人员转移等指令得以精准传达，累计协助转移群众 1200 余人。

公共安全保障场景：在重大活动安保、反恐维稳、边境管控等公共安全场景中，无人机中继系统能够提供灵活的通信保障。例如，在大型体育赛事中，可通过无人机中继缓解人流密集区域的网络拥堵；在城市反恐行动中，无人机中继能够为现场指挥部提供实时的视频监控和通信支持；在边境巡逻中，无人机中继可以为巡逻人员提供远距离通信保障。

突发事件应急响应：在交通事故、工业事故、公共卫生事件等突发事件中，无人机中继系统能够快速响应，提供临时通信服务。例如，在高速公路重大交通事故现场，无人机中继可以为救援车辆、医护人员、交通管理部门提供通信保障；在化工厂泄漏事故中，无人机中继可以为现场处置人员和后方专家提供实时通信，支持远程指导和决策。

5.2 成本效益分析与技术优势评估

无人机中继方案相比传统通信方式具有显著的成本效益优势，这些优势体现在多个维度。

成本对比分析：根据详细的成本效益分析，无人机中继方案在多个方面展现出经济优势：

在单次任务成本方面，传统应急通信模式中，卫星通信单次使用成本高达 3-5 万元，而无人机通信通过模块化设计可降低至 1-2 万元，降幅达 60%。这种成本降低主要源于以下几个因素：首先，无人机中继系统无需支付昂贵的卫星信道租赁费用；其次，无人机平台可以重复使用，而卫星通信按使用时间计费；第三，无人机中继系统的维护成本相对较低。

在设备全生命周期成本方面，虽然无人机应急通信系统的采购成本高于传统设备，但通过共享调度与预测性维护，年均维护成本降低 45%，投资回收期从 5 年缩短至 2.8 年。特别是采用 "标准化 + 模块化" 的发展路径，预计未来三年内，平台部署成本将降低 40%，为全国应急通信网络普及奠定基础。

在规模化部署成本方面，通过批量采购和标准化设计，无人机中继系统的成本可下降 30%-50%。成本结构分析显示，固定成本占比 60%，包括设备购置和基础设施建设；可变成本占 40%，主要包含能源消耗、维护费用和人员薪资。

经济效益评估：无人机中继系统带来的经济效益不仅体现在直接的成本降低，还包括间接的经济价值创造：

根据应急管理部的统计数据，通信畅通可使灾害损失降低 15%-20%。在 2022 年全国洪涝灾害中，无人机中继累计减少经济损失超 50 亿元。这种经济效益主要体现在以下几个方面：救援效率提升减少了灾害持续时间；通信畅通提高了救援决策的准确性；及时的信息传递避免了次生灾害的发生；远程指挥减少了救援人员的安全风险。

在偏远地区通信覆盖方面，无人机中继系统展现出巨大的成本优势。在西藏那曲牧区，传统基站建设成本高达每站 500 万元，且维护困难，而无人机中继通过 "高空驻留 + 太阳能供电" 模式，单平台可覆盖半径 30 公里的区域，建设成本仅为基站的 1/5，已为 5 个牧民定居点提供稳定通信服务，使牧民能够通过远程医疗系统获得专家诊疗。

技术优势评估：无人机中继方案相比其他通信方案具有多重技术优势：

部署灵活性是无人机中继系统的最大优势之一。无人机可以在任何有起降条件的地方快速部署，不受地面基础设施限制。相比之下，传统的地面基站建设需要复杂的规划审批和基础设施建设，周期长、成本高。无人机中继系统可以在 30 分钟内完成部署，比传统卫星通信的 "申请 - 审批 - 发射" 流程缩短了 90% 以上。

覆盖能力强是另一个重要优势。无人机通过在高空建立中继节点，可以覆盖地面基站无法到达的区域，如山区、峡谷、海岛等。特别是在复杂地形环境中，无人机中继能够实现真正的 "无缝覆盖"。

通信质量高也是无人机中继系统的优势。通过采用先进的通信技术和天线技术，无人机中继系统能够提供高质量的通信服务。例如，使用 4G/5G 技术的无人机中继系统，下行速率可达 100Mbps 以上，能够支持高清视频传输、大文件传输等业务需求。

5.3 技术发展趋势与应用前景

无人机中继技术正处于快速发展阶段，未来在技术演进和应用拓展方面都展现出广阔前景。

技术发展趋势：无人机中继技术的发展呈现出以下趋势：

首先是智能化程度不断提高。人工智能算法的引入，让无人机具备了自主飞行、智能避障、动态组网等能力，减少了人工操作依赖，提升了复杂环境下的适应能力。例如，在火灾救援场景中，无人机可自主识别火场上空的热气流区域，调整飞行高度以规避风险；在洪涝场景中，可根据水位变化动态调整中继节点位置，确保信号覆盖最优。

其次是多技术融合趋势明显。无人机中继系统正从单一功能向多功能集成发展，集成了 4G/5G、卫星通信、自组网、物联网等多种通信技术。例如，中兴通讯的 "大载荷长航时无人直升机载应急通信系统" 同时搭载公网基站、PDT 集群专网、Mesh 自组网、卫星中继，实现了多种通信手段的有机结合。

第三是模块化设计成为主流。通过采用模块化设计，通信载荷、能源系统、任务设备等均可快速更换，以适应不同场景需求。这种设计理念不仅提高了系统的灵活性，还降低了维护成本和开发周期。

第四是绿色低碳技术的应用。为了延长无人机的续航时间，太阳能、氢燃料电池等新能源技术正逐步应用于无人机中继系统。例如，某型太阳能无人机在白天飞行时，太阳能电池可提供 80% 的电能，总续航时间可达数天。

应用前景展望：无人机中继技术的应用前景十分广阔，未来将在更多领域发挥重要作用：

在应急管理领域，随着国家对公共安全的重视程度不断提高，无人机中继系统将成为应急通信体系的重要组成部分。根据政策规划，到 2025 年，我国将基本建成空天地一体的应急通信网络，无人机中继将在其中发挥关键作用。

在智慧城市建设中，无人机中继系统可以作为地面通信网络的补充，为城市提供全方位的通信保障。特别是在大型活动、交通枢纽、商业中心等人员密集区域，无人机中继可以缓解网络拥堵，提供高质量的通信服务。

在偏远地区通信覆盖方面，无人机中继系统有望解决农村和边远地区的通信难题。通过采用 "共享租赁" 模式，可以大幅降低基层使用门槛，让更多偏远地区的居民享受到现代通信服务。

在产业应用方面，无人机中继技术将在农业、能源、交通等领域发挥重要作用。例如，在精准农业中，无人机中继可以为农田监测、无人机植保等应用提供通信保障；在能源行业，无人机中继可以为石油管道巡检、风电场监测等提供远程通信服务；在交通运输中，无人机中继可以为智能交通系统、自动驾驶等提供网络支持。

从市场规模来看，应急通信无人机市场正处于快速增长期。根据行业分析，近两年国内应急通信无人机市场规模年均增长率超过 40%，越来越多的企业从消费级无人机领域转向专业级应急通信市场，形成了 "产学研用" 协同发展的良好态势。预计到 2025 年，相关产业规模将突破 100 亿元。

6. 结论与建议

6.1 主要研究结论

通过对手机终端低轨卫星宽带通信中继天线配置技术的深入研究，本研究得出以下主要结论：

关于手机终端是否需要中继天线的结论：手机终端使用低轨卫星进行宽带通信不一定需要配置中继天线，这取决于手机终端类型和卫星侧技术设计。普通消费级手机通过卫星侧技术创新（如大孔径相控阵天线、专用频谱等）可以实现无需中继天线的直连通信，但通信能力受限，主要体现在传输速率低（14-33.5Mbps）、信号稳定性差（30% 时段出现信号格缺失）、视频质量低（144p-240p）等方面。专用卫星手机和经过改造的双模手机则可能需要外置辅助天线以增强信号接收能力，这类天线主要起信号增强作用，而非中继转发功能。

关于无人机中继方案可行性的结论：将中继天线搭载在无人机上形成的空中中继方案，在技术上完全可行，能够支持附近区域手机终端的低轨卫星宽带通信。无人机中继系统通过构建 "终端→无人机→卫星" 的多跳通信链路，有效解决了手机终端发射功率低、天线增益小的问题。实际测试表明，无人机中继系统的通信可用率可达 98%，覆盖半径可达 7 公里以上，能够支持 80 余部手机同时接入，传输速率可达 100Mbps 以上。

关于技术成熟度的结论：无人机中继技术已经达到实用化水平，在应急通信等场景中得到了成功应用验证。翼龙 - 2 无人机在四川木里森林火灾救援中的应用、中国电信在 "应急使命・2025" 演习中的表现，都证明了该技术的可靠性和有效性。从技术标准角度看，相关技术标准已经制定，为产业发展提供了规范指导。

关于成本效益的结论：无人机中继方案相比传统卫星通信具有显著的成本优势，单次任务成本可降低 60%，投资回收期从 5 年缩短至 2.8 年。在经济效益方面，通信畅通可使灾害损失减少 15%-20%，2022 年全国洪涝灾害中无人机中继累计减少经济损失超 50 亿元。规模化部署后成本可进一步下降 30%-50%。

6.2 技术选择建议与未来发展方向

基于研究结论，针对不同应用场景提出以下技术选择建议：

技术选择建议：

对于普通消费级手机用户，建议优先选择支持直连技术的低轨卫星服务（如 Starlink、AST SpaceMobile 等），这类服务无需额外硬件改造即可使用，适合日常通信和应急通信需求。但需要注意的是，在信号盲区或复杂环境中，通信质量可能受到影响。

对于有专业通信需求的用户（如应急救援、野外作业等），建议使用专用卫星手机或配备辅助天线的改造手机，这类设备虽然需要额外投资，但能够提供更可靠的通信服务。

对于需要在地面网络完全瘫痪环境下进行通信的场景，建议采用无人机中继方案。特别是在 "断网、断电、断路" 的极端环境中，无人机中继能够提供快速、灵活的通信保障。

未来发展方向建议：

在技术研发方面，建议重点关注以下方向：首先是提升无人机平台的续航能力和载荷能力，通过采用新能源技术（太阳能、氢燃料电池等）和轻量化设计，延长无人机的工作时间；其次是发展智能中继技术，通过人工智能算法实现自适应路由、智能资源分配、自动故障恢复等功能；第三是推进多技术融合，实现 4G/5G、卫星通信、自组网等多种通信手段的深度融合；第四是加强标准化建设，制定统一的技术标准和接口规范，促进产业健康发展。

在应用推广方面，建议采取以下策略：首先是加强政策支持，通过财政补贴、税收优惠等政策措施，降低用户使用成本，推动技术普及；其次是建立共享服务模式，通过 "以租代建"、"共享租赁" 等方式，降低基层单位的设备采购成本；第三是加强人才培养，培养更多掌握无人机中继技术的专业人才；第四是推进军民融合，促进军用技术向民用转化，同时利用民用市场推动技术创新。

在产业发展方面，建议构建完整的产业生态：建立 "产学研用" 协同创新机制，加强企业、高校、科研院所之间的合作；完善产业链条，从无人机平台、通信设备到运营服务形成完整体系；加强国际合作，在技术研发、标准制定、市场开拓等方面开展国际交流与合作；培育龙头企业，通过政策扶持和市场竞争，形成一批具有国际竞争力的企业。

总体而言，手机终端低轨卫星宽带通信中继天线配置技术正处于快速发展期，无人机中继方案作为一种创新的技术路径，在应急通信等领域展现出巨大的应用价值。随着技术不断成熟和成本持续下降，预计未来将在更多领域得到广泛应用，为构建空天地一体的通信网络做出重要贡献。

手机终端低轨卫星宽带通信中继天线配置技术研究