Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)概要*

王 迪，駱 盛，毛 錦，王 勇

（1.國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，安徽 合肥230037；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，安徽 合肥230036）

0 引言

Starlink（星鏈）是美國(guó)太空服務(wù)公司SpaceX 正在構(gòu)建的NGSO（非對(duì)地靜止軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)，由2 個(gè)子星座以及相關(guān)的地面控制設(shè)施、網(wǎng)關(guān)地球站和用戶地球站組成，系統(tǒng)建成后，將由近12 000 顆衛(wèi)星構(gòu)成的巨型星座提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[1]。該計(jì)劃利用衛(wèi)星取代傳統(tǒng)的地面通信設(shè)施，使全球甚至偏遠(yuǎn)地區(qū)也能夠接入高速寬頻互聯(lián)網(wǎng)，提供價(jià)格優(yōu)惠且延遲極短的通信服務(wù)。2015 年1 月，SpaceX 宣布建造大型互聯(lián)網(wǎng)星座的計(jì)劃；2018 年2 月，發(fā)射了2 顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星；（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC）要求自2018 年3月起，該計(jì)劃必須在9 年內(nèi)部署完畢；2019 年5 月，該項(xiàng)目第一批衛(wèi)星發(fā)射。幾年來(lái)，整個(gè)星座的設(shè)計(jì)也發(fā)生了若干重大變化。

1 軌道信息

SpaceX 最初計(jì)劃部署的2 個(gè)子星座分別是：1 150 km 軌道高度上由4 425 顆衛(wèi)星組成的LEO（低地球軌道）星座及340 km 軌道高度上由7 518 顆衛(wèi)星組成的VLEO（極低地球軌道）星座[2-3]。2018 年11 月，SpaceX 要求修改此前的FCC 許可證，將LEO 星座衛(wèi)星數(shù)量調(diào)整為4 409 顆，且不在1 150 km 軌道高度上運(yùn)行所有衛(wèi)星，而是將在550 km 處運(yùn)行其中的1 584顆 衛(wèi)星[4]。2020 年4 月，SpaceX 要求進(jìn)一步修改原始FCC 許可證，將LEO 星座全部衛(wèi)星的軌道高度都更改到540～570 km 的軌道高度，這一變化可獲得更短的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)延遲及更廣的極地地區(qū)覆蓋范圍（截至本文發(fā)表時(shí)該申請(qǐng)尚在等待FCC 批準(zhǔn)）。所以目前星鏈系統(tǒng)只有540 km 的LEO 星座和340 km 的VLEO星座，其具體軌道的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 和表2 所示（衛(wèi)星實(shí)際入軌參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)或有變動(dòng)，本文皆以設(shè)計(jì)參數(shù)為參考進(jìn)行論述）。

表1 星鏈系統(tǒng)LEO 星座參數(shù)

表2 星鏈系統(tǒng)VLEO 星座參數(shù)

SpaceX 于2019 年10 月向國(guó)際電信聯(lián)盟提交了申請(qǐng)，要求運(yùn)營(yíng)多達(dá)30 000 顆衛(wèi)星，但是SpaceX 表示，該公司仍未最終確定星座所需的衛(wèi)星總數(shù)。

2 工作頻率

星鏈系統(tǒng)具有星間通信功能，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間使用激光進(jìn)行互連；網(wǎng)絡(luò)用戶將使用V 和Ku 頻段，而V和Ka 頻段將主要用于連接網(wǎng)關(guān)以及進(jìn)行跟蹤、遙測(cè)和控制（TT&C），工作頻段如表3 所示；LEO 子星座的衛(wèi)星的工作將使用Ku、Ka 和V 波段，VLEO 子星座衛(wèi)星的工作將全部使用V 波段，包括BSS（Broadcasting Satellite Service）、FS（Terrestrial Fixed Service）、FSS（Fixed Satellite Service）、MS（Mobile Service）及MSS（Mobile Satellite Service）等服務(wù)。

表3 星鏈系統(tǒng)工作頻段 GHz

Ku 和Ka 波段的LEO 子星座的衛(wèi)星設(shè)有3 個(gè)右旋圓極化的接收波束（其中2 個(gè)波束可操縱，1 個(gè)波束可操縱、可賦形），247 個(gè)接收信道，信道帶寬50 MHz；設(shè)有11 個(gè)右旋圓極化的接收波束和11 個(gè)左旋圓極化的接收波束，共22 個(gè)接收波束（其中7 個(gè)波束為固定，12個(gè)波束可操縱，3 個(gè)波束可操縱、可賦形），275 個(gè)發(fā)射信道，信道帶寬50 MHz[6]。

V 波段的VLEO 子星座的衛(wèi)星設(shè)有10 個(gè)右旋圓極化的接收波束和10 個(gè)左旋圓極化的接收波束，共20個(gè)接收波束（其中4 個(gè)波束為固定，16 個(gè)波束可操縱），140 個(gè)接收信道，服務(wù)信道帶寬1 000 MHz，測(cè)控信道帶寬10 MHz；設(shè)有8 個(gè)右旋圓極化的接收波束和8 個(gè)左旋圓極化的接收波束，共16 個(gè)接收波束（其中8 個(gè)波束為固定，8 個(gè)波束可操縱），240 個(gè)發(fā)射信道，服務(wù)信道帶寬1 000 MHz，測(cè)控信道帶寬10 MHz[7]。

以上波束的天線指向誤差和天線旋轉(zhuǎn)誤差均為0.1°。

圖1 LEO 星座衛(wèi)星覆蓋情況

3 波束覆蓋

對(duì)于LEO 和VLEO 子星座，每顆衛(wèi)星上都有可獨(dú)立操縱的下行鏈路點(diǎn)波束。LEO 星座中的衛(wèi)星軌道高度約為550 km，可在距視軸（天底）最遠(yuǎn)44.85°的范圍提供服務(wù)，地面覆蓋半徑約為573.5 km，用戶終端和網(wǎng)關(guān)可以至少40°的仰角與衛(wèi)星進(jìn)行通信，如圖1 所示；VLEO 星座中的衛(wèi)星軌道約為335.9 km，可在距視軸最遠(yuǎn)51.09°的范圍提供服務(wù)，地面覆蓋半徑約為435 km，用戶終端和網(wǎng)關(guān)可以至少35°的仰角與衛(wèi)星進(jìn)行通信，如圖2 所示。衛(wèi)星可提供服務(wù)的距視軸的最大角度隨高度而略有變化。

在LEO 星座中，衛(wèi)星在550 km 左右的高度上運(yùn)行，傾斜度在53～97.6°之間，將具有相對(duì)較大的覆蓋范圍，其特點(diǎn)是窄點(diǎn)波束覆蓋了約103 萬(wàn)平方千米的相對(duì)較寬的服務(wù)區(qū)域。由于VLEO 星座的運(yùn)行高度約為L(zhǎng)EO 星座高度的2/3，因此其衛(wèi)星使用的點(diǎn)波束覆蓋的范圍約為L(zhǎng)EO 星座波束面積的1/2，但會(huì)映射到同一網(wǎng)格。雖然在這種情況下必須部署更多的VLEO 衛(wèi)星，但結(jié)果是實(shí)質(zhì)上具有更大的頻譜重用的能力，從而使VLEO 星座能夠?yàn)榭蛻籼峁└嗟膸挕⒏嗟男l(wèi)星分集選項(xiàng)或兩者結(jié)合。在人口稠密的地區(qū)，VLEO 衛(wèi)星可將其帶寬集中在需要滿足高需求的地區(qū)，而LEO 星座將繼續(xù)為更廣泛區(qū)域內(nèi)的所有用戶提供大的覆蓋范圍。這樣，2 個(gè)星座可以協(xié)同工作以提供密集且全面的覆蓋范圍。圖3 顯示了LEO 和VLEO 衛(wèi)星覆蓋區(qū)的比較覆蓋范圍，以及各自的單個(gè)用戶點(diǎn)波束，用戶點(diǎn)波束張角均為1.5°。用戶和網(wǎng)關(guān)波束分別使用1.5°和1.0°的窄波束寬度，每顆衛(wèi)星可以以相同的頻率發(fā)射2 個(gè)波束（左旋圓極化和右旋圓極化），但在特定情況下只能使用其中一個(gè)。

星鏈系統(tǒng)在每個(gè)衛(wèi)星有效載荷上利用先進(jìn)的相控陣波束成形技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)高效利用頻譜資源，并與其他天基和地面許可用戶靈活共享頻譜，相控陣天線發(fā)射的波束隨著偏離視軸而逐漸加寬，此時(shí)需調(diào)整功率保持地球表面恒定的PFD（功率通量密度），以補(bǔ)償與波束轉(zhuǎn)向角相關(guān)的天線增益和路徑損耗的變化，如圖4 和圖5 所示，其中LEO最 高EIRP 為29.91 dBW/MHz，VLEO 為20.21 dBW/MHz（LEO和VLEO 星座的信標(biāo)波束的最大EIRP 分 別 為7 dBW/MHz 和-2.8 dBW/MHz）。

圖2 VLEO 星座衛(wèi)星覆蓋情況

圖3 LEO 和VLEO 單個(gè)衛(wèi)星覆蓋范圍及其用戶點(diǎn)波束比較覆蓋范圍

4 星座協(xié)同

系統(tǒng)可以使2 個(gè)星座以協(xié)同工作的方式優(yōu)化覆蓋范圍。如圖6 所示，其中2 個(gè)LEO 衛(wèi)星和2 個(gè)VLEO衛(wèi)星在重疊的覆蓋區(qū)域工作，黑色虛線表示每個(gè)衛(wèi)星的覆蓋范圍，并且在該區(qū)域內(nèi)可以操縱大量1.5°窄點(diǎn)波束。由于所有衛(wèi)星都使用相同的V 波段頻譜，因此，從用戶的角度看，上下2 顆衛(wèi)星似乎在同一直線上，此種情況稱為“串連”事件，此時(shí)需避免以相同的頻率發(fā)射到用戶位置。為了便于說(shuō)明，使用10°定義2顆衛(wèi)星不能同時(shí)向同一用戶以相同頻率提供服務(wù)的角度間隔，那么紅線表示的區(qū)域中，用戶分別無(wú)法從S2H 衛(wèi)星和S1L 衛(wèi)星接收同頻信號(hào)；藍(lán)線表示的區(qū)域中，用戶分別無(wú)法從S2H 衛(wèi)星和S2L 衛(wèi)星接收同頻信號(hào)[8]。

由于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域重疊，而且每顆衛(wèi)星在其覆蓋范圍內(nèi)都可以使用許多可控波束，這種靈活性允許未使用的頻率和波束轉(zhuǎn)移到其他位置以提供服務(wù)。因此，為解決“串連”區(qū)域用戶無(wú)法接收2 顆衛(wèi)星的同頻信號(hào)的問(wèn)題，系統(tǒng)可以將非“串連”衛(wèi)星的波束定向到“串連”區(qū)域以提供服務(wù)，在滿足服務(wù)需求的同時(shí)也防止了衛(wèi)星容量閑置。如果圖6 藍(lán)色區(qū)域中服務(wù)需求很高，系統(tǒng)還可以操作多種配置的衛(wèi)星（S2H 和S1L、S1H 和S2H 或S1H 和S2L）的波束為該區(qū)域提供服務(wù)。

此外，利用每顆衛(wèi)星上的發(fā)射和接收波束能夠區(qū)分不同位置的地球站這一特性，系統(tǒng)可以最大程度地減少受“串連”事件影響的區(qū)域。如圖7 所示，LEO 星座的S1 衛(wèi)星和VLEO 星座的S2 衛(wèi)星在地面形成了一個(gè)10°“串連”區(qū)域，此時(shí)，系統(tǒng)可將受“串連”事件影響的區(qū)域進(jìn)行拆分，使S1 衛(wèi)星服務(wù)于藍(lán)色區(qū)域用戶，S2衛(wèi)星服務(wù)于紅色區(qū)域用戶，這樣二者都可以在整個(gè)頻段上運(yùn)行，從而避免了2 顆衛(wèi)星用頻譜分割的方式解決“串連”事件。這種策略可以將圖7 中表示為θ 的區(qū)域減小到3.5°，但是θ 區(qū)域仍然需要頻譜分割或其他某種策略。

可見，系統(tǒng)將不同軌道高度的衛(wèi)星與可操縱的窄點(diǎn)波束相結(jié)合，優(yōu)化了頻譜使用，而且V 波段的加入也增強(qiáng)了原有的Ku/Ka 波段，增加了系統(tǒng)容量、頻率可用性和頻譜重用率，從而極大地增加了可以服務(wù)的用戶數(shù)量，使系統(tǒng)能夠提供更多的高速、低延遲寬帶，進(jìn)而改善用戶服務(wù)質(zhì)量。

圖4 LEO 衛(wèi)星的波束轉(zhuǎn)角與EIRP 變化關(guān)系

圖5 VLEO 衛(wèi)星的波束轉(zhuǎn)角與EIRP 變化關(guān)系

圖6 LEO 星座與VLEO 星座的協(xié)同工作

圖7 LEO 衛(wèi)星與VLEO 衛(wèi)星的協(xié)同工作

5 用戶終端與網(wǎng)關(guān)地球站

系統(tǒng)的用戶終端也采用相控陣技術(shù)，終端天線為直徑約0.48 m 的相控陣天線，以高指向性天線波束跟蹤系統(tǒng)衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星之間的快速切換。該終端安裝簡(jiǎn)單，可放置在汽車、輪船或飛機(jī)等移動(dòng)載體上，如圖8 所示。2019 年2 月，SpaceX 向FCC 提交了一份申請(qǐng)，以許可其在美國(guó)操作多達(dá)一百萬(wàn)個(gè)此類用戶終端，該申請(qǐng)于2020 年3 月獲得批準(zhǔn)。

圖8 Starlink 用戶終端天線

網(wǎng)關(guān)地球站中也應(yīng)用相同的相控陣技術(shù)，產(chǎn)生高增益轉(zhuǎn)向波束，實(shí)現(xiàn)單個(gè)網(wǎng)關(guān)站點(diǎn)與多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行通信[9]。衛(wèi)星將直接與用戶終端或網(wǎng)關(guān)（通常位于主要Internet 節(jié)點(diǎn)附近）進(jìn)行通信。截至2019 年11 月，SpaceX 被授權(quán)運(yùn)營(yíng)位于美國(guó)各地的6 個(gè)Ku 頻段測(cè)試網(wǎng)關(guān)站，用以在星鏈系統(tǒng)的第一代衛(wèi)星與地面Internet 交換點(diǎn)之間傳遞寬帶數(shù)據(jù)。此外，SpaceX 計(jì)劃最初運(yùn)營(yíng)2 個(gè)用于遙測(cè)、跟蹤和控制（TT&C）的地面站，一個(gè)在美國(guó)東海岸華盛頓州的布魯斯特（Brewster WA），一個(gè)在美國(guó)西海岸（位置未知）。圖9 為目前位于美國(guó)本土的28 個(gè)地面站（黃色標(biāo)記）和位于華盛頓布魯斯特的測(cè)控站（藍(lán)色標(biāo)記）。

28 個(gè)地面站所在位置（城市名+州名）為：Conrad MT，Loring ME，Redmond WA，Greenville PA，Merrillan WI，Kalama WA，Hawthorne CA，Arbuckle CA，Beekmantown NY，Charleston OR，Coalville UT，Panaca NV，Boca Chica TX，McGregor TX，Litchfield CT，Warren MO，Nemaha NE，Manistique，Slope County，Los Angeles，Cass County ND，Prudhoe Bay AK，Sanderson TX，Springer OK，Hitterdal MN，Tionesta CA，Butte MT，Colburn ID，Baxley GA，Robertsdale AL，Roll AZ，Prosser WA。

圖9 Starlink 系統(tǒng)位于美國(guó)的衛(wèi)星地面站和測(cè)控站

6 抗干擾策略

Starlink 系統(tǒng)采取了若干項(xiàng)措施來(lái)減小各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，主要有以下三項(xiàng)：

1）在高仰角下運(yùn)行。系統(tǒng)星座為所有網(wǎng)關(guān)地球站和用戶以最小35°的仰角提供服務(wù)，這將最大程度地減小低仰角時(shí)的傳輸損耗對(duì)地面系統(tǒng)的影響。

2）高定向衛(wèi)星和地球站波束。衛(wèi)星上使用窄的可控點(diǎn)波束，可將該下行波束定向?yàn)檫h(yuǎn)離潛在的干擾區(qū)域；同樣，用于與衛(wèi)星通信的地球站也具有窄的高定向波束，且具有強(qiáng)旁瓣抑制能力。系統(tǒng)將為其他GSO 和NGSO 衛(wèi)星提供顯著的波束隔離，這將確保對(duì)其他衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾僅在系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)生“串連”事件的情況下才會(huì)發(fā)生。

3）能夠從多個(gè)可見衛(wèi)星中進(jìn)行選擇。系統(tǒng)建成后，將在任何給定地球站的視野內(nèi)提供多顆NGSO 衛(wèi)星，從而提供衛(wèi)星分集的優(yōu)勢(shì)，可見衛(wèi)星的數(shù)量將取決于地球站的地理位置和系統(tǒng)星座的部署[10]。在某些情況下，地球站可智能地選擇特定的衛(wèi)星，從而避免與GSO 和其他NGSO 衛(wèi)星發(fā)生潛在的在“串連”干擾事件。

所以，當(dāng)?shù)厍蛘臼艿降孛婊顒?dòng)的干擾時(shí)，地球站可以通過(guò)增加該區(qū)域使用的最小仰角、優(yōu)先與不太可能受到地面操作影響的衛(wèi)星進(jìn)行通信，以及屏蔽受干擾衛(wèi)星的星間鏈路組合等策略減弱干擾，保護(hù)其地球站，并與地面系統(tǒng)共享頻譜。

7 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)Starlink 系統(tǒng)的LEO 和VLEO 星座組建完成并協(xié)同工作時(shí)，將能夠在全球范圍內(nèi)向民用和軍用領(lǐng)域提供完整的、連續(xù)的、強(qiáng)大的寬帶服務(wù)。除Starlink 系統(tǒng)之外，Telesat、OneWeb、LeoSat、O3b-SES、ViaSat、Space Norway 等多個(gè)國(guó)家的多個(gè)中低軌道大型和巨型互聯(lián)網(wǎng)星座也都在競(jìng)相構(gòu)建中，已然成為今后衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新浪潮，這些系統(tǒng)的技術(shù)各有所長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注其發(fā)展動(dòng)向。