Starlink第二代系統(tǒng)介紹

+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 王大鵬 凌騰（中國(guó)科學(xué)院軟件研究所，天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

一、概述

SpaceX公司自2014年宣布建設(shè)Starlink（星鏈）星座以來(lái)，已發(fā)展成在軌衛(wèi)星數(shù)量最多、發(fā)射頻度最快、技術(shù)最變革的低軌星座系統(tǒng)。2019年10月，SpaceX公司向國(guó)際電信聯(lián)盟ITU報(bào)送了30000顆衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)資料，而后在2020年5月份將更詳細(xì)的申請(qǐng)?zhí)峤恢撩绹?guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）。這一期3萬(wàn)顆衛(wèi)星代號(hào)為Starlink Gen2（Generation2,第二代），在原4409顆星座的Ku、Ka頻段基礎(chǔ)上，增加了E頻段，同時(shí)也考慮采用星間鏈路。本文重點(diǎn)對(duì)Starlink第二代系統(tǒng)進(jìn)行的空間段星座構(gòu)型、衛(wèi)星主要載荷特性、頻率與天線、波束等內(nèi)容進(jìn)行介紹。

二、Starlink第二代系統(tǒng)空間段及工作頻段介紹

（一）空間段分布

據(jù)SpaceX提交至FCC的申請(qǐng)中顯示，本次申請(qǐng)的30000顆衛(wèi)星工作的軌道高度較低，分布在328km～614km共計(jì)75個(gè)軌道面上。表1為Starlink第二代系統(tǒng)的星座構(gòu)型分布。

其空間段的在軌分布如圖1所示。

鑒于該星座中有30000顆衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命為5年，因此SpaceX可能會(huì)持續(xù)進(jìn)行發(fā)射和離軌活動(dòng)。

Starlink第二代系統(tǒng)將在每個(gè)衛(wèi)星有效載荷上利用先進(jìn)的相控陣波束成形、數(shù)字處理技術(shù)，以便高效利用頻譜資源，并與其他天基和地面許可用戶靈活共享頻譜。用戶終端將采用高度定向的可調(diào)向天線波束，以跟蹤系統(tǒng)的衛(wèi)星。對(duì)于關(guān)口站而言，將生成高增益定向波束以與星座內(nèi)多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行通信。值得注意的是，SpaceX正在開(kāi)發(fā)星間激光鏈路，并期望將其部署在第二代系統(tǒng)上，以提供無(wú)縫的網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)連續(xù)性。

（二）工作頻段

相比于第一代系統(tǒng)僅采用Ku、Ka頻段而言，Starlink第二代系統(tǒng)將使用Ku、Ka和E頻段頻譜，如表2所示。

根據(jù)用戶利用率和其他因素，系統(tǒng)帶寬將被分成多個(gè)小信道，而終端或關(guān)口站可采用多個(gè)信道所聚合成更寬的帶寬。

表1 Starlink Gen2星座空間段分布

●對(duì)于用戶終端：下行鏈路最大2000 MHz，上行鏈路最大125 MHz；

●對(duì)于關(guān)口站而言：上下行最大均為5000MHz。

同時(shí)，可以在相同的頻率上通過(guò)左右旋（LHCP/ RHCP）極化實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波束，但是在特定情況下，SpaceX只能使用一種極化方式。這提供了操作靈活性，以促進(jìn)協(xié)調(diào)和遵守區(qū)域和國(guó)家/地區(qū)特定法規(guī)。

（三）工作仰角

第二代系統(tǒng)中的所有衛(wèi)星都經(jīng)過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)，以保證其發(fā)射和接收天線波束均在最小和最大增益的定義范圍內(nèi)。SpaceX將利用這種靈活性，通過(guò)適應(yīng)不同的用戶密度（即人口稠密地區(qū)的高增益波束與農(nóng)村地區(qū)的低增益波束）和不同海拔的服務(wù)來(lái)優(yōu)化面向用戶的寬帶服務(wù)。每個(gè)Starlink第二代系統(tǒng)衛(wèi)星上的所有下行鏈路點(diǎn)波束都可以在其對(duì)地視場(chǎng)中獨(dú)立控制。然而，地球站僅與最小仰角以上的衛(wèi)星通信。圖2為衛(wèi)星對(duì)地視場(chǎng)（半錐角Beta）和站星仰角（El）等參數(shù)的關(guān)系示意圖。

由圖2可知，在保持（用戶地球站及網(wǎng)關(guān)地球站）站星仰角一定數(shù)值情況下，不同軌道高度的衛(wèi)星其對(duì)地視場(chǎng)（半錐角Beta）不同。具體而言，Starlink第二代系統(tǒng)在支持終端仰角25度情況下，各子星座所對(duì)應(yīng)的最大半錐角及覆蓋半徑如表3所示：

（四）第二代系統(tǒng)特色

SpaceX設(shè)計(jì)了其第二代系統(tǒng)，以滿足世界寬帶需求的雙重要求，即一是為農(nóng)村、偏遠(yuǎn)和覆蓋困難的最終用戶提供高速、低延遲的連接，二是為所有地點(diǎn)提供高效、大容量的連接。相比于先前提出11927顆衛(wèi)星的Starlink系統(tǒng)（姑且稱之為第一代），第二代星座的運(yùn)行將在如下方面改善和提升：

圖1 Starlink Gen2星座空間段分布示意圖

第一，容量、頻率可用性和頻率復(fù)用的增加，極大地增加了可以服務(wù)的用戶數(shù)量。

第二，每個(gè)用戶可用帶寬的增加改善了服務(wù)質(zhì)量，為尚未被網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的用戶帶來(lái)了更多的高速、低延遲寬帶，并在可以使用地面替代方案的區(qū)域中注入了更多競(jìng)爭(zhēng)。

第三，大量衛(wèi)星在低軌道LEO上具有可跟蹤的窄點(diǎn)波束，這為優(yōu)化頻譜使用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，這將增加與其他GSO和NGSO系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的機(jī)會(huì)。

三、Starlink第二代系統(tǒng)四類波束

Starlink第二代系統(tǒng)低軌衛(wèi)星根據(jù)工作頻段和主要用途，可分為Ku、Ka、E及TT&C波束，以下分別介紹。

（一）Ku頻段波束

第二代系統(tǒng)衛(wèi)星將使用Ku頻段于用戶鏈路。

對(duì)于發(fā)射波束而言，在指向星下點(diǎn)的對(duì)地視軸上，增益最小，為34dBi；指向覆蓋邊緣處增益最大，為44dBi。對(duì)于星座中的絕大多數(shù)衛(wèi)星，用戶終端與Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信的最小仰角可能低至25度，但對(duì)于軌道高度604km和614km的衛(wèi)星而言，最低仰角可能低至5度。使用相控陣的天線發(fā)射的波束隨著遠(yuǎn)離視軸而逐漸加寬，也就使得，指向星下點(diǎn)的視軸上的波束形狀是圓形的，但當(dāng)轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離對(duì)地視軸時(shí)，橢圓形狀會(huì)愈加突出。

對(duì)于接收波束，當(dāng)波束從星下點(diǎn)向邊緣傾斜時(shí)，天線增益會(huì)略有下降。結(jié)果就是，在星下點(diǎn)G/T最大，為9.5～19.5dB/K；而在最大傾斜路徑時(shí)G/T最小，為7.0～17.0dB/K。

（二）Ka頻段波束

第二代系統(tǒng)衛(wèi)星將使用Ka頻段于用戶鏈路、饋電鏈路。

衛(wèi)星將使用相控陣天線與用戶終端進(jìn)行通信，并使用拋物面天線與關(guān)口站進(jìn)行通信。在第二代系統(tǒng)將頻譜用于兩個(gè)鏈路情況下，SpaceX將使用角間隔進(jìn)行自我協(xié)調(diào)，以便位于Ka頻段關(guān)口站附近的用戶將使用Ku頻段頻譜或其他非同頻的Ka頻段。

表2 Starlink Gen2系統(tǒng)的頻率

衛(wèi)星將使用Ka頻段天線進(jìn)行發(fā)射，指向星下點(diǎn)處增益最小，為34.5dBi；衛(wèi)星覆蓋邊緣處增益最大，為44.5dBi。用戶終端與Ka頻段的Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信的最小仰角可以低至25度，關(guān)口站也僅與指定的最小仰角以上的衛(wèi)星通信。一般來(lái)說(shuō)，該角度可以低至25度。但是，在某些情況下會(huì)有所例外，以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍。具體而言，對(duì)于軌道傾角較大的360km（傾角96.9deg）和373km（傾角75deg）高度的衛(wèi)星而言，可支持位于極區(qū)內(nèi)（即緯度超過(guò)62度）關(guān)口站工作在5度的最小仰角。

對(duì)于面向關(guān)口站接收波束而言，其G/T將保持恒定在12.9dB/K到22.9dB/K，具體取決于天線增益（但與高度和轉(zhuǎn)向角無(wú)關(guān)）。對(duì)于面向用戶終端的接收波束而言，隨著波束從星下點(diǎn)向邊緣傾斜，天線增益會(huì)略有下降。結(jié)果就是，每個(gè)軌道高度的衛(wèi)星，其在指向星下點(diǎn)的接收波束G/T最大，為12.9～22.9 dB/K；而在指向邊緣處的接收波束G/T最小，為10.4～20.4dB/K。

（三）E頻段波束

第二代系統(tǒng)將僅使用E頻段波束與關(guān)口站進(jìn)行通信。

當(dāng)使用E頻段用于發(fā)射波束時(shí)，其最小增益為42dBi，最大增益為52dBi。每個(gè)E頻段饋電波束每次僅單個(gè)關(guān)口站進(jìn)行通信，并使用盡可能窄的波束進(jìn)行優(yōu)化，以使該鏈路盡可能在收發(fā)波束的中心。

在同一頻率上，E頻段波束采用不同的極化方式（即RHCP和LHCP）。對(duì)于關(guān)口站而言，最大可支持與32個(gè)衛(wèi)星建立饋電連接，加上不同的左右旋極化方式，單站可同時(shí)完成64個(gè)同頻的E頻段波束。同時(shí)，Starlink將調(diào)整功率以滿足所需的功率通量密度PFD級(jí)別。對(duì)于接收波束，取決于天線增益（但與高度和轉(zhuǎn)向角無(wú)關(guān)），G/T將保持恒定，在17.7dB/K到27.7dB/K之間。

圖2 衛(wèi)星對(duì)地視場(chǎng)與站星仰角等參數(shù)空間關(guān)系示意圖

表3 Starlink Gen2滿足不同站星仰角下所需的對(duì)地視場(chǎng)與覆蓋半徑

（四）TT&C波束

第二代系統(tǒng)使用每個(gè)衛(wèi)星上的全向天線來(lái)執(zhí)行其專用的TT＆C功能，這些全向天線旨在與地球站進(jìn)行幾乎任何姿態(tài)的通信。此外，Starlink還可以使用Ka頻段和E頻段通信鏈路來(lái)執(zhí)行TT＆C功能。

四、總結(jié)

本文重點(diǎn)對(duì)SpaceX公司新提出的Starlink第二代低軌星座系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，包括空間段星座構(gòu)型、衛(wèi)星載荷、工作頻段與波束。相比于第一代近1.2萬(wàn)顆Starlink星座而言，本次3萬(wàn)顆的第二代Starlink系統(tǒng)規(guī)模更大，也將采用星間鏈路。

后續(xù)隨著我們進(jìn)一步的研究與分析，再及時(shí)與大家分享、探討。