Starlink 衛星系統技術概要*

王 迪，駱 盛，毛 錦，王 勇

（1.國防科技大學電子對抗學院，安徽 合肥230037；2.安徽農業大學外國語學院，安徽 合肥230036）

0 引言

Starlink（星鏈）是美國太空服務公司SpaceX 正在構建的NGSO（非對地靜止軌道）衛星系統，由2 個子星座以及相關的地面控制設施、網關地球站和用戶地球站組成，系統建成后，將由近12 000 顆衛星構成的巨型星座提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務[1]。該計劃利用衛星取代傳統的地面通信設施，使全球甚至偏遠地區也能夠接入高速寬頻互聯網，提供價格優惠且延遲極短的通信服務。2015 年1 月，SpaceX 宣布建造大型互聯網星座的計劃；2018 年2 月，發射了2 顆實驗衛星；（美國聯邦通信委員會FCC）要求自2018 年3月起，該計劃必須在9 年內部署完畢；2019 年5 月，該項目第一批衛星發射。幾年來，整個星座的設計也發生了若干重大變化。

1 軌道信息

SpaceX 最初計劃部署的2 個子星座分別是：1 150 km 軌道高度上由4 425 顆衛星組成的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 星座衛星數量調整為4 409 顆，且不在1 150 km 軌道高度上運行所有衛星，而是將在550 km 處運行其中的1 584顆 衛星[4]。2020 年4 月，SpaceX 要求進一步修改原始FCC 許可證，將LEO 星座全部衛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網服務延遲及更廣的極地地區覆蓋范圍（截至本文發表時該申請尚在等待FCC 批準）。所以目前星鏈系統只有540 km 的LEO 星座和340 km 的VLEO星座，其具體軌道的設計參數如表1 和表2 所示（衛星實際入軌參數與設計參數或有變動，本文皆以設計參數為參考進行論述）。

表1 星鏈系統LEO 星座參數

表2 星鏈系統VLEO 星座參數

SpaceX 于2019 年10 月向國際電信聯盟提交了申請，要求運營多達30 000 顆衛星，但是SpaceX 表示，該公司仍未最終確定星座所需的衛星總數。

2 工作頻率

星鏈系統具有星間通信功能，衛星與衛星之間使用激光進行互連；網絡用戶將使用V 和Ku 頻段，而V和Ka 頻段將主要用于連接網關以及進行跟蹤、遙測和控制（TT&C），工作頻段如表3 所示；LEO 子星座的衛星的工作將使用Ku、Ka 和V 波段，VLEO 子星座衛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。

表3 星鏈系統工作頻段 GHz

Ku 和Ka 波段的LEO 子星座的衛星設有3 個右旋圓極化的接收波束（其中2 個波束可操縱，1 個波束可操縱、可賦形），247 個接收信道，信道帶寬50 MHz；設有11 個右旋圓極化的接收波束和11 個左旋圓極化的接收波束，共22 個接收波束（其中7 個波束為固定，12個波束可操縱，3 個波束可操縱、可賦形），275 個發射信道，信道帶寬50 MHz[6]。

V 波段的VLEO 子星座的衛星設有10 個右旋圓極化的接收波束和10 個左旋圓極化的接收波束，共20個接收波束（其中4 個波束為固定，16 個波束可操縱），140 個接收信道，服務信道帶寬1 000 MHz，測控信道帶寬10 MHz；設有8 個右旋圓極化的接收波束和8 個左旋圓極化的接收波束，共16 個接收波束（其中8 個波束為固定，8 個波束可操縱），240 個發射信道，服務信道帶寬1 000 MHz，測控信道帶寬10 MHz[7]。

以上波束的天線指向誤差和天線旋轉誤差均為0.1°。

圖1 LEO 星座衛星覆蓋情況

3 波束覆蓋

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

在LEO 星座中，衛星在550 km 左右的高度上運行，傾斜度在53～97.6°之間，將具有相對較大的覆蓋范圍，其特點是窄點波束覆蓋了約103 萬平方千米的相對較寬的服務區域。由于VLEO 星座的運行高度約為LEO 星座高度的2/3，因此其衛星使用的點波束覆蓋的范圍約為LEO 星座波束面積的1/2，但會映射到同一網格。雖然在這種情況下必須部署更多的VLEO 衛星，但結果是實質上具有更大的頻譜重用的能力，從而使VLEO 星座能夠為客戶提供更多的帶寬、更多的衛星分集選項或兩者結合。在人口稠密的地區，VLEO 衛星可將其帶寬集中在需要滿足高需求的地區，而LEO 星座將繼續為更廣泛區域內的所有用戶提供大的覆蓋范圍。這樣，2 個星座可以協同工作以提供密集且全面的覆蓋范圍。圖3 顯示了LEO 和VLEO 衛星覆蓋區的比較覆蓋范圍，以及各自的單個用戶點波束，用戶點波束張角均為1.5°。用戶和網關波束分別使用1.5°和1.0°的窄波束寬度，每顆衛星可以以相同的頻率發射2 個波束（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。

星鏈系統在每個衛星有效載荷上利用先進的相控陣波束成形技術和數字處理技術高效利用頻譜資源，并與其他天基和地面許可用戶靈活共享頻譜，相控陣天線發射的波束隨著偏離視軸而逐漸加寬，此時需調整功率保持地球表面恒定的PFD（功率通量密度），以補償與波束轉向角相關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 星座的信標波束的最大EIRP 分 別 為7 dBW/MHz 和-2.8 dBW/MHz）。

圖2 VLEO 星座衛星覆蓋情況

圖3 LEO 和VLEO 單個衛星覆蓋范圍及其用戶點波束比較覆蓋范圍

4 星座協同

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

由于衛星覆蓋區域重疊，而且每顆衛星在其覆蓋范圍內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移到其他位置以提供服務。因此，為解決“串連”區域用戶無法接收2 顆衛星的同頻信號的問題，系統可以將非“串連”衛星的波束定向到“串連”區域以提供服務，在滿足服務需求的同時也防止了衛星容量閑置。如果圖6 藍色區域中服務需求很高，系統還可以操作多種配置的衛星（S2H 和S1L、S1H 和S2H 或S1H 和S2L）的波束為該區域提供服務。

此外，利用每顆衛星上的發射和接收波束能夠區分不同位置的地球站這一特性，系統可以最大程度地減少受“串連”事件影響的區域。如圖7 所示，LEO 星座的S1 衛星和VLEO 星座的S2 衛星在地面形成了一個10°“串連”區域，此時，系統可將受“串連”事件影響的區域進行拆分，使S1 衛星服務于藍色區域用戶，S2衛星服務于紅色區域用戶，這樣二者都可以在整個頻段上運行，從而避免了2 顆衛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 的區域減小到3.5°，但是θ 區域仍然需要頻譜分割或其他某種策略。

可見，系統將不同軌道高度的衛星與可操縱的窄點波束相結合，優化了頻譜使用，而且V 波段的加入也增強了原有的Ku/Ka 波段，增加了系統容量、頻率可用性和頻譜重用率，從而極大地增加了可以服務的用戶數量，使系統能夠提供更多的高速、低延遲寬帶，進而改善用戶服務質量。

圖4 LEO 衛星的波束轉角與EIRP 變化關系

圖5 VLEO 衛星的波束轉角與EIRP 變化關系

圖6 LEO 星座與VLEO 星座的協同工作

圖7 LEO 衛星與VLEO 衛星的協同工作

5 用戶終端與網關地球站

系統的用戶終端也采用相控陣技術，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衛星，可實現在衛星之間的快速切換。該終端安裝簡單，可放置在汽車、輪船或飛機等移動載體上，如圖8 所示。2019 年2 月，SpaceX 向FCC 提交了一份申請，以許可其在美國操作多達一百萬個此類用戶終端，該申請于2020 年3 月獲得批準。

圖8 Starlink 用戶終端天線

網關地球站中也應用相同的相控陣技術，產生高增益轉向波束，實現單個網關站點與多個衛星進行通信[9]。衛星將直接與用戶終端或網關（通常位于主要Internet 節點附近）進行通信。截至2019 年11 月，SpaceX 被授權運營位于美國各地的6 個Ku 頻段測試網關站，用以在星鏈系統的第一代衛星與地面Internet 交換點之間傳遞寬帶數據。此外，SpaceX 計劃最初運營2 個用于遙測、跟蹤和控制（TT&C）的地面站，一個在美國東海岸華盛頓州的布魯斯特（Brewster WA），一個在美國西海岸（位置未知）。圖9 為目前位于美國本土的28 個地面站（黃色標記）和位于華盛頓布魯斯特的測控站（藍色標記）。

28 個地面站所在位置（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 系統位于美國的衛星地面站和測控站

6 抗干擾策略

Starlink 系統采取了若干項措施來減小各種干擾對系統的影響，主要有以下三項：

1）在高仰角下運行。系統星座為所有網關地球站和用戶以最小35°的仰角提供服務，這將最大程度地減小低仰角時的傳輸損耗對地面系統的影響。

2）高定向衛星和地球站波束。衛星上使用窄的可控點波束，可將該下行波束定向為遠離潛在的干擾區域；同樣，用于與衛星通信的地球站也具有窄的高定向波束，且具有強旁瓣抑制能力。系統將為其他GSO 和NGSO 衛星提供顯著的波束隔離，這將確保對其他衛星系統的干擾僅在系統衛星發生“串連”事件的情況下才會發生。

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

所以，當地球站受到地面活動的干擾時，地球站可以通過增加該區域使用的最小仰角、優先與不太可能受到地面操作影響的衛星進行通信，以及屏蔽受干擾衛星的星間鏈路組合等策略減弱干擾，保護其地球站，并與地面系統共享頻譜。

7 結束語

當Starlink 系統的LEO 和VLEO 星座組建完成并協同工作時，將能夠在全球范圍內向民用和軍用領域提供完整的、連續的、強大的寬帶服務。除Starlink 系統之外，Telesat、OneWeb、LeoSat、O3b-SES、ViaSat、Space Norway 等多個國家的多個中低軌道大型和巨型互聯網星座也都在競相構建中，已然成為今后衛星網絡發展的新浪潮，這些系統的技術各有所長，應當密切關注其發展動向。