StarLink當(dāng)前在軌簡(jiǎn)要分析

及第二代系統(tǒng)介紹

作者 | 劉帥軍,、徐帆江,、劉立祥、王大鵬

單位 | 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

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月份,，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（Generation 2, 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。本文首先對(duì)Starlink當(dāng)前在軌衛(wèi)星分布及時(shí)延等性能進(jìn)行分析,，隨后重點(diǎn)對(duì)Starlink第二代系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,，包括其空間段星座構(gòu)型、衛(wèi)星主要載荷特性,、頻率與天線,、波束等內(nèi)容。

隨著2020年8月7日第十批Starlink衛(wèi)星（代號(hào)為Starlink-9）,，Starlink發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量共計(jì)595顆,，由于當(dāng)前尚未獲得最新發(fā)射一批57顆衛(wèi)星的在軌狀態(tài)，因此仍以前9批共計(jì)538衛(wèi)星在軌分布為研究場(chǎng)景,。另需注意的是,，還需要去除已失效的共計(jì)6顆衛(wèi)星，也就是說(shuō)本次分析的在軌衛(wèi)星為532顆衛(wèi)星,。

2.1 在軌分布

對(duì)在軌532顆衛(wèi)星的在軌空間段分布如圖1所示,。由圖可看出，衛(wèi)星基本已分布在若干（實(shí)際上是18個(gè)）個(gè)軌道面上,。

圖1 Starlink當(dāng)前在軌532顆衛(wèi)星在軌分布

所有衛(wèi)星軌道高度統(tǒng)計(jì)如圖2所示,。可看出,，已工作在預(yù)定550km軌道高度的衛(wèi)星有374顆,，占比70%，其他絕大多數(shù)衛(wèi)星均處于軌道爬升過(guò)程,，部分衛(wèi)星已低于300km（接近失效）,。

圖2 Starlink衛(wèi)星在軌高度分布

進(jìn)一步對(duì)各批次發(fā)射衛(wèi)星的在軌高度進(jìn)行分析，我們可發(fā)現(xiàn),，第一批次有35顆衛(wèi)星軌道高度已低于300km,，且仍在持續(xù)下降；而在近兩個(gè)月前（2020.06.21）,，低于300km高度的衛(wèi)星僅2顆,，且基本上第一批Starlink Demo版本衛(wèi)星都在軌道下降過(guò)程中。對(duì)于第二到第六批衛(wèi)星，基本上所有衛(wèi)星都已進(jìn)入預(yù)定軌道工作,。更為詳細(xì)的信息,，可參考圖3及先前歷史結(jié)果進(jìn)行分析后即可得出。

 圖3 Starlink各批次衛(wèi)星在軌高度分布

2.2 端到端時(shí)延性能分析

端到端時(shí)延分析場(chǎng)景及方法與前述文章中基本一致,，仍以紐約到西雅圖的端到端為場(chǎng)景,。以下為端到端時(shí)延性能分析結(jié)果：

 圖4 Starlink當(dāng)前在軌衛(wèi)星提供端到端往返時(shí)延RTT分析

由圖4可看出，對(duì)于紐約到西雅圖之間的通信時(shí)間占比為98%,，而僅有2%時(shí)間內(nèi)沒(méi)有可達(dá)鏈路,，端到端RTT平均為39.86 ms,。同時(shí),，將本次結(jié)果與先前歷史分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表1所示：

表1 端到端往返時(shí)延歷史性能分析對(duì)比

對(duì)端到端時(shí)延而言，由三個(gè)月前的51.8ms降到了39.9ms,，可通信時(shí)間占比也由59%提升至98%,，已非常接近可提供正常服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)保障能力了。同時(shí),，與地面大圓距離對(duì)應(yīng)的光纖時(shí)延對(duì)比,，也基本相當(dāng)（相差僅7%）。

Starlink Gen2是SpaceX公司于2020年5月份提交至FCC申請(qǐng)的新一代大型低軌星座,，也就是我們常說(shuō)的30000顆星的那個(gè)系統(tǒng),。

3.1 空間段分布

據(jù)SpaceX提交至FCC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328 km-614 km共計(jì)75個(gè)軌道面上,。表2為Starlink Gen2的星座構(gòu)型分布：

表2 Starlink Gen2星座空間段分布

其空間段的在軌分布如圖5所示：

圖5 Starlink Gen2星座空間段分布示意圖

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 Gen2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Gen2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,。

3.2 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,，如下表3所示。

表3 Starlink Gen2系統(tǒng)的頻率

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。

· 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5000 MHz。

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)。

3.3 工作仰角

Gen2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 Gen2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：

圖6 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

由圖6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 Gen2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4所示：

表4 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

3.4 Gen2 系統(tǒng)特色

SpaceX設(shè)計(jì)了其Gen2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Gen2星座的運(yùn)行將在如下方面改善和提升：

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),。

Starlink Gen2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,。

4.1 Ku頻段波束

Gen2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34 dBi,；指向覆蓋邊緣處增益最大,，為44 dBi。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604 km和614 km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9.5-19.5 dB/K；而在最大傾斜路徑時(shí)G/T最小,，為7.0-17.0 dB/K,。

4.2 Ka頻段波束

Gen2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Gen2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,。

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34.5 dBi,；衛(wèi)星覆蓋邊緣處增益最大，為44.5 dBi,。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360 km（傾角96.9 deg）和373 km（傾角75 deg）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12.9 dB/K到22.9 dB/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10.4-20.4 dB/K,。

4.3 E頻段波束

Gen2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42 dBi,，最大增益為52 dBi。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17.7 dB/K到27.7 dB/K之間,。

4.4 TT&C波束

Gen2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。

本文首先對(duì)Starlink在軌衛(wèi)星分布及時(shí)延性能進(jìn)行分析,，通過(guò)與幾個(gè)月前分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),，當(dāng)前Starlink星座在保障端到端服務(wù)可靠性（98%）與降低時(shí)延（39.9ms）方面都取得了顯著提升。

此后,，重點(diǎn)對(duì)SpaceX公司新提出的Starlink第二代低軌星座進(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)與各位專家學(xué)者分享,、探討。