Starlink第二代系统介绍

2020-03-24刘帅军徐帆江刘立祥王大鹏凌腾中国科学院软件研究所天基综合信息系统重点实验室

卫星与网络 2020年12期

+刘帅军徐帆江刘立祥王大鹏凌腾（中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室）

一、概述

SpaceX公司自2014年宣布建设Starlink（星链）星座以来，已发展成在轨卫星数量最多、发射频度最快、技术最变革的低轨星座系统。2019年10月，SpaceX公司向国际电信联盟ITU报送了30000颗卫星的网络资料，而后在2020年5月份将更详细的申请提交至美国联邦通信委员会（FCC）。这一期3万颗卫星代号为Starlink Gen2（Generation2,第二代），在原4409颗星座的Ku、Ka频段基础上，增加了E频段，同时也考虑采用星间链路。本文重点对Starlink第二代系统进行的空间段星座构型、卫星主要载荷特性、频率与天线、波束等内容进行介绍。

二、Starlink第二代系统空间段及工作频段介绍

（一）空间段分布

据SpaceX提交至FCC的申请中显示，本次申请的30000颗卫星工作的轨道高度较低，分布在328km～614km共计75个轨道面上。表1为Starlink第二代系统的星座构型分布。

其空间段的在轨分布如图1所示。

鉴于该星座中有30000颗卫星，设计寿命为5年，因此SpaceX可能会持续进行发射和离轨活动。

Starlink第二代系统将在每个卫星有效载荷上利用先进的相控阵波束成形、数字处理技术，以便高效利用频谱资源，并与其他天基和地面许可用户灵活共享频谱。用户终端将采用高度定向的可调向天线波束，以跟踪系统的卫星。对于关口站而言，将生成高增益定向波束以与星座内多个卫星进行通信。值得注意的是，SpaceX正在开发星间激光链路，并期望将其部署在第二代系统上，以提供无缝的网络管理和服务连续性。

（二）工作频段

相比于第一代系统仅采用Ku、Ka频段而言，Starlink第二代系统将使用Ku、Ka和E频段频谱，如表2所示。

根据用户利用率和其他因素，系统带宽将被分成多个小信道，而终端或关口站可采用多个信道所聚合成更宽的带宽。

表1 Starlink Gen2星座空间段分布

●对于用户终端：下行链路最大2000 MHz，上行链路最大125 MHz；

●对于关口站而言：上下行最大均为5000MHz。

同时，可以在相同的频率上通过左右旋（LHCP/ RHCP）极化实现两个波束，但是在特定情况下，SpaceX只能使用一种极化方式。这提供了操作灵活性，以促进协调和遵守区域和国家/地区特定法规。

（三）工作仰角

第二代系统中的所有卫星都经过详细设计，以保证其发射和接收天线波束均在最小和最大增益的定义范围内。SpaceX将利用这种灵活性，通过适应不同的用户密度（即人口稠密地区的高增益波束与农村地区的低增益波束）和不同海拔的服务来优化面向用户的宽带服务。每个Starlink第二代系统卫星上的所有下行链路点波束都可以在其对地视场中独立控制。然而，地球站仅与最小仰角以上的卫星通信。图2为卫星对地视场（半锥角Beta）和站星仰角（El）等参数的关系示意图。

由图2可知，在保持（用户地球站及网关地球站）站星仰角一定数值情况下，不同轨道高度的卫星其对地视场（半锥角Beta）不同。具体而言，Starlink第二代系统在支持终端仰角25度情况下，各子星座所对应的最大半锥角及覆盖半径如表3所示：

（四）第二代系统特色

SpaceX设计了其第二代系统，以满足世界宽带需求的双重要求，即一是为农村、偏远和覆盖困难的最终用户提供高速、低延迟的连接，二是为所有地点提供高效、大容量的连接。相比于先前提出11927颗卫星的Starlink系统（姑且称之为第一代），第二代星座的运行将在如下方面改善和提升：

图1 Starlink Gen2星座空间段分布示意图

第一，容量、频率可用性和频率复用的增加，极大地增加了可以服务的用户数量。

第二，每个用户可用带宽的增加改善了服务质量，为尚未被网络覆盖区域的用户带来了更多的高速、低延迟宽带，并在可以使用地面替代方案的区域中注入了更多竞争。

第三，大量卫星在低轨道LEO上具有可跟踪的窄点波束，这为优化频谱使用创造了机会，这将增加与其他GSO和NGSO系统进行协调的机会。

三、Starlink第二代系统四类波束

Starlink第二代系统低轨卫星根据工作频段和主要用途，可分为Ku、Ka、E及TT&C波束，以下分别介绍。

（一）Ku频段波束

第二代系统卫星将使用Ku频段于用户链路。

对于发射波束而言，在指向星下点的对地视轴上，增益最小，为34dBi；指向覆盖边缘处增益最大，为44dBi。对于星座中的绝大多数卫星，用户终端与Starlink卫星进行通信的最小仰角可能低至25度，但对于轨道高度604km和614km的卫星而言，最低仰角可能低至5度。使用相控阵的天线发射的波束随着远离视轴而逐渐加宽，也就使得，指向星下点的视轴上的波束形状是圆形的，但当转向远离对地视轴时，椭圆形状会愈加突出。

对于接收波束，当波束从星下点向边缘倾斜时，天线增益会略有下降。结果就是，在星下点G/T最大，为9.5～19.5dB/K；而在最大倾斜路径时G/T最小，为7.0～17.0dB/K。

（二）Ka频段波束

第二代系统卫星将使用Ka频段于用户链路、馈电链路。

卫星将使用相控阵天线与用户终端进行通信，并使用抛物面天线与关口站进行通信。在第二代系统将频谱用于两个链路情况下，SpaceX将使用角间隔进行自我协调，以便位于Ka频段关口站附近的用户将使用Ku频段频谱或其他非同频的Ka频段。

表2 Starlink Gen2系统的频率

卫星将使用Ka频段天线进行发射，指向星下点处增益最小，为34.5dBi；卫星覆盖边缘处增益最大，为44.5dBi。用户终端与Ka频段的Starlink卫星进行通信的最小仰角可以低至25度，关口站也仅与指定的最小仰角以上的卫星通信。一般来说，该角度可以低至25度。但是，在某些情况下会有所例外，以实现更大的覆盖范围。具体而言，对于轨道倾角较大的360km（倾角96.9deg）和373km（倾角75deg）高度的卫星而言，可支持位于极区内（即纬度超过62度）关口站工作在5度的最小仰角。

对于面向关口站接收波束而言，其G/T将保持恒定在12.9dB/K到22.9dB/K，具体取决于天线增益（但与高度和转向角无关）。对于面向用户终端的接收波束而言，随着波束从星下点向边缘倾斜，天线增益会略有下降。结果就是，每个轨道高度的卫星，其在指向星下点的接收波束G/T最大，为12.9～22.9 dB/K；而在指向边缘处的接收波束G/T最小，为10.4～20.4dB/K。

（三）E频段波束

第二代系统将仅使用E频段波束与关口站进行通信。

当使用E频段用于发射波束时，其最小增益为42dBi，最大增益为52dBi。每个E频段馈电波束每次仅单个关口站进行通信，并使用尽可能窄的波束进行优化，以使该链路尽可能在收发波束的中心。

在同一频率上，E频段波束采用不同的极化方式（即RHCP和LHCP）。对于关口站而言，最大可支持与32个卫星建立馈电连接，加上不同的左右旋极化方式，单站可同时完成64个同频的E频段波束。同时，Starlink将调整功率以满足所需的功率通量密度PFD级别。对于接收波束，取决于天线增益（但与高度和转向角无关），G/T将保持恒定，在17.7dB/K到27.7dB/K之间。