Starlink 卫星系统技术概要*

王 迪，骆 盛，毛 锦，王 勇

（1.国防科技大学电子对抗学院，安徽 合肥230037；2.安徽农业大学外国语学院，安徽 合肥230036）

0 引言

Starlink（星链）是美国太空服务公司SpaceX 正在构建的NGSO（非对地静止轨道）卫星系统，由2 个子星座以及相关的地面控制设施、网关地球站和用户地球站组成，系统建成后，将由近12 000 颗卫星构成的巨型星座提供覆盖全球的高速互联网接入服务[1]。该计划利用卫星取代传统的地面通信设施，使全球甚至偏远地区也能够接入高速宽频互联网，提供价格优惠且延迟极短的通信服务。2015 年1 月，SpaceX 宣布建造大型互联网星座的计划；2018 年2 月，发射了2 颗实验卫星；（美国联邦通信委员会FCC）要求自2018 年3月起，该计划必须在9 年内部署完毕；2019 年5 月，该项目第一批卫星发射。几年来，整个星座的设计也发生了若干重大变化。

1 轨道信息

SpaceX 最初计划部署的2 个子星座分别是：1 150 km 轨道高度上由4 425 颗卫星组成的LEO（低地球轨道）星座及340 km 轨道高度上由7 518 颗卫星组成的VLEO（极低地球轨道）星座[2-3]。2018 年11 月，SpaceX 要求修改此前的FCC 许可证，将LEO 星座卫星数量调整为4 409 颗，且不在1 150 km 轨道高度上运行所有卫星，而是将在550 km 处运行其中的1 584颗 卫星[4]。2020 年4 月，SpaceX 要求进一步修改原始FCC 许可证，将LEO 星座全部卫星的轨道高度都更改到540～570 km 的轨道高度，这一变化可获得更短的互联网服务延迟及更广的极地地区覆盖范围（截至本文发表时该申请尚在等待FCC 批准）。所以目前星链系统只有540 km 的LEO 星座和340 km 的VLEO星座，其具体轨道的设计参数如表1 和表2 所示（卫星实际入轨参数与设计参数或有变动，本文皆以设计参数为参考进行论述）。

表1 星链系统LEO 星座参数

表2 星链系统VLEO 星座参数

SpaceX 于2019 年10 月向国际电信联盟提交了申请，要求运营多达30 000 颗卫星，但是SpaceX 表示，该公司仍未最终确定星座所需的卫星总数。

2 工作频率

星链系统具有星间通信功能，卫星与卫星之间使用激光进行互连；网络用户将使用V 和Ku 频段，而V和Ka 频段将主要用于连接网关以及进行跟踪、遥测和控制（TT&C），工作频段如表3 所示；LEO 子星座的卫星的工作将使用Ku、Ka 和V 波段，VLEO 子星座卫星的工作将全部使用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）等服务。

表3 星链系统工作频段 GHz

Ku 和Ka 波段的LEO 子星座的卫星设有3 个右旋圆极化的接收波束（其中2 个波束可操纵，1 个波束可操纵、可赋形），247 个接收信道，信道带宽50 MHz；设有11 个右旋圆极化的接收波束和11 个左旋圆极化的接收波束，共22 个接收波束（其中7 个波束为固定，12个波束可操纵，3 个波束可操纵、可赋形），275 个发射信道，信道带宽50 MHz[6]。

V 波段的VLEO 子星座的卫星设有10 个右旋圆极化的接收波束和10 个左旋圆极化的接收波束，共20个接收波束（其中4 个波束为固定，16 个波束可操纵），140 个接收信道，服务信道带宽1 000 MHz，测控信道带宽10 MHz；设有8 个右旋圆极化的接收波束和8 个左旋圆极化的接收波束，共16 个接收波束（其中8 个波束为固定，8 个波束可操纵），240 个发射信道，服务信道带宽1 000 MHz，测控信道带宽10 MHz[7]。

以上波束的天线指向误差和天线旋转误差均为0.1°。

图1 LEO 星座卫星覆盖情况

3 波束覆盖

对于LEO 和VLEO 子星座，每颗卫星上都有可独立操纵的下行链路点波束。LEO 星座中的卫星轨道高度约为550 km，可在距视轴（天底）最远44.85°的范围提供服务，地面覆盖半径约为573.5 km，用户终端和网关可以至少40°的仰角与卫星进行通信，如图1 所示；VLEO 星座中的卫星轨道约为335.9 km，可在距视轴最远51.09°的范围提供服务，地面覆盖半径约为435 km，用户终端和网关可以至少35°的仰角与卫星进行通信，如图2 所示。卫星可提供服务的距视轴的最大角度随高度而略有变化。

在LEO 星座中，卫星在550 km 左右的高度上运行，倾斜度在53～97.6°之间，将具有相对较大的覆盖范围，其特点是窄点波束覆盖了约103 万平方千米的相对较宽的服务区域。由于VLEO 星座的运行高度约为LEO 星座高度的2/3，因此其卫星使用的点波束覆盖的范围约为LEO 星座波束面积的1/2，但会映射到同一网格。虽然在这种情况下必须部署更多的VLEO 卫星，但结果是实质上具有更大的频谱重用的能力，从而使VLEO 星座能够为客户提供更多的带宽、更多的卫星分集选项或两者结合。在人口稠密的地区，VLEO 卫星可将其带宽集中在需要满足高需求的地区，而LEO 星座将继续为更广泛区域内的所有用户提供大的覆盖范围。这样，2 个星座可以协同工作以提供密集且全面的覆盖范围。图3 显示了LEO 和VLEO 卫星覆盖区的比较覆盖范围，以及各自的单个用户点波束，用户点波束张角均为1.5°。用户和网关波束分别使用1.5°和1.0°的窄波束宽度，每颗卫星可以以相同的频率发射2 个波束（左旋圆极化和右旋圆极化），但在特定情况下只能使用其中一个。

星链系统在每个卫星有效载荷上利用先进的相控阵波束成形技术和数字处理技术高效利用频谱资源，并与其他天基和地面许可用户灵活共享频谱，相控阵天线发射的波束随着偏离视轴而逐渐加宽，此时需调整功率保持地球表面恒定的PFD（功率通量密度），以补偿与波束转向角相关的天线增益和路径损耗的变化，如图4 和图5 所示，其中LEO最 高EIRP 为29.91 dBW/MHz，VLEO 为20.21 dBW/MHz（LEO和VLEO 星座的信标波束的最大EIRP 分 别 为7 dBW/MHz 和-2.8 dBW/MHz）。

图2 VLEO 星座卫星覆盖情况

图3 LEO 和VLEO 单个卫星覆盖范围及其用户点波束比较覆盖范围

4 星座协同

系统可以使2 个星座以协同工作的方式优化覆盖范围。如图6 所示，其中2 个LEO 卫星和2 个VLEO卫星在重叠的覆盖区域工作，黑色虚线表示每个卫星的覆盖范围，并且在该区域内可以操纵大量1.5°窄点波束。由于所有卫星都使用相同的V 波段频谱，因此，从用户的角度看，上下2 颗卫星似乎在同一直线上，此种情况称为“串连”事件，此时需避免以相同的频率发射到用户位置。为了便于说明，使用10°定义2颗卫星不能同时向同一用户以相同频率提供服务的角度间隔，那么红线表示的区域中，用户分别无法从S2H 卫星和S1L 卫星接收同频信号；蓝线表示的区域中，用户分别无法从S2H 卫星和S2L 卫星接收同频信号[8]。

由于卫星覆盖区域重叠，而且每颗卫星在其覆盖范围内都可以使用许多可控波束，这种灵活性允许未使用的频率和波束转移到其他位置以提供服务。因此，为解决“串连”区域用户无法接收2 颗卫星的同频信号的问题，系统可以将非“串连”卫星的波束定向到“串连”区域以提供服务，在满足服务需求的同时也防止了卫星容量闲置。如果图6 蓝色区域中服务需求很高，系统还可以操作多种配置的卫星（S2H 和S1L、S1H 和S2H 或S1H 和S2L）的波束为该区域提供服务。

此外，利用每颗卫星上的发射和接收波束能够区分不同位置的地球站这一特性，系统可以最大程度地减少受“串连”事件影响的区域。如图7 所示，LEO 星座的S1 卫星和VLEO 星座的S2 卫星在地面形成了一个10°“串连”区域，此时，系统可将受“串连”事件影响的区域进行拆分，使S1 卫星服务于蓝色区域用户，S2卫星服务于红色区域用户，这样二者都可以在整个频段上运行，从而避免了2 颗卫星用频谱分割的方式解决“串连”事件。这种策略可以将图7 中表示为θ 的区域减小到3.5°，但是θ 区域仍然需要频谱分割或其他某种策略。

可见，系统将不同轨道高度的卫星与可操纵的窄点波束相结合，优化了频谱使用，而且V 波段的加入也增强了原有的Ku/Ka 波段，增加了系统容量、频率可用性和频谱重用率，从而极大地增加了可以服务的用户数量，使系统能够提供更多的高速、低延迟宽带，进而改善用户服务质量。

图4 LEO 卫星的波束转角与EIRP 变化关系

图5 VLEO 卫星的波束转角与EIRP 变化关系

图6 LEO 星座与VLEO 星座的协同工作

图7 LEO 卫星与VLEO 卫星的协同工作

5 用户终端与网关地球站

系统的用户终端也采用相控阵技术，终端天线为直径约0.48 m 的相控阵天线，以高指向性天线波束跟踪系统卫星，可实现在卫星之间的快速切换。该终端安装简单，可放置在汽车、轮船或飞机等移动载体上，如图8 所示。2019 年2 月，SpaceX 向FCC 提交了一份申请，以许可其在美国操作多达一百万个此类用户终端，该申请于2020 年3 月获得批准。

图8 Starlink 用户终端天线

网关地球站中也应用相同的相控阵技术，产生高增益转向波束，实现单个网关站点与多个卫星进行通信[9]。卫星将直接与用户终端或网关（通常位于主要Internet 节点附近）进行通信。截至2019 年11 月，SpaceX 被授权运营位于美国各地的6 个Ku 频段测试网关站，用以在星链系统的第一代卫星与地面Internet 交换点之间传递宽带数据。此外，SpaceX 计划最初运营2 个用于遥测、跟踪和控制（TT&C）的地面站，一个在美国东海岸华盛顿州的布鲁斯特（Brewster WA），一个在美国西海岸（位置未知）。图9 为目前位于美国本土的28 个地面站（黄色标记）和位于华盛顿布鲁斯特的测控站（蓝色标记）。

28 个地面站所在位置（城市名+州名）为：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。

图9 Starlink 系统位于美国的卫星地面站和测控站

6 抗干扰策略

Starlink 系统采取了若干项措施来减小各种干扰对系统的影响，主要有以下三项：

1）在高仰角下运行。系统星座为所有网关地球站和用户以最小35°的仰角提供服务，这将最大程度地减小低仰角时的传输损耗对地面系统的影响。

2）高定向卫星和地球站波束。卫星上使用窄的可控点波束，可将该下行波束定向为远离潜在的干扰区域；同样，用于与卫星通信的地球站也具有窄的高定向波束，且具有强旁瓣抑制能力。系统将为其他GSO 和NGSO 卫星提供显着的波束隔离，这将确保对其他卫星系统的干扰仅在系统卫星发生“串连”事件的情况下才会发生。

3）能够从多个可见卫星中进行选择。系统建成后，将在任何给定地球站的视野内提供多颗NGSO 卫星，从而提供卫星分集的优势，可见卫星的数量将取决于地球站的地理位置和系统星座的部署[10]。在某些情况下，地球站可智能地选择特定的卫星，从而避免与GSO 和其他NGSO 卫星发生潜在的在“串连”干扰事件。

所以，当地球站受到地面活动的干扰时，地球站可以通过增加该区域使用的最小仰角、优先与不太可能受到地面操作影响的卫星进行通信，以及屏蔽受干扰卫星的星间链路组合等策略减弱干扰，保护其地球站，并与地面系统共享频谱。

7 结束语

当Starlink 系统的LEO 和VLEO 星座组建完成并协同工作时，将能够在全球范围内向民用和军用领域提供完整的、连续的、强大的宽带服务。除Starlink 系统之外，Telesat、OneWeb、LeoSat、O3b-SES、ViaSat、Space Norway 等多个国家的多个中低轨道大型和巨型互联网星座也都在竞相构建中，已然成为今后卫星网络发展的新浪潮，这些系统的技术各有所长，应当密切关注其发展动向。