“星链”卫星系统及国内卫星互联网星座发展思考*

刘旭光，钱志升，周继航，马向东

（中国人民解放军63892 部队，河南 洛阳 471003）

0 引言

全球低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星星座具有可批量研制、能够快速发射、通信容量大、传输时延小、全球通信等特点，因此受到越来越多国家的重视。SpaceX 公司、OneWeb 公司、Telesat公司等企业瞄准商机，快速行动，已经陆续发布了自己的中低多种轨道并用卫星星座项目，并迅速展开了研制和发射任务。同样，美军也越来越重视中地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）和LEO 等卫星星座的建设和利用。为满足未来战场需求，美国国防部加速推进商业卫星星座资源在军事领域的融合和应用。可见，采用多种轨道的卫星星座的发展促使全球卫星通信进入了一个崭新的时代，也必将对军事领域、战争理念产生巨大的影响。

本文首先介绍“星链”（Starlink）计划的发展概况，对该卫星星座主要参数、应用背景、终端类型、工作模式、覆盖性能进行了深入研究；其次对该星座的军事应用前景进行分析；最后结合我国国情，提出一种国内卫星互联网星座的发展设想。

1 “星链”卫星系统

1.1 概述

“星链”计划是由美国SpaceX 公司提出的低轨道卫星互联网星座系统。该系统由不同高度的卫星星座和若干地面站组成，系统建成后，将由4 万多颗低轨卫星组成的星座为全球卫星覆盖区域提供高速的互联网接入服务[1]。按最早的计划，SpaceX将大约1.2 万颗星链卫星发射到近地轨道，构建由3层卫星构成的卫星网络，这3 层卫星分别位于距离地面340 km 和550 km 的极低地球轨道（Very Low Earth Orbit，VLEO）（9 102 颗），以及1 150 km的LEO（2 825 颗）上。美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）的备案显示，SpaceX 公司在完成初步发射1.2 万颗卫星后，准备再发射3 万颗卫星，最终总数目达到4.2 万颗，将形成一个庞大的互联网卫星星座系统。

“星链”计划的搭建基本上分为3 个阶段：第1 阶段计划共12 次发射，约1 584 颗卫星部署在550 km，轨道倾角为53°的24 个轨道面上，完成初步的组网后，能够基本覆盖美国本土，满足其天基高速互联网的需求；第2 阶段计划共24 次发射，由部署于1 110～1 325 km 的4 种不同轨道高度的卫星完成全球组网，组网能够覆盖全球主要地区；第3 阶段共发射30 次，计划采用更多的低轨星座，轨道为335.9～345.6 km，星座容量进一步提高，能够实现全球完全覆盖。“星链”卫星系统空间运行仿真如图1 所示。

图1 “星链”卫星系统仿真

截至2021 年5 月26 日，SpaceX 公司在肯尼迪航天中心采用“猎鹰9 号”火箭，成功将第29 组60 颗“星链”宽带卫星送入轨道。此次发射后，SpaceX 已累计发射1 737 颗“星链”卫星。“星链”计划自提出至目前的组网阶段，卫星轨道情况如表1 所示。

表1 “星链”计划卫星轨道情况

1.2 主要性能参数

1.2.1 主要参数

“星链”系统涵盖了星间通信链路，星与星之间通信使用激光通信技术，主要是同一轨道的前后两颗卫星和左右相邻轨道面的两颗卫星通过激光通信进行联系，从而确保任意两个方向上的通信不中断，其工作频段为V 和Ku 频段。V 和Ka 频段主要用于地面站对卫星的遥测、遥控和跟踪以及各网关之间的连接。LEO 卫星的工作频段是Ku、Ka 和V 频段，VLEO 卫星工作在V 频段，提供陆地和卫星固定业务、陆地和卫星移动业务及卫星广播业务等服务[2-3]。“星链”系统各阶段的工作频率如表2所示。

表2 “星链”系统工作频率使用情况

1.2.2 应用背景

星链的组网规模虽大，但网络延迟却不高，甚至比光纤网络的网络延迟更低。如图2 所示，该星座在航空、测控、远洋探测、海运相关领域都发挥了巨大作用，已经融入生活中的方方面面。在太空中，太空网络资源信息共享，而无论谁建设有卫星互联网，就等于能控制了整个信息的制高点。在网络安全领域，不管是哪个国家，只要持有卫星终端，就可以在卫星覆盖范围内直接跨境访问境外互联网的服务。在宽带网络接入场景下，卫星互联网还可以替代同步轨道卫星通信，为远洋运输、航空运输以及两极地区的科考等应用场景提供较低成本的宽带网络接入。总之，“星链”系统将从军事、政治、经济多个层面给人们带来一定的影响，因此应提前谋划，重点发展卫星互联网技术。

图2 “星链”系统应用场景

1.2.3 星上载荷和终端类型

“星链”卫星采用先进的相控阵天线（Phased Array Antenna，PAA）7 波束赋形系统，这种天线可快速改变波束发射方向而不用改变天线孔面的物理朝向，能够实现对频谱资源的高效利用，并可与其他空间和地面的授权用户灵活使用频谱。

“星链”系统的用户终端采用相控阵天线，直径约为0.48 m，天线波束能够实现对卫星系统的精准定位，即只需要简单的操作就可以使天线孔面对准最近的星链轨道面，便可完成数据的上下传输，实现在卫星之间的快速切换[4]。据资料显示，“星链”终端设备应当具备美国空军的C4ISR 军用接口。该用户终端体积较小，安装简单，可放置在各种移动载体上，如图3 所示[4]。

图3 “星链”卫星终端

网关地球站的天线也应用了同类型的相控阵技术，通过产生多个指向性较强的窄波束来实现单个网关站点与多个卫星进行通信[4]。卫星可以通过这种技术直接与卫星用户终端或网关（地面站）进行通信。

如图4 所示，SpaceX 已经在美国申请了一共27 个Ka 频段网关（地面站）[4]，分别位于得克萨斯州、佛罗里达州、加利福尼亚州、俄克拉荷马州、北达科他州（2 个）、密歇根州和阿拉斯加。目前尚不清楚部署于阿拉斯加北海岸的地面站将如何进行使用，SpaceX 公司可能会在更多的地区抢先建立地面站。如果SpaceX公司能够获得更多的建站许可，新建的地面站还可以覆盖墨西哥北部和加拿大南部的大部分地区。

图4 “星链”卫星网关地面站分布

1.2.4 工作模式

“星链”是天基网，要么通过透明转发信息，要么通过星间链路直接连接服务和用户。卫星用户有透明转发和星上路由交换两种工作模式，其用户工作流程如图5 所示。

图5 “星链”卫星用户工作流程

（1）透明转发模式

反向链路：用户终端→卫星→信关站（用户链路→馈电链路）；

前向链路：信关站→卫星→用户终端（馈电链路→用户链路）。

（2）星上路由交换模式

用户1 →卫星1 →信关站→卫星1 →卫星2 →用户终端2（用户链路→馈电链路→馈电链路→用户链路）。

透明转发模式，用户从地面网络获取相应的数据或者通话服务只能通过一跳的关口站，无法通过一跳到达关口站的地方，则无法提供通信服务。而对于具备星上路由交换功能的卫星，则不需要关口站，“星链”系统可通过其星地和星间路由实现全球通信。

1.3 “星链”系统星座覆盖分析

使用AGI 公司的STK（Systems Tool Kit）创建仿真环境，导入基于简化常规扰动（Simplified General Perturbation Version 4，SGP4）解析模型的“星链”卫星的星历两行轨道数据（Two-Line Orbital Element，TLE）（2021 年8 月5 日），构建“星链”星座，该星座对全球及北美地区的覆盖性能仿真如图6、图7、图8 所示。

图6 “星链”卫星系统对全球区域通信覆盖时段及覆盖比

图7 “星链”卫星系统对北美区域通信覆盖时段及覆盖比

图8 “星链”卫星系统覆盖纬度

根据仿真结果，“星链”系统目前在轨的1 661 颗卫星已具有初步运营能力，能够对全球区域形成96.61%～100%连续覆盖，平均瞬时覆盖率高达98%，如图6 所示。而对北美地区能够形成实时的连续覆盖，且能够提供不间断的通信服务，如图7 所示。该系统已经开始为美国和加拿大部分地区提供低成本的高速互联网接入服务，但是靠近两极地区仍是其覆盖的薄弱区，如图1 和图8 所示，相信随着发射卫星的增多，该系统最终会实现包括两极区域的真正全球覆盖。

2 卫星互联网军事意义

“星链”等一批低轨互联网卫星系统不仅可以提供宽带化的低成本、全球覆盖的互联网服务，若将其应用于军事领域，得益于其全球化高带宽的波束覆盖，将大幅增强美军的信息化能力。主要表现在以下几个方面：

（1）该卫星系统高达4.2 万颗的卫星数量会将地球近地轨道空间严密包裹，牢牢控制太空空间；

（2）可构建成为最强大的全天候无缝情报监听侦查网、可靠的导弹预警及动能拦截网和高可控的指挥通信网；

（3）能够取代导弹最贵的制导部件，导致导弹价格降低；

（4）天基目标探测和打击能力必将发生质的变化。

美国一直在积极推进太空武器化，“星链”星座虽然是民用的，但因其具有巨大军用价值，事实上已经成为美国在外太空实现大规模武器化的重要标志。毫无疑问，以“星链”星座为代表的低轨道卫星星座一旦进入作战，对世界各国的未来作战形态势必将会造成重大影响，因此有必要深入研究以应对其带来的挑战。

3 我国卫星互联网建设方案设想

3.1 发展卫星互联网的必要性

当今低轨卫星互联网星座发展日新月异，但也带来了许多不安全因素，我国必须提前准备、顶层规划，积极建设自己的卫星互联网星座。

然而，我国卫星互联网星座发展之路并非一帆风顺。首先，我国不能像美国那样去全球建站，其次，频率轨位资源的匮乏是摆在我国面前的另一个问题。因此，从我国国情出发，建设规模庞大的纯低轨卫星互联网星座不容易实现，可考虑通过高中低轨星间链空间组网的方式，充分利用高轨卫星系统覆盖区域广的优越性，打破地域限制，确保卫星互联网业务安全可靠[5]。

3.2 发展卫星互联网方案设想

基于以上原因，在构建卫星互联网方案时，既要达到纯低轨方案的大容量数据传输的能力，又要求极高的实时性，还需要考虑到通信覆盖范围由区域化朝向全球化发展的趋势，此外，结合我国现阶段主要考虑发展覆盖中国及其周边地区，兼顾考虑发展覆盖全球通信需求的实际情况分析，可以采用各种轨道卫星覆盖综合发展高中低轨道通信卫星的发展思路。地球同步轨道卫星系统主要覆盖我国领土及周边地区上空，而中低轨道星座可覆盖全球主要区域，两者对主要服务区域构成双重覆盖，增大通信容量。在我国及周边区域内，地球同步轨道卫星系统主要解决中低纬度地区的通信问题，而高纬度地区和地球同步轨道卫星覆盖不到地区的通信可以交由中低轨道卫星系统来承担。

由于低轨卫星发射容易，组网迅速，当卫星遭到攻击时，可一箭多星进行补网，且传输时延小，应用价值高。通过合理的低轨组网设计实现重点区域乃至全球的覆盖，极大地缩短卫星重访周期，对于提高我军通信水平，具有重要的战略意义[6]。而我国通信能力还不足，与发达国家相比仍存在差距，虽然也规划推出了“鸿雁”“虹云”等全球卫星星座，但国家财力也无法支撑在短期内建设像“OneWeb”“Starlink”类似的能够覆盖全球的巨型卫星星座系统。因此，着眼现实，应该建设既能适合当前国情，又可以进行升级换代的卫星星座系统，即先服务我国和周边地区，再完成全球通信的目标。基于此思路，本文提出一种卫星互联网星座设计，卫星的轨道参数如表3 所示。

表3 卫星的轨道参数

为加强对我国和周边地区的覆盖，同时兼顾全球的有效覆盖，星座1 的3 颗卫星采用均匀对称的Walker 星座，采用回归天数为2 天、回归圈数为27的准回归圆轨道。星座2 的4 颗卫星也采用Walker星座，4 颗卫星4 个轨道面，轨道间隔90°，分布在升交点赤经相差180°的轨道上，轨道倾角在90°～100°之间，既实现了对两极的覆盖，又兼顾对国内及周边热点地区（50°～150°E，10°～60°N）的覆盖需求。由于大椭圆轨道在远地点具有驻留时间长、覆盖区域大等特点[7]，星座3 采用两颗椭圆轨道卫星，回归周期不变。为保持轨道高度的稳定性，使得近地点幅角不飘动，选择倾角63.4°。为使拱线不产生进动，近地点幅角为270°，升交点赤经7°，它们与低轨卫星形成互补，能够实现对我国和周边地区长时间的连续覆盖，而升交点赤经97°的卫星能进一步加强全球业务覆盖，并进一步提升中高纬度区域覆盖性。

通过仿真，国内及周边地区的可见卫星数量如图9 所示，国内及周边地区周期内至少可见2 颗星，最大能够同时可见6 颗星，卫星星座对周边热点地区最大能形成6 重覆盖。图10 展示了该卫星网对全球纬度的覆盖范围及覆盖比，对比图10 与图9，本节设计的星座也能覆盖两极地区，且最小瞬时覆盖率有明显提高，尤其对北极区域的通信覆盖率达到100%，如图10 所示。图11 中展示了该系统对全国及周边热点地区的通信覆盖时段及覆盖比，卫星星座对我国周边地区形成了69.41%～100%连续覆盖，平均瞬时覆盖率达到95.2%，能提供全天24小时不间断的通信服务，这些完全能够满足我国及周边区域的战略通信需求。加之，对全球的通信覆盖时段及覆盖比如图12 所示，该卫星网能够对全球南北纬±80°形成57.28%～85.69%连续覆盖，平均瞬时覆盖率约为73.18%，可实现真正意义上的全球无缝通信，再配合我国静止轨道的通信卫星和中继卫星，完全能够克服在境外设置信关站困难的限制。这种方案不仅在国内及周边区域进行通信时，能够提供较小的时间延迟的服务，而且对周边热点地区能够形成多重覆盖，大大提高了通信容量。加上全部所用的卫星也只有9 颗，经济成本较小，建设周期短，具有较强的实施价值。

图9 国内及周边地区的可见卫星数量

图10 对全球纬度的覆盖范围及覆盖比

图11 对全国及周边热点地区的通信覆盖时段及覆盖比

图12 对全球的通信覆盖时段及覆盖比

4 结语

“星链”卫星系统是一个覆盖全球并提供高宽带、低时延的互联网低轨星座，具有发射成本低、网络带宽大、覆盖范围广、商业价值大和军事用途广等优点，对其开展研究具有重要的国家战略意义。本文通过STK 仿真软件，仿真“星链”星座，研究了其在全球范围、北美地区的空间运行态势和覆盖能力，并通过分析研究该卫星系统的主要参数、终端类型、工作模式、覆盖性能，军事意义，从卫星覆盖、通信业务、实施性等方面，给出了国内高低轨互联网卫星星座的发展建议和方案设想，得出的仿真结果具有一定的参考价值。