前沿 | StarLink当前在轨简要分析及第二代系统介绍
StarLink当前在轨简要分析
及第二代系统介绍
作者 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、王大鹏
单位 | 中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室
01
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月份，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（Generation 2, 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。本文首先对Starlink当前在轨卫星分布及时延等性能进行分析，随后重点对Starlink第二代系统进行了介绍，包括其空间段星座构型、卫星主要载荷特性、频率与天线、波束等内容。
02
Starlink当前在轨系统
性能分析
随着2020年8月7日第十批Starlink卫星（代号为Starlink-9），Starlink发射的卫星数量共计595颗，由于当前尚未获得最新发射一批57颗卫星的在轨状态，因此仍以前9批共计538卫星在轨分布为研究场景。另需注意的是，还需要去除已失效的共计6颗卫星，也就是说本次分析的在轨卫星为532颗卫星。
2.1 在轨分布
对在轨532颗卫星的在轨空间段分布如图1所示。由图可看出，卫星基本已分布在若干（实际上是18个）个轨道面上。
图1 Starlink当前在轨532颗卫星在轨分布
所有卫星轨道高度统计如图2所示。可看出，已工作在预定550km轨道高度的卫星有374颗，占比70%，其他绝大多数卫星均处于轨道爬升过程，部分卫星已低于300km（接近失效）。
图2 Starlink卫星在轨高度分布
进一步对各批次发射卫星的在轨高度进行分析，我们可发现，第一批次有35颗卫星轨道高度已低于300km，且仍在持续下降；而在近两个月前（2020.06.21），低于300km高度的卫星仅2颗，且基本上第一批Starlink Demo版本卫星都在轨道下降过程中。对于第二到第六批卫星，基本上所有卫星都已进入预定轨道工作。更为详细的信息，可参考图3及先前历史结果进行分析后即可得出。
图3 Starlink各批次卫星在轨高度分布
2.2 端到端时延性能分析
端到端时延分析场景及方法与前述文章中基本一致，仍以纽约到西雅图的端到端为场景。以下为端到端时延性能分析结果：
图4 Starlink当前在轨卫星提供端到端往返时延RTT分析
由图4可看出，对于纽约到西雅图之间的通信时间占比为98%，而仅有2%时间内没有可达链路，端到端RTT平均为39.86 ms。同时，将本次结果与先前历史分析结果进行对比如表1所示：
表1 端到端往返时延历史性能分析对比
对端到端时延而言，由三个月前的51.8ms降到了39.9ms，可通信时间占比也由59%提升至98%，已非常接近可提供正常服务的网络保障能力了。同时，与地面大圆距离对应的光纤时延对比，也基本相当（相差仅7%）。
03
Starlink Gen2系统空间段
及工作频段介绍
Starlink Gen2是SpaceX公司于2020年5月份提交至FCC申请的新一代大型低轨星座，也就是我们常说的30000颗星的那个系统。
3.1 空间段分布
据SpaceX提交至FCC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328 km-614 km共计75个轨道面上。表2为Starlink Gen2的星座构型分布：
表2 Starlink Gen2星座空间段分布
其空间段的在轨分布如图5所示：
图5 Starlink Gen2星座空间段分布示意图
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 Gen2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Gen2系统上，以提供无缝的网络管理和服务连续性。
3.2 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，如下表3所示。
表3 Starlink Gen2系统的频率
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。
· 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5000 MHz。
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。
3.3 工作仰角
Gen2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 Gen2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：
图6 卫星对地视场与站星仰角等参数空间关系示意图
由图6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 Gen2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4所示：
表4 Starlink Gen2满足不同站星仰角下所需的对地视场与覆盖半径
3.4 Gen2 系统特色
SpaceX设计了其Gen2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Gen2星座的运行将在如下方面改善和提升：
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。
04
Starlink Gen2
四类波束
Starlink Gen2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。
4.1 Ku频段波束
Gen2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34 dBi；指向覆盖边缘处增益最大，为44 dBi。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604 km和614 km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9.5-19.5 dB/K；而在最大倾斜路径时G/T最小，为7.0-17.0 dB/K。
4.2 Ka频段波束
Gen2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Gen2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。
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34.5 dBi；卫星覆盖边缘处增益最大，为44.5 dBi。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360 km（倾角96.9 deg）和373 km（倾角75 deg）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12.9 dB/K到22.9 dB/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10.4-20.4 dB/K。
4.3 E频段波束
Gen2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42 dBi，最大增益为52 dBi。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17.7 dB/K到27.7 dB/K之间。
4.4 TT&C波束
Gen2系统使用每个卫星上的全向天线来执行其专用的TT＆C功能，这些全向天线旨在与地球站进行几乎任何姿态的通信。此外，Starlink还可以使用Ka频段和E频段通信链路来执行TT＆C功能。
05
总结
本文首先对Starlink在轨卫星分布及时延性能进行分析，通过与几个月前分析结果进行对比后发现，当前Starlink星座在保障端到端服务可靠性（98%）与降低时延（39.9ms）方面都取得了显著提升。
此后，重点对SpaceX公司新提出的Starlink第二代低轨星座进行了介绍，包括空间段星座构型、卫星载荷、工作频段与波束。相比于第一代近1.2万颗Starlink星座而言，本次3万颗的第二代Starlink系统规模更大，也将采用星间链路。
后续随着我们进一步的研究与分析，再及时与各位专家学者分享、探讨。