Starlink第二代系統介紹

+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 王大鵬 凌騰（中國科學院軟件研究所，天基綜合信息系統重點實驗室）

一、概述

SpaceX公司自2014年宣布建設Starlink（星鏈）星座以來，已發展成在軌衛星數量最多、發射頻度最快、技術最變革的低軌星座系統。2019年10月，SpaceX公司向國際電信聯盟ITU報送了30000顆衛星的網絡資料，而后在2020年5月份將更詳細的申請提交至美國聯邦通信委員會（FCC）。這一期3萬顆衛星代號為Starlink Gen2（Generation2,第二代），在原4409顆星座的Ku、Ka頻段基礎上，增加了E頻段，同時也考慮采用星間鏈路。本文重點對Starlink第二代系統進行的空間段星座構型、衛星主要載荷特性、頻率與天線、波束等內容進行介紹。

二、Starlink第二代系統空間段及工作頻段介紹

（一）空間段分布

據SpaceX提交至FCC的申請中顯示，本次申請的30000顆衛星工作的軌道高度較低，分布在328km～614km共計75個軌道面上。表1為Starlink第二代系統的星座構型分布。

其空間段的在軌分布如圖1所示。

鑒于該星座中有30000顆衛星，設計壽命為5年，因此SpaceX可能會持續進行發射和離軌活動。

Starlink第二代系統將在每個衛星有效載荷上利用先進的相控陣波束成形、數字處理技術，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向天線波束，以跟蹤系統的衛星。對于關口站而言，將生成高增益定向波束以與星座內多個衛星進行通信。值得注意的是，SpaceX正在開發星間激光鏈路，并期望將其部署在第二代系統上，以提供無縫的網絡管理和服務連續性。

（二）工作頻段

相比于第一代系統僅采用Ku、Ka頻段而言，Starlink第二代系統將使用Ku、Ka和E頻段頻譜，如表2所示。

根據用戶利用率和其他因素，系統帶寬將被分成多個小信道，而終端或關口站可采用多個信道所聚合成更寬的帶寬。

表1 Starlink Gen2星座空間段分布

●對于用戶終端：下行鏈路最大2000 MHz，上行鏈路最大125 MHz；

●對于關口站而言：上下行最大均為5000MHz。

同時，可以在相同的頻率上通過左右旋（LHCP/ RHCP）極化實現兩個波束，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，以促進協調和遵守區域和國家/地區特定法規。

（三）工作仰角

第二代系統中的所有衛星都經過詳細設計，以保證其發射和接收天線波束均在最小和最大增益的定義范圍內。SpaceX將利用這種靈活性，通過適應不同的用戶密度（即人口稠密地區的高增益波束與農村地區的低增益波束）和不同海拔的服務來優化面向用戶的寬帶服務。每個Starlink第二代系統衛星上的所有下行鏈路點波束都可以在其對地視場中獨立控制。然而，地球站僅與最小仰角以上的衛星通信。圖2為衛星對地視場（半錐角Beta）和站星仰角（El）等參數的關系示意圖。

由圖2可知，在保持（用戶地球站及網關地球站）站星仰角一定數值情況下，不同軌道高度的衛星其對地視場（半錐角Beta）不同。具體而言，Starlink第二代系統在支持終端仰角25度情況下，各子星座所對應的最大半錐角及覆蓋半徑如表3所示：

（四）第二代系統特色

SpaceX設計了其第二代系統，以滿足世界寬帶需求的雙重要求，即一是為農村、偏遠和覆蓋困難的最終用戶提供高速、低延遲的連接，二是為所有地點提供高效、大容量的連接。相比于先前提出11927顆衛星的Starlink系統（姑且稱之為第一代），第二代星座的運行將在如下方面改善和提升：

圖1 Starlink Gen2星座空間段分布示意圖

第一，容量、頻率可用性和頻率復用的增加，極大地增加了可以服務的用戶數量。

第二，每個用戶可用帶寬的增加改善了服務質量，為尚未被網絡覆蓋區域的用戶帶來了更多的高速、低延遲寬帶，并在可以使用地面替代方案的區域中注入了更多競爭。

第三，大量衛星在低軌道LEO上具有可跟蹤的窄點波束，這為優化頻譜使用創造了機會，這將增加與其他GSO和NGSO系統進行協調的機會。

三、Starlink第二代系統四類波束

Starlink第二代系統低軌衛星根據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。

（一）Ku頻段波束

第二代系統衛星將使用Ku頻段于用戶鏈路。

對于發射波束而言，在指向星下點的對地視軸上，增益最小，為34dBi；指向覆蓋邊緣處增益最大，為44dBi。對于星座中的絕大多數衛星，用戶終端與Starlink衛星進行通信的最小仰角可能低至25度，但對于軌道高度604km和614km的衛星而言，最低仰角可能低至5度。使用相控陣的天線發射的波束隨著遠離視軸而逐漸加寬，也就使得，指向星下點的視軸上的波束形狀是圓形的，但當轉向遠離對地視軸時，橢圓形狀會愈加突出。

對于接收波束，當波束從星下點向邊緣傾斜時，天線增益會略有下降。結果就是，在星下點G/T最大，為9.5～19.5dB/K；而在最大傾斜路徑時G/T最小，為7.0～17.0dB/K。

（二）Ka頻段波束

第二代系統衛星將使用Ka頻段于用戶鏈路、饋電鏈路。

衛星將使用相控陣天線與用戶終端進行通信，并使用拋物面天線與關口站進行通信。在第二代系統將頻譜用于兩個鏈路情況下，SpaceX將使用角間隔進行自我協調，以便位于Ka頻段關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。

表2 Starlink Gen2系統的頻率

衛星將使用Ka頻段天線進行發射，指向星下點處增益最小，為34.5dBi；衛星覆蓋邊緣處增益最大，為44.5dBi。用戶終端與Ka頻段的Starlink衛星進行通信的最小仰角可以低至25度，關口站也僅與指定的最小仰角以上的衛星通信。一般來說，該角度可以低至25度。但是，在某些情況下會有所例外，以實現更大的覆蓋范圍。具體而言，對于軌道傾角較大的360km（傾角96.9deg）和373km（傾角75deg）高度的衛星而言，可支持位于極區內（即緯度超過62度）關口站工作在5度的最小仰角。

對于面向關口站接收波束而言，其G/T將保持恒定在12.9dB/K到22.9dB/K，具體取決于天線增益（但與高度和轉向角無關）。對于面向用戶終端的接收波束而言，隨著波束從星下點向邊緣傾斜，天線增益會略有下降。結果就是，每個軌道高度的衛星，其在指向星下點的接收波束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10.4～20.4dB/K。

（三）E頻段波束

第二代系統將僅使用E頻段波束與關口站進行通信。

當使用E頻段用于發射波束時，其最小增益為42dBi，最大增益為52dBi。每個E頻段饋電波束每次僅單個關口站進行通信，并使用盡可能窄的波束進行優化，以使該鏈路盡可能在收發波束的中心。

在同一頻率上，E頻段波束采用不同的極化方式（即RHCP和LHCP）。對于關口站而言，最大可支持與32個衛星建立饋電連接，加上不同的左右旋極化方式，單站可同時完成64個同頻的E頻段波束。同時，Starlink將調整功率以滿足所需的功率通量密度PFD級別。對于接收波束，取決于天線增益（但與高度和轉向角無關），G/T將保持恒定，在17.7dB/K到27.7dB/K之間。

圖2 衛星對地視場與站星仰角等參數空間關系示意圖

表3 Starlink Gen2滿足不同站星仰角下所需的對地視場與覆蓋半徑

（四）TT&C波束

第二代系統使用每個衛星上的全向天線來執行其專用的TT＆C功能，這些全向天線旨在與地球站進行幾乎任何姿態的通信。此外，Starlink還可以使用Ka頻段和E頻段通信鏈路來執行TT＆C功能。

四、總結

本文重點對SpaceX公司新提出的Starlink第二代低軌星座系統進行了介紹，包括空間段星座構型、衛星載荷、工作頻段與波束。相比于第一代近1.2萬顆Starlink星座而言，本次3萬顆的第二代Starlink系統規模更大，也將采用星間鏈路。

后續隨著我們進一步的研究與分析，再及時與大家分享、探討。