“星鏈”衛星系統及國內衛星互聯網星座發展思考*

劉旭光，錢志升，周繼航，馬向東

（中國人民解放軍63892 部隊，河南 洛陽 471003）

0 引言

全球低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）衛星星座具有可批量研制、能夠快速發射、通信容量大、傳輸時延小、全球通信等特點，因此受到越來越多國家的重視。SpaceX 公司、OneWeb 公司、Telesat公司等企業瞄準商機，快速行動，已經陸續發布了自己的中低多種軌道并用衛星星座項目，并迅速展開了研制和發射任務。同樣，美軍也越來越重視中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）和LEO 等衛星星座的建設和利用。為滿足未來戰場需求，美國國防部加速推進商業衛星星座資源在軍事領域的融合和應用。可見，采用多種軌道的衛星星座的發展促使全球衛星通信進入了一個嶄新的時代，也必將對軍事領域、戰爭理念產生巨大的影響。

本文首先介紹“星鏈”（Starlink）計劃的發展概況，對該衛星星座主要參數、應用背景、終端類型、工作模式、覆蓋性能進行了深入研究；其次對該星座的軍事應用前景進行分析；最后結合我國國情，提出一種國內衛星互聯網星座的發展設想。

1 “星鏈”衛星系統

1.1 概述

“星鏈”計劃是由美國SpaceX 公司提出的低軌道衛星互聯網星座系統。該系統由不同高度的衛星星座和若干地面站組成，系統建成后，將由4 萬多顆低軌衛星組成的星座為全球衛星覆蓋區域提供高速的互聯網接入服務[1]。按最早的計劃，SpaceX將大約1.2 萬顆星鏈衛星發射到近地軌道，構建由3層衛星構成的衛星網絡，這3 層衛星分別位于距離地面340 km 和550 km 的極低地球軌道（Very Low Earth Orbit，VLEO）（9 102 顆），以及1 150 km的LEO（2 825 顆）上。美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）的備案顯示，SpaceX 公司在完成初步發射1.2 萬顆衛星后，準備再發射3 萬顆衛星，最終總數目達到4.2 萬顆，將形成一個龐大的互聯網衛星星座系統。

“星鏈”計劃的搭建基本上分為3 個階段：第1 階段計劃共12 次發射，約1 584 顆衛星部署在550 km，軌道傾角為53°的24 個軌道面上，完成初步的組網后，能夠基本覆蓋美國本土，滿足其天基高速互聯網的需求；第2 階段計劃共24 次發射，由部署于1 110～1 325 km 的4 種不同軌道高度的衛星完成全球組網，組網能夠覆蓋全球主要地區；第3 階段共發射30 次，計劃采用更多的低軌星座，軌道為335.9～345.6 km，星座容量進一步提高，能夠實現全球完全覆蓋。“星鏈”衛星系統空間運行仿真如圖1 所示。

圖1 “星鏈”衛星系統仿真

截至2021 年5 月26 日，SpaceX 公司在肯尼迪航天中心采用“獵鷹9 號”火箭，成功將第29 組60 顆“星鏈”寬帶衛星送入軌道。此次發射后，SpaceX 已累計發射1 737 顆“星鏈”衛星。“星鏈”計劃自提出至目前的組網階段，衛星軌道情況如表1 所示。

表1 “星鏈”計劃衛星軌道情況

1.2 主要性能參數

1.2.1 主要參數

“星鏈”系統涵蓋了星間通信鏈路，星與星之間通信使用激光通信技術，主要是同一軌道的前后兩顆衛星和左右相鄰軌道面的兩顆衛星通過激光通信進行聯系，從而確保任意兩個方向上的通信不中斷，其工作頻段為V 和Ku 頻段。V 和Ka 頻段主要用于地面站對衛星的遙測、遙控和跟蹤以及各網關之間的連接。LEO 衛星的工作頻段是Ku、Ka 和V 頻段，VLEO 衛星工作在V 頻段，提供陸地和衛星固定業務、陸地和衛星移動業務及衛星廣播業務等服務[2-3]。“星鏈”系統各階段的工作頻率如表2所示。

表2 “星鏈”系統工作頻率使用情況

1.2.2 應用背景

星鏈的組網規模雖大，但網絡延遲卻不高，甚至比光纖網絡的網絡延遲更低。如圖2 所示，該星座在航空、測控、遠洋探測、海運相關領域都發揮了巨大作用，已經融入生活中的方方面面。在太空中，太空網絡資源信息共享，而無論誰建設有衛星互聯網，就等于能控制了整個信息的制高點。在網絡安全領域，不管是哪個國家，只要持有衛星終端，就可以在衛星覆蓋范圍內直接跨境訪問境外互聯網的服務。在寬帶網絡接入場景下，衛星互聯網還可以替代同步軌道衛星通信，為遠洋運輸、航空運輸以及兩極地區的科考等應用場景提供較低成本的寬帶網絡接入。總之，“星鏈”系統將從軍事、政治、經濟多個層面給人們帶來一定的影響，因此應提前謀劃，重點發展衛星互聯網技術。

圖2 “星鏈”系統應用場景

1.2.3 星上載荷和終端類型

“星鏈”衛星采用先進的相控陣天線（Phased Array Antenna，PAA）7 波束賦形系統，這種天線可快速改變波束發射方向而不用改變天線孔面的物理朝向，能夠實現對頻譜資源的高效利用，并可與其他空間和地面的授權用戶靈活使用頻譜。

“星鏈”系統的用戶終端采用相控陣天線，直徑約為0.48 m，天線波束能夠實現對衛星系統的精準定位，即只需要簡單的操作就可以使天線孔面對準最近的星鏈軌道面，便可完成數據的上下傳輸，實現在衛星之間的快速切換[4]。據資料顯示，“星鏈”終端設備應當具備美國空軍的C4ISR 軍用接口。該用戶終端體積較小，安裝簡單，可放置在各種移動載體上，如圖3 所示[4]。

圖3 “星鏈”衛星終端

網關地球站的天線也應用了同類型的相控陣技術，通過產生多個指向性較強的窄波束來實現單個網關站點與多個衛星進行通信[4]。衛星可以通過這種技術直接與衛星用戶終端或網關（地面站）進行通信。

如圖4 所示，SpaceX 已經在美國申請了一共27 個Ka 頻段網關（地面站）[4]，分別位于得克薩斯州、佛羅里達州、加利福尼亞州、俄克拉荷馬州、北達科他州（2 個）、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將如何進行使用，SpaceX 公司可能會在更多的地區搶先建立地面站。如果SpaceX公司能夠獲得更多的建站許可，新建的地面站還可以覆蓋墨西哥北部和加拿大南部的大部分地區。

圖4 “星鏈”衛星網關地面站分布

1.2.4 工作模式

“星鏈”是天基網，要么通過透明轉發信息，要么通過星間鏈路直接連接服務和用戶。衛星用戶有透明轉發和星上路由交換兩種工作模式，其用戶工作流程如圖5 所示。

圖5 “星鏈”衛星用戶工作流程

（1）透明轉發模式

反向鏈路：用戶終端→衛星→信關站（用戶鏈路→饋電鏈路）；

前向鏈路：信關站→衛星→用戶終端（饋電鏈路→用戶鏈路）。

（2）星上路由交換模式

用戶1 →衛星1 →信關站→衛星1 →衛星2 →用戶終端2（用戶鏈路→饋電鏈路→饋電鏈路→用戶鏈路）。

透明轉發模式，用戶從地面網絡獲取相應的數據或者通話服務只能通過一跳的關口站，無法通過一跳到達關口站的地方，則無法提供通信服務。而對于具備星上路由交換功能的衛星，則不需要關口站，“星鏈”系統可通過其星地和星間路由實現全球通信。

1.3 “星鏈”系統星座覆蓋分析

使用AGI 公司的STK（Systems Tool Kit）創建仿真環境，導入基于簡化常規擾動（Simplified General Perturbation Version 4，SGP4）解析模型的“星鏈”衛星的星歷兩行軌道數據（Two-Line Orbital Element，TLE）（2021 年8 月5 日），構建“星鏈”星座，該星座對全球及北美地區的覆蓋性能仿真如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 “星鏈”衛星系統對全球區域通信覆蓋時段及覆蓋比

圖7 “星鏈”衛星系統對北美區域通信覆蓋時段及覆蓋比

圖8 “星鏈”衛星系統覆蓋緯度

根據仿真結果，“星鏈”系統目前在軌的1 661 顆衛星已具有初步運營能力，能夠對全球區域形成96.61%～100%連續覆蓋，平均瞬時覆蓋率高達98%，如圖6 所示。而對北美地區能夠形成實時的連續覆蓋，且能夠提供不間斷的通信服務，如圖7 所示。該系統已經開始為美國和加拿大部分地區提供低成本的高速互聯網接入服務，但是靠近兩極地區仍是其覆蓋的薄弱區，如圖1 和圖8 所示，相信隨著發射衛星的增多，該系統最終會實現包括兩極區域的真正全球覆蓋。

2 衛星互聯網軍事意義

“星鏈”等一批低軌互聯網衛星系統不僅可以提供寬帶化的低成本、全球覆蓋的互聯網服務，若將其應用于軍事領域，得益于其全球化高帶寬的波束覆蓋，將大幅增強美軍的信息化能力。主要表現在以下幾個方面：

（1）該衛星系統高達4.2 萬顆的衛星數量會將地球近地軌道空間嚴密包裹，牢牢控制太空空間；

（2）可構建成為最強大的全天候無縫情報監聽偵查網、可靠的導彈預警及動能攔截網和高可控的指揮通信網；

（3）能夠取代導彈最貴的制導部件，導致導彈價格降低；

（4）天基目標探測和打擊能力必將發生質的變化。

美國一直在積極推進太空武器化，“星鏈”星座雖然是民用的，但因其具有巨大軍用價值，事實上已經成為美國在外太空實現大規模武器化的重要標志。毫無疑問，以“星鏈”星座為代表的低軌道衛星星座一旦進入作戰，對世界各國的未來作戰形態勢必將會造成重大影響，因此有必要深入研究以應對其帶來的挑戰。

3 我國衛星互聯網建設方案設想

3.1 發展衛星互聯網的必要性

當今低軌衛星互聯網星座發展日新月異，但也帶來了許多不安全因素，我國必須提前準備、頂層規劃，積極建設自己的衛星互聯網星座。

然而，我國衛星互聯網星座發展之路并非一帆風順。首先，我國不能像美國那樣去全球建站，其次，頻率軌位資源的匱乏是擺在我國面前的另一個問題。因此，從我國國情出發，建設規模龐大的純低軌衛星互聯網星座不容易實現，可考慮通過高中低軌星間鏈空間組網的方式，充分利用高軌衛星系統覆蓋區域廣的優越性，打破地域限制，確保衛星互聯網業務安全可靠[5]。

3.2 發展衛星互聯網方案設想

基于以上原因，在構建衛星互聯網方案時，既要達到純低軌方案的大容量數據傳輸的能力，又要求極高的實時性，還需要考慮到通信覆蓋范圍由區域化朝向全球化發展的趨勢，此外，結合我國現階段主要考慮發展覆蓋中國及其周邊地區，兼顧考慮發展覆蓋全球通信需求的實際情況分析，可以采用各種軌道衛星覆蓋綜合發展高中低軌道通信衛星的發展思路。地球同步軌道衛星系統主要覆蓋我國領土及周邊地區上空，而中低軌道星座可覆蓋全球主要區域，兩者對主要服務區域構成雙重覆蓋，增大通信容量。在我國及周邊區域內，地球同步軌道衛星系統主要解決中低緯度地區的通信問題，而高緯度地區和地球同步軌道衛星覆蓋不到地區的通信可以交由中低軌道衛星系統來承擔。

由于低軌衛星發射容易，組網迅速，當衛星遭到攻擊時，可一箭多星進行補網，且傳輸時延小，應用價值高。通過合理的低軌組網設計實現重點區域乃至全球的覆蓋，極大地縮短衛星重訪周期，對于提高我軍通信水平，具有重要的戰略意義[6]。而我國通信能力還不足，與發達國家相比仍存在差距，雖然也規劃推出了“鴻雁”“虹云”等全球衛星星座，但國家財力也無法支撐在短期內建設像“OneWeb”“Starlink”類似的能夠覆蓋全球的巨型衛星星座系統。因此，著眼現實，應該建設既能適合當前國情，又可以進行升級換代的衛星星座系統，即先服務我國和周邊地區，再完成全球通信的目標。基于此思路，本文提出一種衛星互聯網星座設計，衛星的軌道參數如表3 所示。

表3 衛星的軌道參數

為加強對我國和周邊地區的覆蓋，同時兼顧全球的有效覆蓋，星座1 的3 顆衛星采用均勻對稱的Walker 星座，采用回歸天數為2 天、回歸圈數為27的準回歸圓軌道。星座2 的4 顆衛星也采用Walker星座，4 顆衛星4 個軌道面，軌道間隔90°，分布在升交點赤經相差180°的軌道上，軌道傾角在90°～100°之間，既實現了對兩極的覆蓋，又兼顧對國內及周邊熱點地區（50°～150°E，10°～60°N）的覆蓋需求。由于大橢圓軌道在遠地點具有駐留時間長、覆蓋區域大等特點[7]，星座3 采用兩顆橢圓軌道衛星，回歸周期不變。為保持軌道高度的穩定性，使得近地點幅角不飄動，選擇傾角63.4°。為使拱線不產生進動，近地點幅角為270°，升交點赤經7°，它們與低軌衛星形成互補，能夠實現對我國和周邊地區長時間的連續覆蓋，而升交點赤經97°的衛星能進一步加強全球業務覆蓋，并進一步提升中高緯度區域覆蓋性。

通過仿真，國內及周邊地區的可見衛星數量如圖9 所示，國內及周邊地區周期內至少可見2 顆星，最大能夠同時可見6 顆星，衛星星座對周邊熱點地區最大能形成6 重覆蓋。圖10 展示了該衛星網對全球緯度的覆蓋范圍及覆蓋比，對比圖10 與圖9，本節設計的星座也能覆蓋兩極地區，且最小瞬時覆蓋率有明顯提高，尤其對北極區域的通信覆蓋率達到100%，如圖10 所示。圖11 中展示了該系統對全國及周邊熱點地區的通信覆蓋時段及覆蓋比，衛星星座對我國周邊地區形成了69.41%～100%連續覆蓋，平均瞬時覆蓋率達到95.2%，能提供全天24小時不間斷的通信服務，這些完全能夠滿足我國及周邊區域的戰略通信需求。加之，對全球的通信覆蓋時段及覆蓋比如圖12 所示，該衛星網能夠對全球南北緯±80°形成57.28%～85.69%連續覆蓋，平均瞬時覆蓋率約為73.18%，可實現真正意義上的全球無縫通信，再配合我國靜止軌道的通信衛星和中繼衛星，完全能夠克服在境外設置信關站困難的限制。這種方案不僅在國內及周邊區域進行通信時，能夠提供較小的時間延遲的服務，而且對周邊熱點地區能夠形成多重覆蓋，大大提高了通信容量。加上全部所用的衛星也只有9 顆，經濟成本較小，建設周期短，具有較強的實施價值。

圖9 國內及周邊地區的可見衛星數量

圖10 對全球緯度的覆蓋范圍及覆蓋比

圖11 對全國及周邊熱點地區的通信覆蓋時段及覆蓋比

圖12 對全球的通信覆蓋時段及覆蓋比

4 結語

“星鏈”衛星系統是一個覆蓋全球并提供高寬帶、低時延的互聯網低軌星座，具有發射成本低、網絡帶寬大、覆蓋范圍廣、商業價值大和軍事用途廣等優點，對其開展研究具有重要的國家戰略意義。本文通過STK 仿真軟件，仿真“星鏈”星座，研究了其在全球范圍、北美地區的空間運行態勢和覆蓋能力，并通過分析研究該衛星系統的主要參數、終端類型、工作模式、覆蓋性能，軍事意義，從衛星覆蓋、通信業務、實施性等方面，給出了國內高低軌互聯網衛星星座的發展建議和方案設想，得出的仿真結果具有一定的參考價值。