低轨卫星星座Kuiper系统介绍与分析

+刘帅军 胡月梅 刘立祥 （.中国科学院软件研究所 .北京中科宇航探索技术有限公司）

一、Kuiper系统概述

亚马逊的Kuiper（柯伊伯）系统由分布在590公里、610公里和630公里轨道高度的3236个Ka波段卫星组成，以提供高速、低延迟的卫星宽带服务。该系统采用先进的通信天线、子系统和半导体技术，提供经济高效的消费者和企业宽带服务、互联网协定传送（IPtransit）、载波级以太网（carriergradeEthernet）、无线回程等业务。Kuiper系统——通过最大化频谱复用和效率，并能灵活调整容量以满足特定区域客户需求。此外，Kuiper系统利用亚马逊的地面网络基础设施为客户提供安全、高速、低延迟的宽带服务。

Kuiper系统空间段和地面段将由五个主要部分组成：

①3236颗先进的NGSO卫星，具有创新的卫星设计、轨道架构和发射计划。

②一系列的客户终端，包括企业、消费者和移动终端。

③关口地球站，站点分布在整个Kuiper系统的服务区域。

④Kuiper软件定义网络（SDN）和运营/业务支持系统。

⑤Kuiper卫星控制功能，包括卫星操作中心和安全遥测、跟踪和指挥（“TT&C”）网络。

二、Kuiper系统空间段

1、星座设计

柯伊伯系统空间段由3236颗先进的NGSO卫星组成，分布在三组不同高度和倾角的轨道面上，具体空间段星座构型配置如表1。

Kuiper系统之所以设计为三组轨道面，主要基于以下考虑：

●最少的卫星数量，以实现最大和均匀分布的地形重叠覆盖赤道南北56度之间；

●快速计划主动离轨时间段（＜1年）和最大被动离轨时间段（10年以内）；

●地面上的小型卫星点波束，提高频谱效率和频率复用；

●较低的轨道高度，有效载荷功率要求较低；

●减少对卫星的辐射危害，使用高性能商用成品（COTS）硬件。

关于Kuiper系统的部署，计划将分五个阶段进行，表2给出了各阶段部署计划。

2、Kuiper系统卫星

柯伊伯卫星使用先进的多用户波束相控阵天线，天线技术及软件定义控制功能可基于给定区域的业务需求，实现灵活的频率和容量分配。

表1 Kuiper系统空间段构型

表2 星座部署阶段计划

Kuiper卫星上具备一套独立的天线可与关口地球站通信，该卫星所有的业务可以在多个用户与关口调制解调器组（gatewaymodembanks）间全路由，以提供完整的包再生、重封装及重排序。典型地，在轨TT&C通信是通过Kuiper系统的馈电链路实现的，而单独TT&C链路则会在发射及早期在轨阶段（LEOP）、离轨过程、馈电链路不可用等情形下使用。

Kuiper卫星有效载荷体系结构由卫星总线支持，该总线提供轨道控制、发电和存储、飞行控制和卫星指向等功能。Kuiper卫星通信有效载荷包括多种类型的天线、调制解调器、包路由和交换引擎。一旦卫星进入预定轨道位置、定向调整好，且通过网络进行设置后，Kuiper卫星通信有效载荷将开始运行。该通信载荷可根据服务区域内的客户需求，通过再编程实现容量分发。其中，组网和路由子系统由Kuiper系统地面网络运营，以预编程的方式实现波束与合适虚拟点波束的映射，波束间将实现上下行所有业务的全星上再生、星上交换、星上重封装等功能。

通信载荷的调制解调器支持多种调制和编码的选项，包括最新一代低密度校验码（LDPC）前向纠错（FEC）。每个调制解调器支持每用户链路的自适应编码和调制（ACM），并支持服务质量（QoS）队列以适当地缓冲数据。组网及路由子系统支持多种服务质量级别，允许执行服务级别协议（SLA）和尽力服务（BE）组网解决方案。（参见图1）

（1）用户波束

Kuiper卫星用户波束为世界各地多个活跃客户提供连接，通过高增益、可调向、可调形的相控阵天线，可实现在较低轨道高度情况下点波束覆盖300km2，相当于波束半径仅有10km。对于需要较大点波束覆盖的区域，则可实现较大波束500km2，相比于小点波束而言会有大约2dB的降低。用户点波束间会通过不断更新他们的系数以补偿卫星的移动性，从而实现对终端的连续服务。此外，当用户波束在卫星间切换时，通信有效载荷支持近乎无缝的切换，保持终端的持续通信。

点波束由Kuiper系统SDN分配，并支持其他卫星的再分配，这主要考虑到GSO排他角、擦伤grazing（服务覆盖范围边缘的用户）和共线干扰事件。当其余卫星对于虚拟点可用时，Kuiper系统波束规划SDN将最佳卫星分配给该虚拟点实现最优吞吐量，同时遵守协调协议以及遵守国际、区域、以及特定国家的规则。波束规划SDN将卫星资源快速交换，在限制控制流量的同时快速重新分配资源。如果备用卫星无法分配，系统还支持在需要时频谱分割。

图1 Kuiper卫星通信载荷

尽管用户波束通常会集中在每个虚拟点上，但系统可以将波束的指向偏离虚拟点中心以优化吞吐量（尤其是当大部分业务量位于远离中心区域时），同时采用了更先进的自干扰管理。对于消费者而言，他们将始终保持一条与Internet应用、企业链接以及亚马逊服务等的连接，且对于Kuiper系统内的卫星、关口站或路径的切换将毫无感知。消费者将体验到标准的以太网接口，并看不到任何底层的无线资源、路由或控制面层。

（2）关口站波束

关口站链路（也称馈电链路）始终是点对点连接，卫星和关口站间通过使用馈电链路上传输的坐标系控制信息实现相互指向对方。在链路连接期间，两端的天线以毫秒级进行指向的更新，以最大化该链路的吞吐量。关口站与卫星都使用了备份天线，以支持切换到另一个馈电链路上，可有效应对卫星在多个站间移动而可能导致的损失。每个关口站具有4副主动天线，且每副天线都可以充分利用关口站所有的频率和两种极化方式。

美国关口站站址的数量大约等于美国领土服务的卫星数，初始的关口站部署基于初始的覆盖纬度而设计，并随着提供服务卫星数量的增多而增多。关口站站址的选择方面，原则是支持卫星在轨运行路径、拓展业务以支持离岸区域、亚马逊网络设施、接入到回程光纤。此外，关口站站址选择将满足GSO排他角、共线事件或地面中断（groundoutages）。最后，关口站位置的数量对于高雨衰区域将增多，以提供多站分集对抗较大的路损。关口站位置可能在沿岸区域更加密集，是因为支持更多的离岸消费者，站址位置选择将考虑FCC规则中所提出的27.5-28.35GHz频段使用规范。

3、频率和极化

（1）用户链路

Kuiper系统中卫星与所有用户终端、关口站和TT&C的通信均工作在Ka频段，对于卫星与用户终端之间的用户链路（UL）而言，极化方式采用了右旋圆极化RHCP与左旋圆极化LHCP。用户链路频率与极化等配置如表3所示。

用户下行链路充分利用卫星上的相控阵天线优势，提供可调向、可调形的波束为用户终端服务，峰值增益在30到45dBi之间，可支持用户终端相控阵天线或抛物面碟形天线。每个用户的下行波束可以提供千兆级吞吐量，具体也会受可用频谱、终端天线增益和工作条件等影响。用户下行频谱划分为100MHz信道，而100MHz信道可以聚合成更宽的信道，实现从200到500MHz的动态范围。星上每副相控阵天线可使用三个主频谱设计中的一个，每一个都由4-5个信道组成。

用户波束天线可以支持多点波束同频的工作方式，可为服务区域内不同个位置的用户提供服务。所有用户波束都可以在左旋、右旋或左旋+右旋的圆极化方式工作，通过工作的灵活性实现协调的需求，并便于区域和国家特定规则。所提出的主要下行频谱设计如表4。

所建议用于用户链路上行的主频谱在28.5-29.1GHz频段，该频段划分为50MHz信道，与下行信道可以聚合类似，上行信道也可以聚合从而形成更宽的带宽，范围从50MHz到200MHz。

考虑到大多数互联网业务的上下行非对称性，上行频谱的聚合要小于下行频谱聚合。用户信道会在多个上行终端之间以FDMA、TDMA及潜在的CDMA或TDMA等方式或组合，以进行共享用于随机接入信道请求。载荷架构支持在一个波束内分割为更小的频率单元（FDMA），并可以指向到一个新的位置。这些资源分配的方法非常适合于解决多个服务区域业务量需求的变化，并允许在卫星数量增加后可以适配到更大数量的用户群体。

表3 Kuiper系统用户链路频率与极化方式

表4 用户链路下行信道化

（2）馈电链路

馈电链路中卫星与地面站均采用抛物面天线，天线口径在1.0米到2.4米之间，工作频段为上行27.5-30GHz，下行17.7-20.2GHz，具体频段与极化方式等如表5所示。

馈电链路频率的信道化与用户链路类似，上行分割为50MHz信道而下行分割为100MHz信道。同样，这些信道可以聚合为更宽带宽的信道。每个卫星抛物面天线可以工作在所有列出的频率和极化方式。

（3）TT&C链路

TT&C链路通过一组有限的高增益（2至3米）地球站天线，以及安装在不同卫星表面的贴片天线组成，使得即便卫星天线在未对准地球站时也可收发。在轨TT&C链路可以使用关口站天线进行工作，所提出的用于TT&C链路工作频率如表6所示。

对于TT&C链路而言，实际占用信道带宽可以是1、5、10、20或50 MHz。在可能的范围内，预期的信道被设计成频段的边缘。当前的设计计划，需要一个信道在同一时刻仅能与一颗卫星通信，但是一个TT&C站可以采用多个频率。这主要是为了实现一个TT&C站对多颗卫星的管理，同时多颗卫星间采用不同频率以相互规避干扰。

三、Kuiper系统地面段

每个Kuiper系统地面终端都会遵循一套操作规范。除初始入网或TT&C操作之外，所有地面终端将遵循协调的切换控制信令，以使得他们仅在所分配的特定卫星特定频率上进行收发。这避免了任何可能与GSO或NGSO系统未经协调的业务所造成的潜在干扰。在初始入网阶段，用户终端会遵循一个特定序列以确定该卫星是否在可视范围内，且仅在收到认证的消息、时隙及频率后才对期望卫星发送入网申请。

每种类型的Kuiper地面终端在到达最小仰角时将不再允许工作，该仰角如表7所示。

当地面终端低于上表中所列的仰角时，将不能再接入Kuiper网络。同时，卫星也不会将波束指向超过上表中所列的仰角约束。地面天线的初始配置已在ITU USASAT-NGSO-8A等相关提案中进行了说明。Kuiper系统设计允许两类天线，即相控阵天线和抛物面天线，以支持大动态范围的增益。用户终端接收增益范围在30-41 dBi，发送增益范围在29.5-45.2dBi，而关口站接收增益范围在39-49dBi，发送增益范围在40-52.8dBi。所有的调制解调器都支持自适应调制编码方案，不管是高容量/高增益天线亦或是低成本/低增益天线终端。

1、用户终端

Kuiper用户终端将允许住宅、企业和移动（交通）等客户通过电调转向的相控阵天线，或机械转向抛物面天线，实现与Kuiper卫星的接入。用户终端调制解调器具备点波束内高速业务速率、链路优化、用户终端波束指向，以及确保用户通信安全等特点。

2、关口站终端

由于Kuiper卫星间不存在星间链路，该系统关口站站址将分布在整个服务区域，以使每个Kuiper卫星接入两个不同的关口站，以实现系统吞吐量提升并降低共线干扰事件。

表5 馈电链路工作频率

表6 TT&C链路工作频率

表7 Kuiper系统工作最小仰角

图2 Kuiper系统网络架构

来自多个关口站站址的业务通过地面光纤回程链路进行聚合，传输到互联网交换点（Internet Exchange Point,IXP）或存在点（Point-of-Presence,PoP）站点。在每个IXP或PoP站点，Kuiper系统与内容分发缓存、企业和电信网络对等进行连接到互联网骨干网，或直接连接到亚马逊骨干设施和数据中心，如图2所示。

3、Kuiper系统网络管理

Kuiper系统网络通过全局软件定义的网络SDN控制器，称之为Kuiper SDN，进行管理。控制器负责为用户和关口站最优地分配波束，并基于用户需求和业务类型进行长期（longterm）资源分配，也包含基于以天为时间粒度或峰值容量需求的短期（short-term）资源调整。当某些卫星进入GSO排他角区域、协调协议约束、或卫星运行限制时，控制器将在多颗卫星间进行网络优化。在一个分配周期内，包含上行用户信道分配等的业务控制，将由SDN控制器通过与每颗星的用户波束和馈电链路进行指令和控制信息，实现对整个星座的管理。

4、Kuiper卫星控制

Kuiper系统采用独立的TT&C地球站的一张网，具备独立的天线和星上资源、多个卫星运行中心。TT&C网络主要用于卫星发射操作、离轨操作和其他异常情况。由于大多数的卫星控制操作都通过关口链路实现，因此仅需要在全球分布较少的TT&C站，且在任意时刻也仅一部分卫星需主动与TT&C站通信。

四、Kuiper系统性能分析

本部分为Kuiper系统性能仿真分析，对Kuiper系统的覆盖、链路动态特性两方面进行了仿真与分析。

1、空间段覆盖性能分析

基于Kuiper系统空间段星座构型及地面段各类型地球站仰角约束，可分析该星座对全球不同区域覆盖特性。由于星座采用Walker星座构型，Kuiper系统对全球覆盖将呈现纬度差异性，具体仿真结果如图3所示：

由图3可看出，Kuiper星座系统实现了南北纬55度区域的覆盖，且在南北纬20～50度区域可形成近10重覆盖。由于世界人口大多位于该区域内，所以该星座网络在此处的覆盖聚集更能提升网络容量与服务质量。同时，对于关口站和TT&C站而言，由于可支持较低的工作仰角，可实现超过百颗卫星的同时观测能力。

2、链路动态特性分析

图3 Kuiper星座网络中各类型地球站覆盖分布图

Kuiper系统中卫星与用户终端之间的用户链路动态性分析如图4所示，主要分析了不同纬度区域终端的用户链路平均持续时长。

由图4可看出，该网络对南北纬55度范围内用户，均可实现平均2.5分钟的链路持续连接；特别的，在南北纬50度左右，链路持续时长最大，可达平均3.5分钟的链路维持时间。对于中低纬度区域而言，链路平均持续时长略低于3分钟。相比于铱星、全球星网络平均接入时长在8～10分钟而言，Kuiper星座网络内接入时长较短原因在于如下两点：

（1）工作于590～630km的运行轨道导致了卫星更快的运行速度与更小的运行周期，使得地面终端可见时长低于铱星等网络；

（2）工作于35度仰角约束的端-星仰角使得终端与卫星建立连接的时间大为降低，相比而言，铱星网络中终端最小工作仰角为8.2度。

五、总结与展望

图4 Kuiper星座网络终端平均接入时长随纬度的变化

本文对亚马逊公司所提出的Kuiper低轨卫星星座网络进行了介绍，包括空间段星座构型、Kuiper系统卫星载荷、工作频率与极化方式，地面段用户终端、关口站、网管、网络控制。基于Kuiper系统网络参数对网路覆盖特性、链路动态特性进行了分析，Kuiper系统对南北纬55度内区域具有较好的覆盖与服务能力。同时，由于Kuiper系统地面关口站部署位置、链路传输体制等内容尚未公布，作者将在获得相关信息后对Kuiper系统网络容量做进一步分析与评估。