Starlink简介

钟 旻

首先说明，星链（Starlink）并非属于5G的范畴，它是由美国SpaceX公司构建，用以提供卫星互联网络接入的低轨卫星星座系统。在其建立之初即宣称，它是独立于5G之外的，但由于它提供的一些服务与5G交集或相似，或者说是互为补充的，故在此讲座中进行介绍。

星链计划实施始于2015年1月，旨在以充分的宽带资源，为高密集城市提供50%的回程通信业务和10%的局域互联网业务。此外，星链的出台还有着重要的军事应用背景，SpaceX已公开宣称，美军将是星链系统的重要客户。美军特别重视其所具有的应用潜力：可大大增加和补充具有快速响应的宽带能力；可作为低时延、高精度导航定位手段；可进行全天候无缝隙侦察监视；可实施对天基目标的探测和摧毁等。

实际上，20世纪90年代末，就有了以全球星和“铱”星为代表的、实用的低轨星座卫星通信系统，其技术达到了很高的水平，但由于种种原因，特别是地面蜂窝移动通信的迅速发展和普及，令其在市场竞争中落败。后来，新一代的“铱”星和全球星东山再起，经营有所起色，但仍未能成“大气候”，原因是多方面的，至少成本和频率资源不尽人意，是其中的重要因素。

“星链”独辟蹊径，计划以极低的成本造出由42，000颗位于340 km–1，300 km高度轨道上的巨型低轨星座。由于卫星数量越多制造成本越低，而且发射时通过一箭多星（60星）和第一级火箭回收再重复使用，使成本大为降低。

经过预研、设计、样机测试和试验等先期准备工作后，SpaceX于2019年5月24日，使用“猎鹰”-9号重型火箭以一箭60星方式首发成功，将卫星送到高度为440 km–50 km、倾角为53°的轨道上，这一波卫星是作为星座测试用的。此后，又于同年11月至2020年8月，先后10次以同样方式将数百颗卫星射入550 km的低轨轨道，使在轨卫星达595颗之多，而这只是刚刚揭开的序幕，预期在轨卫星达700多颗后，开始为北美地区提供互联网接入服务，并继续增加星座卫星数上万，直至覆盖地球“无死角”，在任何地方对卫星的仰角在40°以上。据悉，星链星单星容量达20GB/s，首批4，425颗卫星升空后，系统吞吐量高达88Tb/s，卫星的寿命为5–年。星链的系统基本参数如表1所示。

表1 星链的系统基本参数[1]

1 空间段[1][3]

1.1 星链的星座架构

星链星座的构建是计划分阶段进行的，如表 2所示。

表2 星链星座的构建和状况

图1（a）是第一阶段中第一个轨道壳层上的轨道分布二维图形，壳层均匀配置 72条轨道，每一轨道配置22颗卫星，共有 1，584颗卫星，轨道高度为 550 km，倾角为 53°。图 2（b）是三维图像。相邻二卫星的覆盖边界有一定的重叠，以保证覆盖的连续性。

图1（a）星链第一个轨道壳层的轨道分布二维图形图1（b）卫星对地球的覆盖三维图像（图来源：网络）

当第一、二阶段计划实现后，将加上 340 km和 1，100 km（1，100 km–1，325 km）高这两层轨道壳层，各采用不同的工作频带，下面将进一步说明。

不同高度上的卫星对地面覆盖的面积是不同的，卫星所处高度越高覆盖区越大。还要注意到，为了保证通信质量，用户对卫星的仰角要足够高；而用户越靠近覆盖边缘仰角越低，仰角太低将造成来自太空和地面的噪声增加，降雨影响严重（噪声增加，信号功率衰减），使用户设备接收系统性能恶化，原则上，工作频率越高影响越大。Starlink指标要求在覆盖区边缘处用户终端仰角为 40°（见图 2），这时上述影响将降至最低。

图2 星链系统中用户终端的最低仰角要求

经计算，当卫星高度为1，150 km时，传播时延为3.8 ms，卫星对地面的覆盖半径为1，060 km，覆盖面积350万平方千米；而当卫星高度为550 km时，传播时延为1.8 ms，卫星对地面的覆盖半径为506 km，覆盖面积64万平方千米。

1.2 卫星

由表1可知，星链卫星发射质量为227 kg–260 kg，按分类属小卫星，图3给出了卫星的外观图，太阳电池帆板为单板结构，面积12 m2，星体则为矩形盒式，面上一侧安有多部天线。

图3 在轨道上运行的星链卫星（图来源：[2]）

图4 安装在Starlink星体上的相控阵列天线（图来源：网络）

图4是网络披露的 Starlink星体的架构，特别醒目的是用作主天线的平板阵列天线，共有 4个方块，均为相控阵列天线。据悉，星上采用的星间链路是利用激光建立的，而馈电链路则采用微波或毫米波。

2 地面段

从发表的公开资料看，Starlink系统地面段是采用典型的架构，即包含了测控和众多的用户终端设备，后者不是直接互连，而是通过网关站接入交换网络。网关站的作用相当于地面蜂窝移动通信中的基站，该基站包括了收发信台和控制器，负责移动用户和网络之间的无线连接。

关于用户终端设备，有报导称，其尺寸与比萨饼盒相当（市面上这种盒子的典型尺寸是25 cm×25 cm），可安装在能“看到”天空的任何地方，移动的或固定的载体上。图 5是用户设备采用的相控阵天线的照片。

图5 星链用户设备使用的相控阵天线（来源：网络）

3 使用的频谱和天线技术[3]

3.1 使用的频谱

星链系统实施的第一阶段，在高度为 550 km和 1，100 km的轨道上星座，将采用 Ku和Ka频段，具体如表 3所示。而到第二阶段，将在 340 km的轨道上使用 V频段（46 GHz–56 GHz）。因此，频段资源更为丰富，且地面和空间应用还不太广泛，较易保证本系统和系统间的电磁兼容性。

表3 星链系统第一阶段使用的频谱资源

3.2 电磁兼容性

所谓电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并不对其环境中的任何设备或系统产生无法忍受的电磁干扰的能力。如图7所示，以卫星网络间的电磁兼容性为例，设二卫星网络使用相同的射频，在图 6（a）中，干扰网络的地球站上行信号对受干扰网络的卫星产生干扰，并转发成下行干扰信号；另外，干扰网络的地球站通过自己的卫星转发信号时，转为下行信号中一部分对受干扰网络的地球站产生干扰。

图6 卫星网络之间的电磁兼容性模型

图6（b）是邻星同频干扰的情形，通常是通过卫星天线旁瓣发生的，受干扰卫星接收到干扰信号后，转发给地面受干扰网络的地球站。

由于GSO与NGSO固定业务系统的并存，为保证系统间的电磁兼容性，ITU-R对上、下行链路的功率通量密度（pfd）给出了明确的规定。pfd过高，会对其他系统产生不可承受的干扰；pfd过低，系统中的用户设备（如天线）难以做到小型化，通信质量也难以保证。所谓功率通量密度是指发射功率（并计入发射天线增益）在接收点处单位面积上的功率。

就星链系统而言，其使用的频谱已列于表3中，在美国，它是与其他业务是共享的，且多处于从属（第二）用户，如图7所示。

图7 星链星的频率计划和美国联邦通信委员会（FCC）的频谱配置

表4是轨高1，110 km的星链星用户链路Ku频段在地球表面上产生的功率通量密度（pfd）；图8（a）、图8（b）给出了服务纬度为-55°–55°下行链路pfd与用户仰角关系曲线和ITU要求的比较，表明是符合要求的。

表4 1，110km轨高的星链星用户链路Ku频段在地球表面上产生的fpd

图8 星链星服务纬度为-55°–+55°下行链路pfd与用户仰角关系曲线和ITU要求的比较（图来源：[3]）

再看网关链路，表5是轨高1，110 km的星链星网关链路Ka频段在地球表面上产生的功率通量密度（pfd），图8（c）是服务纬度为-55°–55°下行链路pfd与网关站仰角关系曲线和ITU要求的比较，可见，当仰角低于10°时，将超过ITU给出的限制。好在星链系统中，用户和网关站的仰角都在40°以上，是符合ITU的要求的，其备余量约10 dB左右。

表5 1，110 km轨高的星链星用户链路Ku频段在地球表面上产生的fpd

图8（c）星链星服务纬度为-550-+550网关站下行链路pfd与网关站仰角关系曲线和ITU要求的比较（图来源：[3]）

3.3 星链系统中的天线技术

为获得良好的电磁兼容性和覆盖的灵活性，除满足pfd的要求外，天线技术无疑是十分关键的。据报导，星链系统中，星上有效载荷、用户终端和网关站天线都采用了相控阵天线，并采用一些特有的新技术来改进其性能，成为区别于其他系统的独到之处。

用户链路、网关站链路的测控链路，都需要采用窄波束、方向性强的天线，并对网关站仔细选址，这样可保持对本系统卫星与GSO卫星具有足够的隔离度（如22°左右）；另外，波束指向应该是可控的，以适应星座星位置移动的变化。这样，相控阵天线便是最佳选择。推测星链系统采用了一种模拟与数字混合的波束成形天线技术，如图9所示，其基本工作原理在以前的5G讲座中已有阐述（见《数字通信世界》2019年第1期）。将相控阵天线加上自适应处理器便可构成自适应天线，相控阵天线和自适应天线在星链系统中的一些可能应用如图10所示。

图9 模拟与数字混合的波束形成示意图

图10 相控阵和自适应天线在星链系统中的一些可能应用

（1）卫星Ku天线波束宽度的调控：在图10（a）的应用中，每一蜂窝小区用一3 dB的单波束覆盖，即小区边缘处于波束功率从峰值下降一半围线处。在星链系统中，用户下行链路采用右旋圆极化（电波传播中电场矢量末端轨迹沿传播方向成右手螺旋法则）。从图9可见，多波束中从中心到边缘，每个波束的宽度是逐渐展宽的，投射到地面上的“脚印”面积比中心波束的扩大了，也即增加了下行信号功率的散布面，这可能增加对其他系统和其他波束的干扰；而在上行链路中，卫星会接收到更多的射频信号，包括来自其他系统的和本系统其他用户的干扰。为了解决此波束展宽问题，星链系统所用相控阵增加了若干可控接通或断开的阵元。如图11所示，当卫星在离中心视轴23°、32°时，接通附加的阵元，使沿此方向的波束收窄，而在其他指向上断开这些附加的阵元，结果，卫星在0°（视轴方向）至40.46°俯仰范围内，3 dB波束宽度控制在2.2°–.44°之间。

图11 调控后天线波束宽度随指向角度的变化（图来源：[3]）

（2）卫星天线增益的调控：由图12可见，从星下点（视轴轴向）到覆盖区边缘，卫星信号到达地面的路径不同，卫星沿视轴到达地面的距离最短，而到达边缘的距离最长，因此，需要调节不同天线指向上的增益，来补偿传播路径损耗的变化，使地面覆盖区内的功率通量密度保持恒定。也即在视轴轴向上的EIRP最小，而指向40.46°的方向上，传播损耗最大，EIRP也最大。如图12所示，对天线增益调控的结果，卫星发射的功率通量密度（EIRP[dBW/4 kHz]），从覆盖区中心（星下点）到边缘是逐渐增大的。

对于接收波束，表征卫星接收系统灵敏度的天线增益与噪声温度比（[G/T]），在视轴方向上为9.8dB/K，在覆盖边缘方向上为8.7 dB/K。

（3）网关站天线技术：网关站工作于Ka频段，在某一段时间内，卫星上每一Ka波束与单个网关站相联系，网关站无需调控其波束宽度，但要求二者波束中心（最强方向）互相对准，因为卫星是运动的，因此，网关站天线必须具有跟踪卫星的功能（见图10（b）），而利用自适应天线技术可实现对卫星的自动跟踪。以图13所示的自适应天线说明其原理。网关站自适应天线各阵元接收到卫星发出的信标，送到自适应处理器，按一定算法产生控制信号，调整每路的加权系数（含相位和幅度），使天线合成的波束最大方向指向卫星，这时输出的信标功率就为最大，卫星运动时，网关站的自适应天线也动态地调整各路的加权系数，使天线对准卫星，并保证两者波束最大方向对准。

（4）调零天线技术的应用：为了降低星链星与GSO和NGSO卫星的相互干扰，卫星和地球站采用窄波束、强方向性的天线，这样，接收时外来干扰将只从旁瓣进入；发射时从旁瓣对其他系统产生干扰。以接收为例，通过自适应处理技术使旁瓣在干扰来向产生零点（参见图10（c））；发射时在对其他系统的卫星或地面设备的方向上产生旁瓣的零点，避免对其产生干扰。

4 结束语

星链系统是一个旨在为全球提供宽带互联网接入的巨型低轨星座，其卫星运载发射方式、星座卫星数目、大带宽和所提供的无缝隙、三维空间覆盖，都是前所没有的。因为如此，也面临着诸多挑战，如系统的电磁兼容性问题，其系统设计已作了许多分析论证，最终结果如何，还要接受实践的检验。此外，本文未涉及的围绕全球的巨量卫星产生的光学污染（据称已通过涂覆成为“暗星”），会带来何种影响？至于星链与地面5G关系如何，有无融合的可能？这些都是值得关注的。