星链系统服务能力分析

无名小足

转自：信通传媒

0 引言
卫星网络凭借覆盖范围广、系统容量大、不受地理环境限制等方面的优势，已发展成为地面网络的补充，主要为远洋、航空和沙漠等地区提供网络通信服务。低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星星座支持全球无缝覆盖，近些年得到迅猛发展和广泛关注。SpaceX公司、OneWeb公司和Telesat公司均提出了自己的低轨卫星星座建设项目，为偏远地区用户提供互联网接入服务。

SpaceX公司的星链（Starlink）计划部署进展最快，截至2024年5月23日，共计发射6 482颗卫星。星链官网显示，星链卫星的最大下载速率超过150 Mbit/s，上传速率超过25 Mbit/s，传输时延低至25 ms。基于较强的通信服务能力，星链星座已在近百个国家开通互联网接入服务，注册用户数量超过270万。

同时，星链系统还应用于军事领域，不仅参与了美国空军、陆军组织的多项应用性能测试，还在一些冲突中发挥了应急通信、情报回传等天基信息支援作用。可见，低轨巨型星座的发展将开启全球卫星通信的新时代。

1 星链系统

1.1 系统组成

以星链为代表的低轨卫星互联网主要包括空间段、地面段以及用户段3个部分，如图1所示。

图1   系统组成

（1）空间段空间段由低轨卫星星座组成。卫星星座采用位于不同轨道高度、具有不同轨道倾角的混合构型，实现大规模部署和多重覆盖。根据卫星平台搭载转发器类型的不同，可以分为透明转发式卫星和再生处理式卫星，其中透明转发式卫星只完成转发作用，不对接收到的信号做任何处理。再生处理式卫星通过搭载射频和基带处理功能，不仅可以对接收到的信号进行放大、变频、滤波等处理，还可以实现信号数字再生，相当于移动基站上星的功能。

根据卫星之间是否有星间链路，是否实现星间路由，可以分为天星地网和天网地网两种工作模式。其中，在天星地网工作模式下，卫星间无星间链路连接，卫星将接收的用户数据直接转发至地面网络完成传输，卫星网络可以看作地面网络的延伸。天星地网模式只有在用户和地面站同时被同一颗卫星覆盖时才能进行实时业务传输。在天网地网工作模式下，卫星间由星间链路连接，地面信关站通过地面网络连接。根据任务需求，用户数据可以经过卫星转发到另一端用户，也可以经过单跳或者多跳星间链路转发到信关站，再由地面网络完成传输。天网地网工作模式充分利用了卫星的广域覆盖优势和地面网络在通信容量方面的优势，实现了天地融合和优势互补，成为低轨卫星网络的主流发展趋势。

（2）用户段用户段包括各类用户终端。

目前SpaceX公司推出了3代5个版本的星链终端。第一代为碟形天线，具有UTA201和UTA-211两个版本型号。第二代为方形天线，型号为UTA-212。与第一代相比，第二代天线体积有所减小，重量降低40%，便于携带，通信性能也有显著提升。在第二代的基础上，第三代天线面积增加了10%，路由覆盖面积由186 m2扩展至297m2，三防等级从IP54提高到IP67，具备防尘能力，可在大风等较恶劣天气条件下接入星链卫星网络。

2022年6月，美国联邦通信委员会（FFC）批准了星链终端在移动平台上使用，意味着星链系统可以为陆地车辆、海上船舶、空中无人机等各类用户提供接入传输服务。同样，星链终端也根据不同用户类型，推出民众版、房车版、企业版、海事版以及航空版等不同版本，以满足不同应用场景下的多样化业务需求。

2023年11月，FCC同意SpaceX公司提出的手机直连卫星业务申请，通过与地面运营商合作，支持现有LTE终端接入，无须更换任何手机组件、升级系统、安装特殊应用程序等，因此具有手机直连能力的星链卫星使用标准的LTE协议，支持发送文本、语音和数据业务。

（3）地面段

地面段包括信关站、测控站、运控中心、网控中心等。

信关站负责接收地面或其他卫星传来的信号，然后放大、重新编码或转发这些信号，使其能够传输到另一个位置或覆盖更广阔的区域。这种功能使得远距离通信成为可能，无论是在地球上的不同地区还是地球与太空之间。天线系统是信关站的核心，星链系统每座信关站一般有8副高频高增益天线，实现高效数据传输和接收，优化信号质量，减少干扰，提高通信性能。针对低轨卫星快速移动导致频繁切换的特征，星链信关站的跟踪和定位系统能够利用算法和实时遥测数据，持续监测每颗卫星的确切位置和轨迹，从而调整天线波束，确保稳定连接。目前星链系统有150座正在运行的信关站，另外13座获得监管部门批准后仍在建设中，19座正在等待开工。

测控站主要用于监控和管理卫星群的健康状况和性能。通过从卫星收集遥测数据提供有关其状态、功率水平和整体健康状况的信息。地面操作员可以监控和分析这些数据，以识别潜在的问题，执行主动维护，并优化网络性能。测控系统使得地面操作员可以远程配置和控制卫星，确保卫星网络的平稳运行。星链系统在美国境内的东海岸和西海岸分别设置主站和副站，在海外其他国家也会设置测控站，信关站和测控站是可以共用的，例如美国华盛顿州布鲁斯特站。

运控中心一般通过网络管理系统（NMS）、运营支撑系统（OSS）和业务支撑系统（BSS）来管理卫星网络和用户服务，其主要功能包括：客户订阅和计费，自动化非接触式资源调配，确保按照最终用户服务级别协议提供服务，对多个远程网关和卫星实施集中控制。网控中心是整个卫星通信系统运行的核心中枢，要实现对全网各地球站的参数设置、运行状态控制、信道资源按需分配和点到点卫星通信链路接续等实时控制功能。

1.2 卫星版本

经过不断迭代升级，目前星链卫星已经具有6个版本：试验星（TintinA/B）、V0.9、V1.0、V1.5、V2.0 Mini和V2，其中，V0.9、V1.0、V1.5用于构建第一代星座系统，V2.0 Mini和V2用于构建第二代星座系统。

2019年5月，SpaceX公司发射首批60颗星链V0.9卫星和首批60颗V1.0卫星。2021年6月，首批3颗V1.5卫星入轨。上述3种类型星链卫星都采用平板设计，尺寸大约为3.2 m×1.6 m×0.2 m，安装有4副相控阵天线和单翼式太阳能电池板，每副相控阵天线板尺寸约为0.7 m×0.7 m，太阳能电池板展开后约为4 m×15 m。V1.0相比V0.9，增加了Ka频段，卫星重量从227 kg增加至260 kg；V1.5相比V1.0增加激光星间载荷，重量提升至295 kg。

SpaceX公司已经完成至少一颗星链V2.0卫星的原型机，长度达到7 m，重量达到1.25吨。作为V1.5和V2.0之间的过渡版本，SpaceX公司从2023年2月开始发射V2 Mini版本。V2 Mini单颗卫星重量790 kg，是一代的2倍多，宽度超过4.1 m，太阳翼向两侧展开之后整星宽度约30 m。这样Starlink V2 Mini版卫星的总面积超过了116 m2，是Starlink V1.5表面积的4倍多。Starlink V2 Mini版卫星配置了更强大的相控阵天线连接用户，并使用E频段回程连接地面站，使得每颗卫星的容量比早期版本增加了4倍。另外，V2系列配置了全新的氩气工质霍尔推进器，氩气电推进器重2.1 kg，功率4.2 kW，提供170 mN的推力，其推力和比冲分别是第一代的2.4倍和1.5倍。

Starlink V2 Mini中包括支持存量手机直连功能的卫星，截至2024年5月23日，该类型星链卫星数量达到38颗。由于现有手机天线增益较低，发射功率很小，当与530 km左右轨道高度的卫星连接时，通信链路长度将达到上千千米，将会有较大的传输路径损耗，因此该类型星链卫星配备了尺寸约为2.7 m×2.3 m的大型相控阵天线，创新性定制硅芯片以及先进的处理算法，来为地面上的手机接入提供通信条件。

各个版本的卫星特征见表1。



1.3 星座构型
星链星座轨道部署见表2。其中第一代星链卫星系统包括LEO和VLEO两类轨道高度，约1.2万颗卫星。LEO星座几经变化，从最初的4 425颗卫星，到轨道高度550 km、1 110 km、1 130 km、1 275 km和1 325 km的123个轨道面共计4 409颗卫星，最终在2020年9月将轨道高度集中在550 km附近的190个轨道面上，共计4 408颗卫星。LEO星座主要用于实现全球无缝覆盖。

VLEO星座主要分布在340 km左右的轨道上，主要用于降低卫星传输时延，增强对中低纬度地区的热点覆盖，提升传输容量。2024年3月8日，FCC发文称推迟SpaceX公司关于部署VLEO星座卫星的请求。

2021年8月SpaceX公司向FCC提交的关于第二代星链卫星系统的修订申请显示，星链二代卫星星座将首选配置29 988颗卫星，分别部署在340 km到614 km的9个轨道上。2022年12月1日，FCC只批准了部署其中7 500颗卫星，属于分别位于高度525 km、倾角53°，高度530 km、倾角43°，高度535 km、倾角33°的3个壳层上的部分卫星，以响应有关太空碎片和干扰影响的相关问题。

1.4 发展特点

（1）构建独立自成体系的产业链

SpaceX公司基于独立研制设计，采用了从制造、火箭发射、应用服务到地面设备的垂直整合商业模式，形成产业链分工优势、成本降低优势和加速度优势，具体体现在以下方面。

a) 垂直整合：星链项目涵盖了从卫星制造、发射到地面终端设备的全产业链。这样的垂直整合有助于SpaceX更好地控制整个产品生命周期，提高效率和成本控制能力。

b) 自成体系：星链依托SpaceX公司自主研发的火箭和卫星技术，减少了对外部供应商的依赖，增强了项目的自主可控性。这对于确保技术秘密和进度控制都很重要。

c) 产业链优势：由于涵盖了产业链各环节，星链可以更好地把握市场需求，并快速响应。同时也可以充分利用各环节的协同效应，提升整体竞争力。

d) 独立性：星链作为SpaceX公司的独立子品牌，在定价、营销等方面都有较大的自主权，这有助于项目的快速推进和迭代。

（2）基于技术创新降低生产成本星链系统采用商业货架产品、组件模块化设计、流水线生产、一箭多星、火箭回收等创新技术，降低设备的造价和发射成本，具体体现在以下方面。

a) 商业货架产品：星链卫星采用了大量商用现成部件和组件，而不是完全自主研发，这降低了研发和制造成本。

b) 组件模块化设计：星链卫星采用标准化、模块化的设计，使得制造、维护和更新都更加灵活高效。

c) 流水线生产：星链利用工厂化的流水线生产方式，大幅提升了卫星制造效率。

d) 一箭多星：星链利用SpaceX公司的大型火箭一次性发射多颗卫星，大幅降低了单颗卫星的发射成本。

e) 火箭回收：SpaceX公司开创性地实现了火箭的回收利用，这对降低发射成本也起到了重要作用。

（3）采用互联网发展模式与传统的先设计后建设的固定研发模式不同，星链系统在研发过程中基于互联网发展理念，坚持边设计、边研发、边建设、边使用原则，用版本迭代升级换取时间，用星座数量规模换取网络性能，驱动资本融合与产业可持续发展，具体体现在以下方面。

a) 边设计、边研发：星链不是先完成全部设计再进行研发，而是采取快速迭代的方式，不断优化设计并同步研发，这样可以更快地响应市场需求变化。

b) 边研发、边建设：星链也没有采取完全研发好后才开始建设的模式，而是将研发和建设并行进行，这种方式可以缩短整个项目周期。

c) 边建设、边使用：星链在部分地区提供服务时，仍在不断扩展卫星网络和地面设施。用户可以先享受到初期服务，而不必等待全网建设完成。

2 星链系统能力分析

根据参考文献中对在轨星链卫星状态的分析，壳层4逐渐替代壳层1，成为星链系统主要提供服务的星座。因此，本节主要基于壳层4卫星，对星座的传输时延、传输速率和覆盖能力进行分析。星链壳层4的星座构型见表3。


2.1 时延分析
如图2所示，位于地面的用户终端需要连接至信关站时，有经过星链卫星网络和地面光纤网络两种路径。部署在壳层4的卫星携带星间激光载荷，可以通过星间链路（ISL）传输，已知星间链路用户终端的最小仰角为40°，信关站的最小仰角为25°。为简单起见，图2中只表示了用户终端的接入卫星和信关站的接入卫星，并假设中间经过的多条ISL均位于两颗接入卫星的连接弧段上，则当两颗接入卫星分别位于A点和B点时，经过卫星网络传输的时延最小；当两颗接入卫星分别位于A′点和B′点时，经过卫星网络传输的时延最大。经过卫星网络和地面网络的传输时延分别计算如下

图2   用户终端与信关站传输路径示意

其中，L1表示用户终端到其接入卫星节点之间的距离， L2表示星间链路传输距离，L3表示信关站到其接入卫星节点之间的距离，d表示用户终端到信关站的地面距离， c表示光速。

图3呈现了用户终端和信关站之间的距离对传输时延的影响，并将卫星网络传输时延和地面网络传输时延进行了对比。从图3中可以看出，对于轨道高度为540 km的卫星，在最优情况下，当用户终端和信关站之间的距离大于760 km时，卫星将带来更小的时延；在最差的情况下，当用户终端和信关站之间的距离大于9 340 km时，卫星网络传输时延更小。地面光纤网络传输和卫星网络传输之间的时延差异是由光纤折射率导致的光速折损以及卫星路径长度决定的，此处假设光纤的折射率为1.47。由于低轨卫星的高速移动，星链系统在提供服务时，传输时延在最小和最大范围内变化，变化周期与星间切换策略和服务卫星数量有关，因此，星链系统通过发射更多的卫星以支持用户选择最佳接入卫星节点，从而降低传输时延。

图3   传输时延对比

2.2 速率分析

目前星链主要支持宽带和移动两类业务，依据3GPP TS 36.213和参考文献中的参数，进行链路传输速率估算，得到各类业务场景下用户终端的上下行理论峰值传输速率见表4。

分析可见，宽带用户终端主要为SpaceX公司自研相控阵天线，在理想传输环境中，上行传输速率可达500 Mbit/s，下行传输速率可达1.2 Gbit/s；移动用户终端为LTE手机，在理想传输环境中，上行传输速率可达12 Mbit/s，下行传输速率可达21 Mbit/s。

2.3 覆盖分析

下面从单星覆盖性能、星座覆盖性能及用户可见性等方面对星链系统的覆盖性能进行分析。

卫星覆盖情况如图4所示。

图4   卫星覆盖情况

（1） 单星覆盖性能

根据SpaceX公司的申请文件，用户终端只能与高于最小仰角的卫星进行通信。随着星座部署规模的增大，用户终端的最小仰角达到40°，进而提高用户链路的通信质量。以位于壳层4的卫星为例，卫星轨道高度约为540 km，则卫星可提供44.9°半锥角内的通信服务，对应的地面覆盖半径约为564.2 km，覆盖面积约为106km²。

如图5所示，星链卫星上装载相控阵天线，按需生成角度为1.5°的用户波束，星下点波束覆盖面积约为154 km²，假设每个波束足迹对应地面一个波位，则在单星覆盖范围内存在约6 494个波位。按照每颗卫星具有8个用户波束来计算，那么每个波束需要覆盖812个波位。通常采用捷变跳波束方式，根据预规划的跳频图案对覆盖区域内的波位进行扫描，并对用户部署区域进行重点增强覆盖。

图5   波束覆盖情况

（2）星座覆盖性能

基于STK和Matlab等仿真工具构建星链系统壳层4星座运行环境，并对星座的全球覆盖情况进行仿真，仿真时长设置为24 h。

图6中横纵坐标轴分别表示观测时间点和对应的全球覆盖百分比，从中可以看出仅星链系统壳层4全球的覆盖率就可在83%~83.7%。图7中横纵坐标轴分别表示纬度和对应的覆盖时长百分比。从图7中可以看出壳层4主要覆盖南北纬60°之间区域，可以为全球主要人口分布地区提供服务。在低纬度地区尚不能实现全天时覆盖，因此星链系统包括多种分布于不同轨道倾角和不同轨道高度的多个壳层卫星，进而在时间和空间上实现全球无缝覆盖，同时增大系统容量，为用户提供随遇接入能力。

图6   星链全球覆盖率

图7   星链星座覆盖时长百分比随经纬度变化关系

（3）用户可见性

以位于华盛顿的用户为例（北纬38.9°，西经77°），分析壳层4卫星对用户的可见性。

从图8仿真结果可以看出，用户最多可见卫星数量达到28颗，至少可见11颗，在大多数时间内用户可见范围内的卫星数量超过20颗，其中同时可见22颗卫星的概率达到23%。星链星座通过多重冗余覆盖可以提高网络鲁棒性和通信容量。

图8   用户可见卫星数量分布概率

图9统计了位于华盛顿的用户与单颗卫星连接时间的累积分布函数，从图中可以看出，由于低轨卫星快速移动特性，用户与卫星的最大连接时间为6.7 min，在50%概率情况下，连接时间短于6 min。在实际应用中，用户在选择接入卫星时，要综合考虑服务时长和通信质量，这将导致用户在卫星间切换更加频繁，产生较大的信令交互开销。

图9   用户与卫星连接时间分布函数

3 结束语

星链系统提供全球覆盖、高带宽、低时延卫星互联网服务，在多领域具有广泛的应用潜力，对其开展研究具有重要的战略意义。本文从卫星系统组成架构、卫星迭代升级版本、星座构型、系统发展特点等方面对星链系统进行了概述，并以壳层4星座为例，通过仿真分析了星链系统的单个轨道层在传输时延、传输速率和覆盖性方面的服务保障能力，为后续对其应用场景的分析研究提供参考。


作者简介
   
王静贤（1989-），女，博士，高级工程师，主要研究方向为星地融合通信、无线移动通信。

   虞志刚（1989-），男，博士，高级工程师，主要研究方向为天地一体化信息网络、空间智能计算等。

   祝超（1990-），男，博士，助理研究员，主要研究方向为卫星通信系统安全技术。

   孙家正（1998-），男，硕士生，主要研究方向为太空安全。

  雷璟（1977-），女，研究员，硕士生导师，主要研究方向为太空安全、网络空间安全、信息安全。