卫星星座介绍及系统参数：Starlink星座
提要速览：
本文介绍了Starlink星座参数，含Starlink的星座背景、星座参数（基础系统参数、波束数量及覆盖、相控阵天线工作机制、下行链路预算与传输速率分析、星地链路动态性分析、端到端时延性能分析、网关容量、传输速率及收费标准、海洋服务详情介绍等）、Starlink二代星（Starlink Gen2 四类波束等）、Starlink与5G对比等基础数据及指标。
一、星座背景
Starlink是由SpaceX运营的卫星互联网星座，为 36 个国家/地区提供卫星互联网接入覆盖，其目标是覆盖全球。SpaceX 于 2019 年开始发射 Starlink 卫星。
- 截至 2022 年 7 月，Starlink 由 2,700 多颗在低地球轨道(LEO)上量产的小型卫星组成，这些卫星与指定的地面收发器进行通信。
- 截至 2022 年 2 月，SpaceX 宣布 Starlink 已拥有 250,000 名订户， 2022 年 5 月向 FCC 提交的一份文件报告称其订户已超过 400,000 名。
- 截至 2022 年 6 月，Starlink 为超过 500,000 名用户提供互联网访问。
Starlink的用户群的数量发展如下表所示：
二、星座参数
1. 基础系统参数
（1）轨道高度： 550 公里
（2）工作频段： Ku 和 Ka 波段
（3）过顶时间： 4.1分钟
（4）飞行速度： 7.5km/秒
（5）波束最小半径： 8km
（6）可视覆盖范围： 2774581平方公里
（7）星间链路： 早期的卫星（2020年以前）是在没有激光链路的情况下发射的。星间激光链路已于 2020 年底成功测试，拟于在二代卫星上安装。
2. 波束数量及覆盖
Starlink有4个相控阵天线，每个相控阵天线可生成16个波束，一共是64个波束，具体包含：48个发波束，16个收波束。单块相控阵天线直径约 0.6m，单波束星下点覆盖半径约 8km 。
受限于猎鹰9 Block 5火箭整流罩的尺寸（高13.1米，直径5.2米），再结合一箭60星的Starlink堆叠方式，估算Starlink单星尺寸厚度在0.3~0.4米左右，长宽尺寸方面一种可行的方案为4米*1.7米，具体长宽数值可能有所取舍，可如图1右侧两图所示。
结合Starlink卫星长宽大概范围，我们估算4副相控阵平板天线尺寸大概为0.7米左右，后续如有更新材料我们再进一步核实。至于此4副天线是否相同，现在看来应该可以进一步分为3类，其中平板1和平板2相同。至于，哪些是Ku、Ka，哪些是用户侧、馈电侧，是否区分点波束、宽波束等疑问，现在尚不能给出定论。
3. 相控阵天线工作机制
相控阵天线区别于传统透镜或反射镜等固定天线，可通过数字域或模拟域的调幅调相，实现更为灵活和精准的天线辐射模式。根据用途的不同，可分为：空间分集以对抗衰落，波束成形以匹配业务需求，空间复用以提升传输效率等。
在Starlink卫星相控阵平板天线中，主要采用波束成形技术，实现面向单星覆盖范围下给指定区域业务提供高增益波束。终端侧圆形平板相控阵天线，通过波束成形技术产生自动跟踪接入卫星的能力，且在多波束情况下可支持同时与多颗卫星连接，为终端在不同星间切换时的无缝通信做保障。
结合SpaceX公布相控阵天线工作机理，其使用模式可由如下图4所示：
对收发端而言可采用同一套硬件平板结构，而在数字波束域进行不同信号处理。对于发送而言，可生成最多N个波束，即图中250-1到250-N所示，此N路信号经过相位控制因子、低噪放/功放、M个天线阵子完成收发。后续，将结合阵元排列、波束个数等做进一步分析。
4. 下行链路预算与传输速率分析
针对Starlink系统用户链路进行分析，结合卫星在轨高度、端星仰角、收发天线增益、接收模式等内容，对终端传输速率进行分析，给出一种终端可达速率为822.5Mbps的典型示例。
Starlink系统用户侧传输频率主要采用Ku频段，卫星到终端的下行链路10.7-12.7GHz，总可用带宽2GHz，单载波带宽250MHz；终端到卫星的上行链路14.0-14.5GHz，总可用带宽500MHz，单载波带宽125MHz。系统下行带宽2GHz可同时支持最少8个波束，在采用不同极化方式、空间复用（充分发挥4副星载相控阵天线优势）等情况下，则又可进一步提升可用波束的个数。上下行总体分析方法一致，不失一般性，后文以用户链路下行为研究分析对象。
对于单终端而言，其最大传输速率在单波束信号完全为其服务时达到，端星仰角为25度时的传输速率为822.5Mbps（也就可以回答为什么仅采用802.11 ac而未做Wifi6的问题了），具体传输速率与仰角、链路质量等有关。如下给出在纽约当地，链路可用度99%情况下传输速率分析，如下表所示：
5. 星地链路动态性分析
Starlink作为低轨LEO星座网络，与高轨GEO卫星的对地静止不同，LEO卫星的在轨高速运动导致了星地链路动态变化、频繁切换问题。如前所述，Starlink用户终端采用具备机械调整能力的天线，前文中我们也指出此电机调整仅用于俯仰面，而终端对卫星的星地链路跟踪采用相控阵方案。本节目的在于分析星地链路动态性，以探究终端所需的跟踪调整能力，并对切换等移动性管理进行探讨。
为实现端星用户链路间高速传输速率需求，终端需对接入卫星实时跟踪，这使得星地链路的空间指向实时变化。对地面的用户终端而言，通常采用方位角、俯仰角来表示对卫星的空间指向，方位角定义为自正北顺时针旋转的角度，俯仰角定义为自水平面向上旋转的角度。星地用户链路方位角、俯仰角变化快慢如图5所示：
由图5可知，终端对Starlink卫星的跟踪随时间变化，且方位角变化率要远大于俯仰角，这主要是由于Starlink星座采用了53度倾斜轨道而导致。对终端而言，卫星更多表现为自西向东（或自东向西）的运动，相比而言俯仰角要小得多。方位角变化率最大为6.8 deg/s，也就是需要终端天线波束指向的动态跟踪能力支持6.8 deg/s。
在讨论完终端对星的跟踪后，一个重要的问题来了，什么问题呢？就是终端需要在不同星间切换的问题。
由于终端头顶的Starlink卫星可能不止1颗，且所有头顶的卫星均在高速运动，这就使得星地频繁切换。至于端星如何切换，不同策略下对系统性能和复杂度均有不同侧重。如：终端始终与头顶处最大仰角的卫星连接，优点是信号质量好传输速率高，缺点是过于频繁地星间切换；终端始终保持一个卫星连接直到不可用时再切换，优点是最小化切换频率，缺点则是信号质量较差可能影响传输速率。
在终端采用最佳仰角接入策略下，终端与Starlink卫星的切换较频繁。结合当前在轨538颗Starlink卫星分布（数据参考时间：2020.07.18-2000），位于纽约处的终端对Starlink卫星接入与切换如下图6所示：
由图6可看出，当前Starlink卫星对纽约当地终端的接入服务仅能做到97.64%，尚未实现100%覆盖；单星对终端的平均服务时长为113 s，也意味着平均不到2 min就要切换至一颗新的卫星。中间的两张图分别为方位角俯仰角的变化，可看出在切换过程中会发生较大的空间指向变化。最底的图为终端对接入星的空间指向变化情况，在同一卫星服务期间空间指向变化很小，而在切换的时刻将发生非常大的空间指向变化，如空间上指向需支持近130 deg的调整。
作为对比，进一步分析最大接入时长策略下的切换性能。如下图所示：
由上图可看出，在采用最大接入时长情况下，单星对终端的平均服务时长为169 s，也意味着平均3 min左右要切换至一颗新的卫星。与最佳仰角接入/切换策略相比，可大幅降低切换的频繁程度，切换次数可降低33%。然而，终端与卫星的仰角要小于最佳仰角策略时的值。
进一步，以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景。在最大仰角接入策略下，由于空间段卫星数量的增大，可能不足1s就要发生切换；平均也是不足1 min（具体为58 s）就要发生切换。尽管此策略可提供最佳的传输质量，然而切换过于频繁，并非是较优的策略。况且SpaceX最终的目标是部署近42000颗卫星，如果仅采用最佳仰角接入策略，可能几十个毫秒就要发生端星切换，这是很难接受的。该1584卫星场景及最佳仰角策略下的仿真结果如图8所示：
仍以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景，在终端最大接入时长策略下，则可显著降低切换频繁程度。由原先平均不到1 min的切换频度，增加到平均3min才发生一次切换。具体如下图所示：
以Starlink星地链路为分析研究对象，通主要可得出如下四点结论：
（1）分析Starlink卫星、用户终端硬件结构及天线，星载相控阵平板天线在0.7*0.7米左右，终端相控阵圆形平板天线直径0.48米左右，终端电机调整能力仅用于单维（俯仰面）的调整。
（2）结合Starlink星地用户链路频率、带宽、传输损耗、物理层DVB-S2X协议等因素，分析了单终端的传输速率；以纽约当地终端为例，在系统可用度99%情况下，终端速率为822.5 Mbps，猜测该因素也是用户终端Wifi侧采用866.7 Mbps传输速率的主要原因。
（3）Starlink星地用户链路的动态特性及切换机制，当前在轨538颗卫星在最佳仰角和最大接入时长情况下，平均每2min、3min便需发生切换；而第一阶段1584卫星场景下，最佳仰角接入策略则变为不到1min便需切换，最大接入时长仍为3min左右。
（4）Starlink星地用户链路的频繁切换，需终端对卫星具备快速跟踪调整能力。一个较理想的方式为终端具备不少于2个波束，可同时跟踪对准不同卫星，从而实现频繁切换下的无缝通信服务。
（4）星地链路传输速率分析时是基于ETSI DVB-S2X物理层协议，而卫星5G融合趋势下，开展适用于星地链路的OFDM或其他波形、调制编码等物理层协议研究，是下一步工作重点。
（5）接入与切换考虑了接入星仰角和可服务时长，而切换过程中的信令交互、鉴权等机制如何去做，是下一步的研究重点。
6. 端到端时延性能分析
（1）理想情况下的端到端时延
通过地球同步卫星的互联网流量的最小理论往返延迟至少为 477 毫秒（between user and ground gateway），但实际上，现有GEO卫星的延迟为 600 毫秒或更多。Starlink 卫星在地球静止轨道高度的1 ⁄ 105至1 ⁄ 30处运行，因此，最小理论往返延时约 14 ms ，但实测最小延时约 25 ms 至 35 ms（说明：“25 ms 至 35 ms” 的数据摘自维基百科，图中所画的 14 ms 不包含地面站中转耗时），该时延与现有的电缆和光纤网络相当。该系统将使用声称“比IPv6更简单”的点对点协议，它还将在本地包含端到端加密。
（2）纽约到西雅图的端到端时延
端到端时延分析场景及方法与前述文章中基本一致，仍以纽约到西雅图的端到端为场景。以下为端到端时延性能分析结果：
由图4可看出，对于纽约到西雅图之间的通信时间占比为98%，而仅有2%时间内没有可达链路，端到端RTT平均为39.86 ms。同时，将本次结果与先前历史分析结果进行对比如表所示.
对端到端时延而言，由三个月前的51.8ms降到了39.9ms，可通信时间占比也由59%提升至98%，已非常接近可提供正常服务的网络保障能力了。同时，与地面大圆距离对应的光纤时延对比，也基本相当（相差仅7%）。
7. 网关容量
连接到网关时，两个 Ka 波段抛物面天线组合起来可提供约 20 Gbps 的吞吐量。 每个网关天线最多可提供 4 个 500 MHz 上行通道（总共 2 GHz），以及 5 个 250 MHz 下行通道（总共 1.25 GHz）。下图为 Starlink 典型的网关天线：
8. 传输速率及收费标准
- 地面普通用户： 2020年10月，SpaceX在美国推出了一项名为“Better Than Nothing Beta”的付费测试服务，购买用户终端需499美元，且每个月的服务费需110美元，预计服务“50 Mbps至150 Mbps，延迟从20 ms至40 ms以上”。从 2021 年 1 月起，付费测试服务扩展到其他大陆，首先是英国。
- 地面高性能用户： SpaceX 宣布了Starlink Business，这是该服务的更高性能版本。它提供更大的高性能天线，列出的速度在 150 Mbps 到 500 Mbps 之间，天线成本为 2500 美元，每月服务费为 500 美元。
- 海上用户： 此外，马斯克旗下SpaceX正式推出了全新的移动服务Starlink Maritime，为全球船舶提供星链（Starlink）卫星互联网服务。SpaceX表示，包括商船、海上钻井平台、游艇都可以用Starlink Maritime。根据SpaceX的说法，海洋版卫星终端机官方售价10000美元，内含两支高功率天线。月费要价5000美元。在开通了该业务后，用户可以享受最高350Mbps的下载速度，并且所安装的天线还能在遇到恶劣天气的情况下，依旧保持稳定的网络传输。另外，Starlink Maritime 事实上暂时无法真正做到全球海洋覆盖，而是仅限美国本土（不包括阿拉斯加）近海、欧洲（不包括挪威、瑞典、芬兰）近海、澳洲南部近海、新西兰近海及巴西的近海，这应该是因为目前 Starlink 的运作模式其实是在终端机与地面接收站之间转送资料，因此离岸太远，超出地面接收站的范围，就无法使用。Starlink 预计在 2022 年第四季和明年都会持续扩大 Starlink Maritime 的覆盖服务范围。
9. 海洋服务详情介绍
如上图为Starlink官网公开显示的Starlink海上服务范围，浅色为已覆盖的区域，深色为2022年底甚至今后更久将要提供的服务区域。目前Starlink公开提供海上连线服务的海域范围仅限于，北美、欧洲、澳洲及南美地区的海岸及海域，上述区域已经可以使用Starlink海上服务，其他地区要等到今年第4季或更久之后才会提供服务。除了海上外，Starlink也开始提供机上连线的服务，与多家美国的航空公司合作。累计至今，Starlink发射2790颗低轨卫星，提供信号给36个国家。希望在5年内网络范围可以遍布全球。
三、卫星版本
1）v0.9（测试）
2019 年 5 月发射的 60 颗星链 v0.9 卫星具有以下特点：
具有多个高通量天线和单个太阳能阵列的平板设计
质量：227 公斤（500 磅）
使用氪作为反应质量的霍尔效应推进器，用于在轨位置调整、高度维持和脱轨
用于精确定位的星轨导航系统
能够使用国防部提供的碎片数据自主避免碰撞
海拔 550 公里（340 英里）
“这种设计的所有组件中的 95% 将在每颗卫星生命周期结束时迅速在地球大气层中燃烧”。
2）v1.0（操作）
自 2019 年 11 月发射的 Starlink v1.0 卫星具有以下附加特性：
在每颗卫星寿命结束时，这种设计的所有组件 100% 将在地球大气层中完全消亡或燃烧。
增加了K a波段
质量：260 公斤（570 磅）
其中一个编号为 1130 的名为 DarkSat 的卫星使用特殊涂层降低了反照率，但由于热问题和红外反射率，该方法被放弃了。
自 2020 年 8 月第九次发射以来发射的所有卫星都有遮阳板，以阻挡阳光从卫星的某些部分反射，以进一步降低其反照率。
3）v1.5（操作）
自 2021 年 1 月 24 日发射的 Starlink v1.5 卫星具有以下附加特性：
用于卫星间通信的激光器
质量：~295 千克（650 磅）
从 2021 年 9 月起发射的卫星上移除了挡住阳光的遮阳板。
4）v2.0（计划中）
SpaceX 正准备在 2021 年初之前生产 Starlink v2.0 卫星。 Starlink v2.0 卫星在通信带宽方面将“比 v1.0 能力强几乎一个数量级” 。SpaceX 希望在 2022 年开始发射 Starlink v2.0。但是，它们需要在Starship上发射，因为它们太大而无法装入Falcon 9整流罩内。 Starlink v2.0 比 Starlink v1 卫星更大更重。
用于卫星间通信的激光器
质量：~1,250 千克（2,760 磅）
长度：~7 m (23 ft) [224]
进一步改进以降低其亮度，包括使用介电镜膜。
四、Starlink二代星[6]
1. “星链”V2.0
“星链”V2.0卫星是实现“二代星链”星座的基础。根据马斯克在5月接受采访时透露的信息，SpaceX已经完成至少1颗“星链”V2.0卫星的原型机，而“星链”V2.0卫星的主要参数包括：
- 长度达到7米（比V1.0和V1.5的3.2米增加1倍多）
- 质量达到1.25吨（是V1.0的5倍）
- 性能提升10倍（马斯克对于性能提升10倍含糊其辞，没有明确指出是通信带宽相比V1.0的18Gbps提升10倍）
在“一代星链”星座取得成功的情况，SpaceX公司之所以要发展更为激进的“二代星链”星座，并研制性能更强大的“星链”V2.0卫星，主要包括以下几个方面的原因：
- 需求在持续增加。“星链”用户数量从2022年1月的14.5万[7]增加到2022年3月的25万[8]，再到2022年5月45万[9]，用户增长速度非常快，“一代星链”星座的容量上限很可能难以满足未来快速增长的需求。在军事需求方面，包括美国空军、陆军和太空军都非常看重“星链”项目并采购了“星链”服务，太空军还将“跟踪层”卫星研制合同授予SpaceX，未来还可能产生其他军事需求（例如：搭载军事载荷），因此质量更大和性能更高的卫星也是实现更大军事潜力的前提。
- 超重-星舰项目进展速度很快，投入使用后，发射能力将大幅提升，能够为“星链”V2.0提供快速（单次完成1个轨道面部署）、大批量（单次发射110-120颗）和高频率（快速重复使用）的发射机会。同时，超重-星舰运载能力高（近地轨道运载能力最大150吨）、有效载荷空间大（1100立方米），为设计质量尺寸更大和性能更高的“星链”卫星提供了可能性。
- SpaceX还在积极争取传统电信运营商和卫星运营商的语音通信、应急通信[10]、电视广播等业务[11]，而更大的“星链”V2.0卫星显然也能够进一步提高上述发展潜力。
2. “二代星链”星座
2019年，媒体报道SpaceX通过FCC向国际电联（ITU）申请总数量达到3万颗卫星的更大规模的低轨星座所需的频谱资源[4]。2020年5月，SpaceX正式向FCC提交“二代星链”星座（Gen2）的申请，总数为3万颗，详见表4。
其空间段的在轨分布如下图所示：
2021年8月，SpaceX针对“二代星链”星座的申请进行补充修正，提出用超重-星舰部署的“构型1”方案和用法尔肯9部署的“构型2”方案，分别见表5和表6。相比2020年的初始方案，SpaceX不是将大量卫星集中到一个轨道面上，而是分散到不同的轨道面，使卫星分布更均匀，另外还大幅增加了太阳同步轨道上的卫星部署数量。SpaceX称修改“二代星链”方案主要是为了提升网络的均匀一致性，并提升网络对极地地区的覆盖，满足偏远地区和军方用户需求。
不过，由于“二代星链”星座的规模非常大，SpaceX在2020年5月向FCC提出申请后，遭遇了众多卫星运营商和研究机构的反对，涉及太空碎片、通信干扰、发射窗口限制等多方面的问题。截至目前，“二代星链”星座仍未得到FCC批准。
Starlink Gen2 工作频段：
相比于第一代系统仅采用Ku、Ka频段而言，Starlink第二代系统将使用Ku、Ka和E频段频谱，如下表3所示。
根据用户利用率和其他因素，系统带宽将被分成多个小信道，而终端或关口站可采用多个信道所聚合成更宽的带宽。
- 对于用户终端：下行链路最大2000 MHz，上行链路最大125 MHz；
- 对于关口站而言：上下行最大均为5000 MHz。
同时，可以在相同的频率上通过左右旋（LHCP/ RHCP）极化实现两个波束，但是在特定情况下，SpaceX只能使用一种极化方式。这提供了操作灵活性，以促进协调和遵守区域和国家/地区特定法规。
3. Starlink Gen2 四类波束
Starlink Gen2低轨卫星根据工作频段和主要用途，可分为Ku、Ka、E及TT&C波束，以下分别介绍。
（1）Ku频段波束
Gen2系统卫星将使用Ku频段于用户链路。对于发射波束而言，在指向星下点的对地视轴上，增益最小，为34 dBi；指向覆盖边缘处增益最大，为44 dBi。对于星座中的绝大多数卫星，用户终端与Starlink卫星进行通信的最小仰角可能低至25度，但对于轨道高度604 km和614 km的卫星而言，最低仰角可能低至5度。使用相控阵的天线发射的波束随着远离视轴而逐渐加宽，也就使得，指向星下点的视轴上的波束形状是圆形的，但当转向远离对地视轴时，椭圆形状会愈加突出。
对于接收波束，当波束从星下点向边缘倾斜时，天线增益会略有下降。结果就是，在星下点G/T最大，为9.5-19.5 dB/K；而在最大倾斜路径时G/T最小，为7.0-17.0 dB/K。
（2）Ka频段波束
Gen2系统卫星将使用Ka频段于用户链路、馈电链路。卫星将使用相控阵天线与用户终端进行通信，并使用抛物面天线与关口站进行通信。在Gen2系统将频谱用于两个链路情况下，SpaceX将使用角间隔进行自我协调，以便位于Ka频段关口站附近的用户将使用Ku频段频谱或其他非同频的Ka频段。
卫星将使用Ka频段天线进行发射，指向星下点处增益最小，为34.5 dBi；卫星覆盖边缘处增益最大，为44.5 dBi。用户终端与Ka频段的Starlink卫星进行通信的最小仰角可以低至25度，关口站也仅与指定的最小仰角以上的卫星通信。一般来说，该角度可以低至25度。但是，在某些情况下会有所例外，以实现更大的覆盖范围。具体而言，对于轨道倾角较大的360 km（倾角96.9 deg）和373 km（倾角75 deg）高度的卫星而言，可支持位于极区内（即纬度超过62度）关口站工作在5度的最小仰角。
对于面向关口站接收波束而言，其G/T将保持恒定在12.9 dB/K到22.9 dB/K，具体取决于天线增益（但与高度和转向角无关）。对于面向用户终端的接收波束而言，随着波束从星下点向边缘倾斜，天线增益会略有下降。结果就是，每个轨道高度的卫星，其在指向星下点的接收波束G/T最大，为12.9-22.9 dB/K；而在指向边缘处的接收波束G/T最小，为10.4-20.4 dB/K。
（3）E频段波束
Gen2系统将仅使用E频段波束与关口站进行通信。当使用E频段用于发射波束时，其最小增益为42 dBi，最大增益为52 dBi。每个E频段馈电波束每次仅单个关口站进行通信，并使用尽可能窄的波束进行优化，以使该链路尽可能在收发波束的中心。
在同一频率上，E频段波束采用不同的极化方式（即RHCP和LHCP）。对于关口站而言，最大可支持与32个卫星建立馈电连接，加上不同的左右旋极化方式，单站可同时完成64个同频的E频段波束。同时，Starlink将调整功率以满足所需的功率通量密度PFD级别。对于接收波束，取决于天线增益（但与高度和转向角无关），G/T将保持恒定，在17.7 dB/K到27.7 dB/K之间。
（4）TT&C波束
Gen2系统使用每个卫星上的全向天线来执行其专用的TT＆C功能，这些全向天线旨在与地球站进行几乎任何姿态的通信。此外，Starlink还可以使用Ka频段和E频段通信链路来执行TT＆C功能。
五、Starlink与5G对比
1. 延时对比
2. 带宽对比
虽然，以Starlink为代表的卫星互联网的应用前景十分宽广，但其服务能力相比地面5G网络仍存在差距。值得一提的是，卫星网络的核心优势是低成本的全球覆盖，而非低延时、大带宽的服务能力。
参考文献：
旨在为数千万中国开发者提供一个无缝且高效的云端环境，以支持学习、使用和贡献开源项目。
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