Starlink系統(tǒng)分析及對我國衛(wèi)星互聯(lián)網發(fā)展的啟示

1、引言

相對GEO衛(wèi)星通信，低軌衛(wèi)星通信具有以下特點^[1-3]：（1）為提供穩(wěn)定的通信服務，一般采用星座部署，對于Ku、Ka等高頻段系統(tǒng)而言，星座規(guī)模更大。（2）由于低軌衛(wèi)星軌道高度低，星地距離變短，鏈路損耗小、通信時延短，可提升地面終端傳輸能力，也有利于提升應用服務體驗。

2010年后，基于寬帶互聯(lián)網應用推動和商業(yè)航天技術成熟發(fā)展，以Ku、Ka頻段為主的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展迅速。國外先后推出了OneWeb、Starlink、Telesat等系統(tǒng)，定位為提供全球寬帶互聯(lián)網接入服務，被業(yè)界稱為衛(wèi)星互聯(lián)網，其本質是低軌衛(wèi)星通信技術與互聯(lián)網應用結合的產物，其中Starlink的發(fā)展最引人關注的。

Starlink是SpaceX公司2015年提出的一個低軌衛(wèi)星互聯(lián)網系統(tǒng)，目標是完成超萬顆的低軌衛(wèi)星部署，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網接入服務。從2019年5月開始，Starlink星座建設進入快車道，僅2020年就完成近千顆Starlink衛(wèi)星研制生產和14次發(fā)射，實現(xiàn)了衛(wèi)星批量化制造與高頻次發(fā)射；2022年5月，24小時連續(xù)進行2次發(fā)射，將106顆Starlink衛(wèi)星送入太空。地面終端方面，2020年7月，SpaceX公司推出第一代自動跟星的小型化低成本Ku頻段Starlink地面終端，系統(tǒng)進入試運行。Starlink的發(fā)展過程顛覆了人們對傳統(tǒng)衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星通信應用的認識。2022年，Starlink在俄烏沖突中不俗的應用表現(xiàn)，更是成為衛(wèi)星互聯(lián)網關注和研究的熱點。

2、Starlink發(fā)展及系統(tǒng)概況

（1）發(fā)展歷程回顧

2015年，SpaceX公司提出大規(guī)模巨型星座計劃，目標是為美國以及全球的消費者提供高速、低時延寬帶接入服務。2017年9月，SpaceX公司注冊“Starlink”商標。

2018年2月，SpaceX公司將2顆原型試驗衛(wèi)星送入預定軌道，開展演示驗證。

2018年3月、11月，Starlink第一代LEO星座、VLEO星座計劃先后獲得FCC批準，可以在美國開展服務。

2019年，SpaceX公司先后將第一批V0.9版本衛(wèi)星、第一批V1.0版本衛(wèi)星送入預定軌道。開始第一個軌道層（殼層1）部署。

2020年7月，SpaceX公司推出第一代小型化地面終端，在北美地區(qū)啟動系統(tǒng)公測。

圖1 Starlink發(fā)展歷程及關鍵點

2021年，SpaceX公司完成LEO星座第一個軌道層部署，開始正式營運，主要面向固定用戶提供衛(wèi)星互聯(lián)網接入服務。同年，根據(jù)星座規(guī)劃，SpaceX公司基于V1.5版本衛(wèi)星（帶星間激光鏈路）啟動第二個軌道層（殼層4）部署。

2022年5月，在根據(jù)用戶注冊地理位置提供服務的基礎上，面向房車、露營車或其他類型休閑車（RV）的客戶，Starlink系統(tǒng)推出房車版（Starlink for RVs）服務，在Starlink地面終端地理位置發(fā)生變化后，還支持繼續(xù)提供服務。

截止2022年5月底，SpaceX公司對外宣稱已在全球36個國家/地區(qū)可以實現(xiàn)業(yè)務落地，提供互聯(lián)網接入服務，馬斯克聲稱全球擁有超過40萬用戶。并計劃2023年將服務擴展到亞洲、非洲和中東地區(qū)。

圖2 Starlink系統(tǒng)有效服務區(qū)示意

（2）星座規(guī)劃

根據(jù)SpaceX公司提交的網絡資料來看，規(guī)劃了2代Starlink星座，Starlink Gen1和Starlink Gen2^[11]。

Starlink Gen1：2016年11月和2017年3月，SpaceX公司先后向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）提交LEO星座申請、V頻段LEO星座的申請，分別稱為LEO星座和VLEO星座。2018年，F(xiàn)CC先后批準了SpaceX公司的LEO星座、VLEO星座的申請。也稱為Starlink Gen1。

SpaceX公司對Starlink Gen1的LEO星座網絡資料進行3次修訂，涉及軌道高度、軌道傾角、軌道數(shù)量及每軌道衛(wèi)星數(shù)量等參數(shù)，特點是軌道高度更低，分布在540km到560km的4個高度的5個軌道殼層（Orbital Shell）上。截止到2021年5月底，基于V0.9版及V1.0版Starlink衛(wèi)星，SpaceX公司完成550km軌道高度的第一個軌道層部署。2021年9月，基于V1.5版Starlink衛(wèi)星，啟動540km軌道高度的軌道層部署。

表1 Starlink Gen1的LEO星座參數(shù)

2020年5月向FCC提交第二代Starlink星座Starlink Gen2網絡的申請，該網絡資料共計30000顆衛(wèi)星，分布在328km~614km軌道高度的75個軌道面上。

（3）衛(wèi)星迭代演進

從原型試驗星到2022年5月在軌最新的V1.5版本，在3年7個月的時間內，Starlink衛(wèi)星已經完成4次迭代演進。

原型試驗衛(wèi)星（MicroSat2A、2B）采用箱體設計，重量約400kg，配置了Ku頻段相控陣天線載荷，支持開展星地寬帶體制的測試，下行高達1440Mbps，上行高達720Mbps。2顆原型試驗衛(wèi)星（MicroSat2A、2B）于2018年2月發(fā)射。V0.9版衛(wèi)星采用新型平板式結構設計，重量約227kg，搭載1副太陽能電池陣列、4副Ku頻段相控陣天線。總裁兼首席運營官肖特維爾稱，V0.9版Starlink衛(wèi)星非常接近最終設計，但仍然是項目的試驗品，將測試如何將這些衛(wèi)星部署到軌道上。V0.9版衛(wèi)星于2019年5月首次成功發(fā)射。V1.0版衛(wèi)星主要在V0.9版衛(wèi)星的基礎上增加了Ka頻段星地通信能力，每顆衛(wèi)星重量提高到260kg。V1.0版衛(wèi)星于2019年11月首次成功發(fā)射。

V1.5版衛(wèi)星主要在V1.0版衛(wèi)星的基礎上增加了星間激光鏈路載荷，每顆衛(wèi)星重量提高到295kg。該衛(wèi)星將支撐Starlink系統(tǒng)形成空間組網能力，面向Starlink地面終端提供寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網接入服務時，就不必要求Starlink地面終端與地面關口站位于同一衛(wèi)星覆蓋區(qū)內。

2022年6月，馬斯克在參加節(jié)目時透露，SpaceX已生產出第一顆V2.0版衛(wèi)星，衛(wèi)星長約7米、重量約1250kg，V2.0版衛(wèi)星通信能力比V1.0版衛(wèi)星高出10倍。除通信能力提升外，更大的V2.0版衛(wèi)星和空間組網能力，為拓展其他信息服務提供了一個更大基礎平臺。

圖3 Starlink衛(wèi)星迭代演進過程

（4）地面關口站部署及服務范圍

地面關口站也稱為網關站、信關站等，是Starlink地面終端到地面互聯(lián)網接入的核心節(jié)點。典型的Starlink地面關口站工作在Ka頻段，配置8個1.52m口徑天線。Starlink地面關口站中通常部署用于鏈路控制用的地面終端，檢查給定地區(qū)在給定天氣條件下網絡使用何種編碼調制方式。

圖4 Starlink地面關口站

在V1.5版Starlink衛(wèi)星星間鏈路激活之前，Starlink對外提供服務的區(qū)域主要與地面關口站部署位置有關，地面終端必須與地面關口站同時位于Starlink衛(wèi)星覆蓋范圍內才能實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網接入。

圖5 Starlink系統(tǒng)衛(wèi)星互聯(lián)網接入示意

2022年3月，在俄烏沖突期間，馬斯克回應了烏克蘭請求，為其提供了Starlink服務^[9-10]。烏克蘭尚未部署地面關口站，根據(jù)Starlink地面關口站部署和在軌衛(wèi)星情況分析，Starlink主要依托距離烏克蘭最近的立陶宛Kaunas關口站、波蘭Wola Krobowska關口站、土耳其Muallim關口站為烏克蘭提供互聯(lián)網接入服務。按照地面終端仰角工作^[11]，三個關口站基本上可為烏克蘭全境服務。

（5）小型化地面終端設計

2020年7月，SpaceX公司完成第一代圓形相控陣Starlink地面終端研制，工作在Ku頻段，根據(jù)Starlink官網公布信息，一代Starlink地面終端直徑58.9cm，重量7.3kg。

2021年11月，完成2型第二代矩形相控陣Starlink地面終端研制^[12]。其中一型為能力增強地面終端，尺寸為57cm×51cm，重量7.2kg；還有一型小型化地面終端，尺寸為50cm×30cm，重量4.2kg。

從天線射頻到基帶及協(xié)議處理，Starlink地面終端采用了芯片化設計與實現(xiàn)方案，降低了終端整機功耗和生產成本，也實現(xiàn)了小型化，為Starlink系統(tǒng)產業(yè)化及大規(guī)模應用鋪平了道路。

圖6 Starlink地面終端外形圖

相對GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網地面終端的設計與實現(xiàn)需要解決2個難題，一是針對低軌衛(wèi)星高動態(tài)運動特點，Ku頻段地面終端必須具備類似“動中通”的衛(wèi)星跟蹤能力；二是為保證低軌衛(wèi)星運動過程中的連續(xù)服務，地面終端必須具備支持跨星切換的波束指向快速調整能力，為實現(xiàn)切換過程中的業(yè)務連續(xù)性，波束指向調整時間應控制在us量級甚至更低。

圖7 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網地面終端跨星切換示意

Starlink地面終端采用了機械與相控陣電掃結合的波束跟蹤技術，解決了上述2個難題。從公開資料分析，基于機械調整能力，Starlink地面終端開機后可根據(jù)地理位置自動將陣面調整到合適的方位和仰角；基于相控陣天線波束快速指向調整能力，在相控陣陣面電掃覆蓋范圍內，實現(xiàn)對衛(wèi)星的精確指向跟蹤和跨星切換下的波束指向快速調整。

從Starlink地面終端公開使用情況來看，在正常工作狀態(tài)，天線陣面穩(wěn)定在一個方向，主要靠相控陣電掃波束跟蹤對應方向的衛(wèi)星，不需要機械伺服跟蹤。該設計方案充分結合了星座規(guī)模大、衛(wèi)星多的特點，規(guī)避了全空域跟星對天線設計帶來的實現(xiàn)復雜度，在不降低地面終端能力的前提下，降低了Starlink地面終端的重量體積和功耗。可以看出Starlink地面終端低成本設計也與Starlink系統(tǒng)設計密切相關。

3、Starlink系統(tǒng)特點分析

（1）星座規(guī)模巨大，軌道層數(shù)多、衛(wèi)星數(shù)量多

首先星座衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模巨大是高頻段低軌衛(wèi)星互聯(lián)網實現(xiàn)全球服務的客觀要求。Starlink用戶鏈路工作在Ku頻段，頻段高，單波束覆蓋區(qū)域小，要在全球范圍為更多區(qū)域和更多用戶提供服務，需要配置更多的衛(wèi)星。與工作在L頻段Iridium系統(tǒng)對比，工作在Ku頻段Starlink衛(wèi)星單波束的星下點地表覆蓋波束直徑約30km，Iridium星單波束的星下點地表覆蓋波束直徑約400km，單波束地表覆蓋面積不到Iridium星1/100。而且Starlink軌道更低，部署更多衛(wèi)星是其提高服務覆蓋性的必需。

其次系統(tǒng)設計優(yōu)化對衛(wèi)星數(shù)量提出了要求。Starlink衛(wèi)星和地面終端均采用相控陣天線，相控陣天線波束偏離陣面法向的角度越大，掃描損失越大。根據(jù)仿真及實測數(shù)據(jù)，偏離法向60度時損失約6dB。衛(wèi)星數(shù)量增加，可以降低星載相控陣天線和地面終端的波束掃描角度，有利于提高衛(wèi)星及地面終端的相控陣天線功率效率，從而降低天線的功耗及重量。如下圖所示，由于衛(wèi)星數(shù)量的增加，星地鏈路傳輸距離變短，地面終端在高仰角工作，天線增益提升，提高了系統(tǒng)傳輸能力。

圖8 不同衛(wèi)星規(guī)模下的地面終端波束掃描角度對比

第三，星座衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模巨大有利于提高系統(tǒng)彈性抗毀能力。衛(wèi)星數(shù)量多、高動態(tài)運動、全球可達，天然具備彈性抗毀能力；基于Ku點波束和強方向性，更多衛(wèi)星有利于提高干擾規(guī)避的能力。在俄烏沖突期間，沖突地區(qū)附近一些Starlink地面終端被堵塞了幾個小時，Starlink在一天內通過軟件更新繞過了干擾。這可能也得益于Starlink更多的衛(wèi)星數(shù)量，地面終端檢測到干擾后，可快速調整天線陣面方向或波束指向，從當前空域的衛(wèi)星切換到其它空域的衛(wèi)星，規(guī)避干擾信號的堵塞。

圖8 多星覆蓋下的干擾規(guī)避示意

在衛(wèi)星確定和地面區(qū)域確定的情況下，對Starlink系統(tǒng)及類似低軌衛(wèi)星互聯(lián)網上下行鏈路實施信號干擾，從理論上分析來看比較容易實施的，但實際操作存在一定的難度。Starlink系統(tǒng)上下行鏈路均采用較窄的點波束工作，要達到理想的干擾效果，需要獲取地面終端位置、地面終端正在使用的衛(wèi)星、上下行鏈路工作頻段等信息。由于低軌衛(wèi)星高動態(tài)運動特性，這些信息是在不斷變化的，而且變化周期比較短（按照軌道高度計算，基本上3分鐘左右），如果不能近實時獲取有效信息，就需要增加干擾設備的數(shù)量，同時對可視范圍不同方向的衛(wèi)星進行干擾，才能達到一定的干擾效果。

（2）支持星間組網，具備扁平化互聯(lián)組網和跨境互聯(lián)網接入

2021年9月，SpaceX公司基于Starlink的V1.5版本衛(wèi)星開始部署540km高度的軌道層，截止到2022年5月底，已完成50%的衛(wèi)星部署。Starlink的V1.5版本衛(wèi)星配置了星間激光鏈路，部署完畢后，Starlink將具備星間組網能力。

根據(jù)Starlink公開展示的星間組網資料分析，Starlink具備星間組網能力后，將實現(xiàn)不依賴地面關口站的地面終端之間網絡化直接互聯(lián)，達到最佳的訪問延遲與傳輸速率。符合軍事應用對通信網絡彈性抗毀扁平化組網的需求。另外相對地面光纖網絡，星間無線激光傳播速度是有線光纖傳播速度的1.5倍，同樣的傳輸距離，基于衛(wèi)星網絡空間傳輸?shù)臅r延更短。

圖9 基于星間組網的扁平化互聯(lián)組網架構

Starlink具備星間組網后，在全球范圍，可為區(qū)域應急通信提供快速解決方案，不需要考慮本地關口站的部署，有助于業(yè)務快速開通運營和快速占領市場。

圖10 基于星間組網的Starlink互聯(lián)網接入服務架構

（3）系統(tǒng)設計具備全球導航定位的潛在能力

根據(jù)衛(wèi)星導航定位三球交會原理，地面終端同時可見4顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)定位。

根據(jù)表1中Starlink Gen1的LEO星座參數(shù)，在星座部署完成后，全球范圍任意區(qū)域可視衛(wèi)星基本保持在10顆以上，具備導航定位的基礎條件。2021年，美國俄亥俄州立大學研究人員基于6顆Starlink衛(wèi)星信號，主要是利用位置和速度信息，實現(xiàn)7.7米的定位精度。從理論和試驗結果來看，Starlink系統(tǒng)是可以完成導航定位的。

與傳統(tǒng)MEO星座的L頻段衛(wèi)星導航相比，基于Starlink實現(xiàn)導航定位具備較強的抗干擾性能。一是Starlink衛(wèi)星軌道更低，通信信號落地功率要高出2個數(shù)量級；二是通信信號工作在Ku頻段，地面終端工作波束窄，方向性較強。

基于Starlink實現(xiàn)真正的導航定位還要解決地面終端多波束的問題。按照一般衛(wèi)星通信地面終端設計思路，從降低成本和功耗考慮，當前Starlink地面終端應該只需要配置一個接收波束和一個接收通道，指向1顆衛(wèi)星工作。如果導航定位要求同時接收4顆及以上數(shù)量的衛(wèi)星下行信號，針對工作在Ku頻段窄波束的地面終端，就需要配置多個接收波束和多個接收通道。但這樣設計不利于地面終端SWaP（體積重量和功耗）值和成本降低。根據(jù)導航定位對地面終端的配置要求，如果基于Starlink開展導航定位服務，主要應用對象應該是對抗干擾有較高要求的軍方用戶或特種用戶。

圖11 面向導航定位的Starlink地面終端多星接收示意

（4）Starlink系統(tǒng)特點小結

一是星座規(guī)模巨大，軌道層數(shù)多、衛(wèi)星數(shù)量多，有利于提高系統(tǒng)的彈性抗毀能力；二是更低軌道高度結合扁平化互聯(lián)組網能力，可以實現(xiàn)更低的端到端傳輸時延；三是具備終端小型化大帶寬傳輸?shù)哪芰Γ芴峁?00Mbps量級的大帶寬傳輸；四是全球范圍任意區(qū)域可視衛(wèi)星基本保持在10顆以上，具備導航定位的基礎條件。

根據(jù)Starlink系統(tǒng)的特點可以看出，其在扁平化組網、低時延、大帶寬、潛在導航定位能力等方面的突出特點，面向軍事應用的潛力和價值巨大。

4、Starlink發(fā)展的幾點啟示

研究Starlink發(fā)展，并結合在低軌衛(wèi)星通信方面的工作經歷，從構建我國類似低軌衛(wèi)星互聯(lián)網系統(tǒng)的角度出發(fā)，談以下三點啟示。

（1）從技術試驗到完成一個可用系統(tǒng)研制，技術上需要持之以恒，才能守正創(chuàng)新。

研究Starlink發(fā)展可以看出，今天的Starlink并不是一步建成的。從2018年3月的2顆原型試驗衛(wèi)星發(fā)射，到大規(guī)模生產的V0.9版本、V1.0版本衛(wèi)星，經歷了15個月；從無星間激光鏈路的V1.0版本到V1.5版本衛(wèi)星，經歷22個月。地面終端方面，從2顆原型試驗衛(wèi)星在軌試驗開始，到2020年7月完成第一代批量化地面終端，經歷28個月，實現(xiàn)低成本小型化。國內開展低軌通信衛(wèi)星在軌試驗，在時間上并不比Starlink落后，但我們目前還處于試驗階段。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網技術復雜，技術上需要持之以恒，才能守正創(chuàng)新。

（2）面向工程建設，技術路線選擇要與技術基礎相適應。

工程建設是有時間周期約束的，對于衛(wèi)星互聯(lián)網這樣復雜的系統(tǒng)工程，一定要從全局的角度去選擇技術路線^[3-4]，避免短板，影響工程按計劃實施。在當前適應空間環(huán)境的高性能芯片短缺的情況下，對于完全星上處理交換的低軌星座通信系統(tǒng)，要考慮星載處理載荷實現(xiàn)的難度和代價，選擇什么樣的星地鏈路體制就顯得極其重要^[5]。如果技術路線選擇超出我們的技術基礎和基礎能力，將直接影響工程實現(xiàn)的代價、系統(tǒng)研制建設的進度和成敗；特別是有些基礎技術，短時間內并不是總能用錢去解決的。

（3）衛(wèi)星互聯(lián)網設計與研制過程要規(guī)避標準公開帶來的潛在安全風險。

Starlink技術體制保密性做的非常好，目前幾乎見不到Starlink星地鏈路體制、星間組網協(xié)議的公開報道或資料，僅僅說采用專用網絡協(xié)議，支持扁平化低時延端到端互聯(lián)；還有Iridium系統(tǒng)，至今不能搜索到星間組網協(xié)議相關技術文檔。衛(wèi)星通信包括低軌衛(wèi)星互聯(lián)網，有很強的軍民共用基礎設施屬性，相關設計文檔、技術體制規(guī)范等不加控制的擴散，存在被對手實施網絡攻擊的潛在隱患。我國在設計和研制類似系統(tǒng)的過程中，需要重視標準公開可能導致的技術外泄風險，避免系統(tǒng)成為對手輕松攻擊的目標。

5、結束語

近年來，國內發(fā)射低軌通信試驗衛(wèi)星及發(fā)布星座建設規(guī)劃的新聞報道時見網絡和報端，如2014年發(fā)射的靈巧通信試驗衛(wèi)星^[7]、2018年發(fā)射的虹云工程首發(fā)星^[14]、2018年發(fā)射的鴻雁星座首科試驗衛(wèi)星^[8]、2019年發(fā)射的銀河航天首發(fā)星^[6]、2019年發(fā)射的天地一體化信息網絡重大項目組網雙星、2022年5月又有三顆通信試驗衛(wèi)星發(fā)射^[13]等。一方面反映出我國發(fā)展低軌星座或低軌衛(wèi)星互聯(lián)網基本成為共識，必須要發(fā)展；一方面我們也要對衛(wèi)星互聯(lián)網發(fā)展面臨的技術難題有個清醒認識。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網是個復雜的系統(tǒng)工程，需要深厚的技術積累才能逐步突破，國內發(fā)射的單顆或多顆試驗衛(wèi)星僅僅解決了其中的點或面，距離系統(tǒng)建設及規(guī)模化應用還存在諸多技術難題。完成一個可用的衛(wèi)星互聯(lián)網系統(tǒng)研制建設，一是需要統(tǒng)籌利用好國內各方面優(yōu)勢資源，擰成一股繩，形成整體優(yōu)勢；二是項目組織者需要建立清晰的投入和產出機制，激勵各創(chuàng)新主體能夠全心全意的投入。在衛(wèi)星互聯(lián)網研制建設上，去除浮躁、保持科研定力、持之以恒，才能實現(xiàn)量的積累到質的飛躍。

充滿激情的新時代，

充滿挑戰(zhàn)的新疆域，

與踔厲奮發(fā)的引領者，

卓爾不群的企業(yè)家，

一起開拓，

一起體驗，

一起感悟，

共同打造更真品質，

共同實現(xiàn)更高價值，

共同見證商業(yè)航天更大的跨越！

——《衛(wèi)星與網絡》，觀察，記錄，傳播，引領。