+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 王大鵬 凌騰(中國(guó)科學(xué)院軟件研究所,天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
SpaceX公司自2014年宣布建設(shè)Starlink(星鏈)星座以來(lái),已發(fā)展成在軌衛(wèi)星數(shù)量最多、發(fā)射頻度最快、技術(shù)最變革的低軌星座系統(tǒng)。2019年10月,SpaceX公司向國(guó)際電信聯(lián)盟ITU報(bào)送了30000顆衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)資料,而后在2020年5月份將更詳細(xì)的申請(qǐng)?zhí)峤恢撩绹?guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)。這一期3萬(wàn)顆衛(wèi)星代號(hào)為Starlink Gen2(Generation2,第二代),在原4409顆星座的Ku、Ka頻段基礎(chǔ)上,增加了E頻段,同時(shí)也考慮采用星間鏈路。本文重點(diǎn)對(duì)Starlink第二代系統(tǒng)進(jìn)行的空間段星座構(gòu)型、衛(wèi)星主要載荷特性、頻率與天線、波束等內(nèi)容進(jìn)行介紹。
據(jù)SpaceX提交至FCC的申請(qǐng)中顯示,本次申請(qǐng)的30000顆衛(wèi)星工作的軌道高度較低,分布在328km~614km共計(jì)75個(gè)軌道面上。表1為Starlink第二代系統(tǒng)的星座構(gòu)型分布。
其空間段的在軌分布如圖1所示。
鑒于該星座中有30000顆衛(wèi)星,設(shè)計(jì)壽命為5年,因此SpaceX可能會(huì)持續(xù)進(jìn)行發(fā)射和離軌活動(dòng)。
Starlink第二代系統(tǒng)將在每個(gè)衛(wèi)星有效載荷上利用先進(jìn)的相控陣波束成形、數(shù)字處理技術(shù),以便高效利用頻譜資源,并與其他天基和地面許可用戶靈活共享頻譜。用戶終端將采用高度定向的可調(diào)向天線波束,以跟蹤系統(tǒng)的衛(wèi)星。對(duì)于關(guān)口站而言,將生成高增益定向波束以與星座內(nèi)多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行通信。值得注意的是,SpaceX正在開發(fā)星間激光鏈路,并期望將其部署在第二代系統(tǒng)上,以提供無(wú)縫的網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)連續(xù)性。
相比于第一代系統(tǒng)僅采用Ku、Ka頻段而言,Starlink第二代系統(tǒng)將使用Ku、Ka和E頻段頻譜,如表2所示。
根據(jù)用戶利用率和其他因素,系統(tǒng)帶寬將被分成多個(gè)小信道,而終端或關(guān)口站可采用多個(gè)信道所聚合成更寬的帶寬。
表1 Starlink Gen2星座空間段分布
●對(duì)于用戶終端:下行鏈路最大2000 MHz,上行鏈路最大125 MHz;
●對(duì)于關(guān)口站而言:上下行最大均為5000MHz。
同時(shí),可以在相同的頻率上通過(guò)左右旋(LHCP/ RHCP)極化實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波束,但是在特定情況下,SpaceX只能使用一種極化方式。這提供了操作靈活性,以促進(jìn)協(xié)調(diào)和遵守區(qū)域和國(guó)家/地區(qū)特定法規(guī)。
第二代系統(tǒng)中的所有衛(wèi)星都經(jīng)過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì),以保證其發(fā)射和接收天線波束均在最小和最大增益的定義范圍內(nèi)。SpaceX將利用這種靈活性,通過(guò)適應(yīng)不同的用戶密度(即人口稠密地區(qū)的高增益波束與農(nóng)村地區(qū)的低增益波束)和不同海拔的服務(wù)來(lái)優(yōu)化面向用戶的寬帶服務(wù)。每個(gè)Starlink第二代系統(tǒng)衛(wèi)星上的所有下行鏈路點(diǎn)波束都可以在其對(duì)地視場(chǎng)中獨(dú)立控制。然而,地球站僅與最小仰角以上的衛(wèi)星通信。圖2為衛(wèi)星對(duì)地視場(chǎng)(半錐角Beta)和站星仰角(El)等參數(shù)的關(guān)系示意圖。
由圖2可知,在保持(用戶地球站及網(wǎng)關(guān)地球站)站星仰角一定數(shù)值情況下,不同軌道高度的衛(wèi)星其對(duì)地視場(chǎng)(半錐角Beta)不同。具體而言,Starlink第二代系統(tǒng)在支持終端仰角25度情況下,各子星座所對(duì)應(yīng)的最大半錐角及覆蓋半徑如表3所示:
SpaceX設(shè)計(jì)了其第二代系統(tǒng),以滿足世界寬帶需求的雙重要求,即一是為農(nóng)村、偏遠(yuǎn)和覆蓋困難的最終用戶提供高速、低延遲的連接,二是為所有地點(diǎn)提供高效、大容量的連接。相比于先前提出11927顆衛(wèi)星的Starlink系統(tǒng)(姑且稱之為第一代),第二代星座的運(yùn)行將在如下方面改善和提升:
圖1 Starlink Gen2星座空間段分布示意圖
第一,容量、頻率可用性和頻率復(fù)用的增加,極大地增加了可以服務(wù)的用戶數(shù)量。
第二,每個(gè)用戶可用帶寬的增加改善了服務(wù)質(zhì)量,為尚未被網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的用戶帶來(lái)了更多的高速、低延遲寬帶,并在可以使用地面替代方案的區(qū)域中注入了更多競(jìng)爭(zhēng)。
第三,大量衛(wèi)星在低軌道LEO上具有可跟蹤的窄點(diǎn)波束,這為優(yōu)化頻譜使用創(chuàng)造了機(jī)會(huì),這將增加與其他GSO和NGSO系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的機(jī)會(huì)。
Starlink第二代系統(tǒng)低軌衛(wèi)星根據(jù)工作頻段和主要用途,可分為Ku、Ka、E及TT&C波束,以下分別介紹。
第二代系統(tǒng)衛(wèi)星將使用Ku頻段于用戶鏈路。
對(duì)于發(fā)射波束而言,在指向星下點(diǎn)的對(duì)地視軸上,增益最小,為34dBi;指向覆蓋邊緣處增益最大,為44dBi。對(duì)于星座中的絕大多數(shù)衛(wèi)星,用戶終端與Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信的最小仰角可能低至25度,但對(duì)于軌道高度604km和614km的衛(wèi)星而言,最低仰角可能低至5度。使用相控陣的天線發(fā)射的波束隨著遠(yuǎn)離視軸而逐漸加寬,也就使得,指向星下點(diǎn)的視軸上的波束形狀是圓形的,但當(dāng)轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離對(duì)地視軸時(shí),橢圓形狀會(huì)愈加突出。
對(duì)于接收波束,當(dāng)波束從星下點(diǎn)向邊緣傾斜時(shí),天線增益會(huì)略有下降。結(jié)果就是,在星下點(diǎn)G/T最大,為9.5~19.5dB/K;而在最大傾斜路徑時(shí)G/T最小,為7.0~17.0dB/K。
第二代系統(tǒng)衛(wèi)星將使用Ka頻段于用戶鏈路、饋電鏈路。
衛(wèi)星將使用相控陣天線與用戶終端進(jìn)行通信,并使用拋物面天線與關(guān)口站進(jìn)行通信。在第二代系統(tǒng)將頻譜用于兩個(gè)鏈路情況下,SpaceX將使用角間隔進(jìn)行自我協(xié)調(diào),以便位于Ka頻段關(guān)口站附近的用戶將使用Ku頻段頻譜或其他非同頻的Ka頻段。
表2 Starlink Gen2系統(tǒng)的頻率
衛(wèi)星將使用Ka頻段天線進(jìn)行發(fā)射,指向星下點(diǎn)處增益最小,為34.5dBi;衛(wèi)星覆蓋邊緣處增益最大,為44.5dBi。用戶終端與Ka頻段的Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信的最小仰角可以低至25度,關(guān)口站也僅與指定的最小仰角以上的衛(wèi)星通信。一般來(lái)說(shuō),該角度可以低至25度。但是,在某些情況下會(huì)有所例外,以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍。具體而言,對(duì)于軌道傾角較大的360km(傾角96.9deg)和373km(傾角75deg)高度的衛(wèi)星而言,可支持位于極區(qū)內(nèi)(即緯度超過(guò)62度)關(guān)口站工作在5度的最小仰角。
對(duì)于面向關(guān)口站接收波束而言,其G/T將保持恒定在12.9dB/K到22.9dB/K,具體取決于天線增益(但與高度和轉(zhuǎn)向角無(wú)關(guān))。對(duì)于面向用戶終端的接收波束而言,隨著波束從星下點(diǎn)向邊緣傾斜,天線增益會(huì)略有下降。結(jié)果就是,每個(gè)軌道高度的衛(wèi)星,其在指向星下點(diǎn)的接收波束G/T最大,為12.9~22.9 dB/K;而在指向邊緣處的接收波束G/T最小,為10.4~20.4dB/K。
第二代系統(tǒng)將僅使用E頻段波束與關(guān)口站進(jìn)行通信。
當(dāng)使用E頻段用于發(fā)射波束時(shí),其最小增益為42dBi,最大增益為52dBi。每個(gè)E頻段饋電波束每次僅單個(gè)關(guān)口站進(jìn)行通信,并使用盡可能窄的波束進(jìn)行優(yōu)化,以使該鏈路盡可能在收發(fā)波束的中心。
在同一頻率上,E頻段波束采用不同的極化方式(即RHCP和LHCP)。對(duì)于關(guān)口站而言,最大可支持與32個(gè)衛(wèi)星建立饋電連接,加上不同的左右旋極化方式,單站可同時(shí)完成64個(gè)同頻的E頻段波束。同時(shí),Starlink將調(diào)整功率以滿足所需的功率通量密度PFD級(jí)別。對(duì)于接收波束,取決于天線增益(但與高度和轉(zhuǎn)向角無(wú)關(guān)),G/T將保持恒定,在17.7dB/K到27.7dB/K之間。
圖2 衛(wèi)星對(duì)地視場(chǎng)與站星仰角等參數(shù)空間關(guān)系示意圖
表3 Starlink Gen2滿足不同站星仰角下所需的對(duì)地視場(chǎng)與覆蓋半徑
第二代系統(tǒng)使用每個(gè)衛(wèi)星上的全向天線來(lái)執(zhí)行其專用的TT&C功能,這些全向天線旨在與地球站進(jìn)行幾乎任何姿態(tài)的通信。此外,Starlink還可以使用Ka頻段和E頻段通信鏈路來(lái)執(zhí)行TT&C功能。
本文重點(diǎn)對(duì)SpaceX公司新提出的Starlink第二代低軌星座系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,包括空間段星座構(gòu)型、衛(wèi)星載荷、工作頻段與波束。相比于第一代近1.2萬(wàn)顆Starlink星座而言,本次3萬(wàn)顆的第二代Starlink系統(tǒng)規(guī)模更大,也將采用星間鏈路。
后續(xù)隨著我們進(jìn)一步的研究與分析,再及時(shí)與大家分享、探討。