鐘 旻

首先說明，星鏈（Starlink）并非屬于5G的范疇，它是由美國SpaceX公司構建，用以提供衛(wèi)星互聯網絡接入的低軌衛(wèi)星星座系統。在其建立之初即宣稱，它是獨立于5G之外的，但由于它提供的一些服務與5G交集或相似，或者說是互為補充的，故在此講座中進行介紹。

星鏈計劃實施始于2015年1月，旨在以充分的寬帶資源，為高密集城市提供50%的回程通信業(yè)務和10%的局域互聯網業(yè)務。此外，星鏈的出臺還有著重要的軍事應用背景，SpaceX已公開宣稱，美軍將是星鏈系統的重要客戶。美軍特別重視其所具有的應用潛力：可大大增加和補充具有快速響應的寬帶能力；可作為低時延、高精度導航定位手段；可進行全天候無縫隙偵察監(jiān)視；可實施對天基目標的探測和摧毀等。

實際上，20世紀90年代末，就有了以全球星和“銥”星為代表的、實用的低軌星座衛(wèi)星通信系統，其技術達到了很高的水平，但由于種種原因，特別是地面蜂窩移動通信的迅速發(fā)展和普及，令其在市場競爭中落敗。后來，新一代的“銥”星和全球星東山再起，經營有所起色，但仍未能成“大氣候”，原因是多方面的，至少成本和頻率資源不盡人意，是其中的重要因素。

“星鏈”獨辟蹊徑，計劃以極低的成本造出由42，000顆位于340 km–1，300 km高度軌道上的巨型低軌星座。由于衛(wèi)星數量越多制造成本越低，而且發(fā)射時通過一箭多星（60星）和第一級火箭回收再重復使用，使成本大為降低。

經過預研、設計、樣機測試和試驗等先期準備工作后，SpaceX于2019年5月24日，使用“獵鷹”-9號重型火箭以一箭60星方式首發(fā)成功，將衛(wèi)星送到高度為440 km–50 km、傾角為53°的軌道上，這一波衛(wèi)星是作為星座測試用的。此后，又于同年11月至2020年8月，先后10次以同樣方式將數百顆衛(wèi)星射入550 km的低軌軌道，使在軌衛(wèi)星達595顆之多，而這只是剛剛揭開的序幕，預期在軌衛(wèi)星達700多顆后，開始為北美地區(qū)提供互聯網接入服務，并繼續(xù)增加星座衛(wèi)星數上萬，直至覆蓋地球“無死角”，在任何地方對衛(wèi)星的仰角在40°以上。據悉，星鏈星單星容量達20GB/s，首批4，425顆衛(wèi)星升空后，系統吞吐量高達88Tb/s，衛(wèi)星的壽命為5–年。星鏈的系統基本參數如表1所示。

表1 星鏈的系統基本參數[1]

1 空間段[1][3]

1.1 星鏈的星座架構

星鏈星座的構建是計劃分階段進行的，如表 2所示。

表2 星鏈星座的構建和狀況

圖1（a）是第一階段中第一個軌道殼層上的軌道分布二維圖形，殼層均勻配置 72條軌道，每一軌道配置22顆衛(wèi)星，共有 1，584顆衛(wèi)星，軌道高度為 550 km，傾角為 53°。圖 2（b）是三維圖像。相鄰二衛(wèi)星的覆蓋邊界有一定的重疊，以保證覆蓋的連續(xù)性。

圖1（a）星鏈第一個軌道殼層的軌道分布二維圖形圖1（b）衛(wèi)星對地球的覆蓋三維圖像（圖來源：網絡）

當第一、二階段計劃實現后，將加上 340 km和 1，100 km（1，100 km–1，325 km）高這兩層軌道殼層，各采用不同的工作頻帶，下面將進一步說明。

不同高度上的衛(wèi)星對地面覆蓋的面積是不同的，衛(wèi)星所處高度越高覆蓋區(qū)越大。還要注意到，為了保證通信質量，用戶對衛(wèi)星的仰角要足夠高；而用戶越靠近覆蓋邊緣仰角越低，仰角太低將造成來自太空和地面的噪聲增加，降雨影響嚴重（噪聲增加，信號功率衰減），使用戶設備接收系統性能惡化，原則上，工作頻率越高影響越大。Starlink指標要求在覆蓋區(qū)邊緣處用戶終端仰角為 40°（見圖 2），這時上述影響將降至最低。

圖2 星鏈系統中用戶終端的最低仰角要求

經計算，當衛(wèi)星高度為1，150 km時，傳播時延為3.8 ms，衛(wèi)星對地面的覆蓋半徑為1，060 km，覆蓋面積350萬平方千米；而當衛(wèi)星高度為550 km時，傳播時延為1.8 ms，衛(wèi)星對地面的覆蓋半徑為506 km，覆蓋面積64萬平方千米。

1.2 衛(wèi)星

由表1可知，星鏈衛(wèi)星發(fā)射質量為227 kg–260 kg，按分類屬小衛(wèi)星，圖3給出了衛(wèi)星的外觀圖，太陽電池帆板為單板結構，面積12 m2，星體則為矩形盒式，面上一側安有多部天線。

圖3 在軌道上運行的星鏈衛(wèi)星（圖來源：[2]）

圖4 安裝在Starlink星體上的相控陣列天線（圖來源：網絡）

圖4是網絡披露的 Starlink星體的架構，特別醒目的是用作主天線的平板陣列天線，共有 4個方塊，均為相控陣列天線。據悉，星上采用的星間鏈路是利用激光建立的，而饋電鏈路則采用微波或毫米波。

2 地面段

從發(fā)表的公開資料看，Starlink系統地面段是采用典型的架構，即包含了測控和眾多的用戶終端設備，后者不是直接互連，而是通過網關站接入交換網絡。網關站的作用相當于地面蜂窩移動通信中的基站，該基站包括了收發(fā)信臺和控制器，負責移動用戶和網絡之間的無線連接。

關于用戶終端設備，有報導稱，其尺寸與比薩餅盒相當（市面上這種盒子的典型尺寸是25 cm×25 cm），可安裝在能“看到”天空的任何地方，移動的或固定的載體上。圖 5是用戶設備采用的相控陣天線的照片。

圖5 星鏈用戶設備使用的相控陣天線（來源：網絡）

3 使用的頻譜和天線技術[3]

3.1 使用的頻譜

星鏈系統實施的第一階段，在高度為 550 km和 1，100 km的軌道上星座，將采用 Ku和Ka頻段，具體如表 3所示。而到第二階段，將在 340 km的軌道上使用 V頻段（46 GHz–56 GHz）。因此，頻段資源更為豐富，且地面和空間應用還不太廣泛，較易保證本系統和系統間的電磁兼容性。

表3 星鏈系統第一階段使用的頻譜資源

3.2 電磁兼容性

所謂電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其環(huán)境中的任何設備或系統產生無法忍受的電磁干擾的能力。如圖7所示，以衛(wèi)星網絡間的電磁兼容性為例，設二衛(wèi)星網絡使用相同的射頻，在圖 6（a）中，干擾網絡的地球站上行信號對受干擾網絡的衛(wèi)星產生干擾，并轉發(fā)成下行干擾信號；另外，干擾網絡的地球站通過自己的衛(wèi)星轉發(fā)信號時，轉為下行信號中一部分對受干擾網絡的地球站產生干擾。

圖6 衛(wèi)星網絡之間的電磁兼容性模型

圖6（b）是鄰星同頻干擾的情形，通常是通過衛(wèi)星天線旁瓣發(fā)生的，受干擾衛(wèi)星接收到干擾信號后，轉發(fā)給地面受干擾網絡的地球站。

由于GSO與NGSO固定業(yè)務系統的并存，為保證系統間的電磁兼容性，ITU-R對上、下行鏈路的功率通量密度（pfd）給出了明確的規(guī)定。pfd過高，會對其他系統產生不可承受的干擾；pfd過低，系統中的用戶設備（如天線）難以做到小型化，通信質量也難以保證。所謂功率通量密度是指發(fā)射功率（并計入發(fā)射天線增益）在接收點處單位面積上的功率。

就星鏈系統而言，其使用的頻譜已列于表3中，在美國，它是與其他業(yè)務是共享的，且多處于從屬（第二）用戶，如圖7所示。

圖7 星鏈星的頻率計劃和美國聯邦通信委員會（FCC）的頻譜配置

表4是軌高1，110 km的星鏈星用戶鏈路Ku頻段在地球表面上產生的功率通量密度（pfd）；圖8（a）、圖8（b）給出了服務緯度為-55°–55°下行鏈路pfd與用戶仰角關系曲線和ITU要求的比較，表明是符合要求的。

表4 1，110km軌高的星鏈星用戶鏈路Ku頻段在地球表面上產生的fpd

圖8 星鏈星服務緯度為-55°–+55°下行鏈路pfd與用戶仰角關系曲線和ITU要求的比較（圖來源：[3]）

再看網關鏈路，表5是軌高1，110 km的星鏈星網關鏈路Ka頻段在地球表面上產生的功率通量密度（pfd），圖8（c）是服務緯度為-55°–55°下行鏈路pfd與網關站仰角關系曲線和ITU要求的比較，可見，當仰角低于10°時，將超過ITU給出的限制。好在星鏈系統中，用戶和網關站的仰角都在40°以上，是符合ITU的要求的，其備余量約10 dB左右。

表5 1，110 km軌高的星鏈星用戶鏈路Ku頻段在地球表面上產生的fpd

圖8（c）星鏈星服務緯度為-550-+550網關站下行鏈路pfd與網關站仰角關系曲線和ITU要求的比較（圖來源：[3]）

3.3 星鏈系統中的天線技術

為獲得良好的電磁兼容性和覆蓋的靈活性，除滿足pfd的要求外，天線技術無疑是十分關鍵的。據報導，星鏈系統中，星上有效載荷、用戶終端和網關站天線都采用了相控陣天線，并采用一些特有的新技術來改進其性能，成為區(qū)別于其他系統的獨到之處。

用戶鏈路、網關站鏈路的測控鏈路，都需要采用窄波束、方向性強的天線，并對網關站仔細選址，這樣可保持對本系統衛(wèi)星與GSO衛(wèi)星具有足夠的隔離度（如22°左右）；另外，波束指向應該是可控的，以適應星座星位置移動的變化。這樣，相控陣天線便是最佳選擇。推測星鏈系統采用了一種模擬與數字混合的波束成形天線技術，如圖9所示，其基本工作原理在以前的5G講座中已有闡述（見《數字通信世界》2019年第1期）。將相控陣天線加上自適應處理器便可構成自適應天線，相控陣天線和自適應天線在星鏈系統中的一些可能應用如圖10所示。

圖9 模擬與數字混合的波束形成示意圖

圖10 相控陣和自適應天線在星鏈系統中的一些可能應用

（1）衛(wèi)星Ku天線波束寬度的調控：在圖10（a）的應用中，每一蜂窩小區(qū)用一3 dB的單波束覆蓋，即小區(qū)邊緣處于波束功率從峰值下降一半圍線處。在星鏈系統中，用戶下行鏈路采用右旋圓極化（電波傳播中電場矢量末端軌跡沿傳播方向成右手螺旋法則）。從圖9可見，多波束中從中心到邊緣，每個波束的寬度是逐漸展寬的，投射到地面上的“腳印”面積比中心波束的擴大了，也即增加了下行信號功率的散布面，這可能增加對其他系統和其他波束的干擾；而在上行鏈路中，衛(wèi)星會接收到更多的射頻信號，包括來自其他系統的和本系統其他用戶的干擾。為了解決此波束展寬問題，星鏈系統所用相控陣增加了若干可控接通或斷開的陣元。如圖11所示，當衛(wèi)星在離中心視軸23°、32°時，接通附加的陣元，使沿此方向的波束收窄，而在其他指向上斷開這些附加的陣元，結果，衛(wèi)星在0°（視軸方向）至40.46°俯仰范圍內，3 dB波束寬度控制在2.2°–.44°之間。

圖11 調控后天線波束寬度隨指向角度的變化（圖來源：[3]）

（2）衛(wèi)星天線增益的調控：由圖12可見，從星下點（視軸軸向）到覆蓋區(qū)邊緣，衛(wèi)星信號到達地面的路徑不同，衛(wèi)星沿視軸到達地面的距離最短，而到達邊緣的距離最長，因此，需要調節(jié)不同天線指向上的增益，來補償傳播路徑損耗的變化，使地面覆蓋區(qū)內的功率通量密度保持恒定。也即在視軸軸向上的EIRP最小，而指向40.46°的方向上，傳播損耗最大，EIRP也最大。如圖12所示，對天線增益調控的結果，衛(wèi)星發(fā)射的功率通量密度（EIRP[dBW/4 kHz]），從覆蓋區(qū)中心（星下點）到邊緣是逐漸增大的。

對于接收波束，表征衛(wèi)星接收系統靈敏度的天線增益與噪聲溫度比（[G/T]），在視軸方向上為9.8dB/K，在覆蓋邊緣方向上為8.7 dB/K。

（3）網關站天線技術：網關站工作于Ka頻段，在某一段時間內，衛(wèi)星上每一Ka波束與單個網關站相聯系，網關站無需調控其波束寬度，但要求二者波束中心（最強方向）互相對準，因為衛(wèi)星是運動的，因此，網關站天線必須具有跟蹤衛(wèi)星的功能（見圖10（b）），而利用自適應天線技術可實現對衛(wèi)星的自動跟蹤。以圖13所示的自適應天線說明其原理。網關站自適應天線各陣元接收到衛(wèi)星發(fā)出的信標，送到自適應處理器，按一定算法產生控制信號，調整每路的加權系數（含相位和幅度），使天線合成的波束最大方向指向衛(wèi)星，這時輸出的信標功率就為最大，衛(wèi)星運動時，網關站的自適應天線也動態(tài)地調整各路的加權系數，使天線對準衛(wèi)星，并保證兩者波束最大方向對準。

（4）調零天線技術的應用：為了降低星鏈星與GSO和NGSO衛(wèi)星的相互干擾，衛(wèi)星和地球站采用窄波束、強方向性的天線，這樣，接收時外來干擾將只從旁瓣進入；發(fā)射時從旁瓣對其他系統產生干擾。以接收為例，通過自適應處理技術使旁瓣在干擾來向產生零點（參見圖10（c））；發(fā)射時在對其他系統的衛(wèi)星或地面設備的方向上產生旁瓣的零點，避免對其產生干擾。

4 結束語

星鏈系統是一個旨在為全球提供寬帶互聯網接入的巨型低軌星座，其衛(wèi)星運載發(fā)射方式、星座衛(wèi)星數目、大帶寬和所提供的無縫隙、三維空間覆蓋，都是前所沒有的。因為如此，也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如系統的電磁兼容性問題，其系統設計已作了許多分析論證，最終結果如何，還要接受實踐的檢驗。此外，本文未涉及的圍繞全球的巨量衛(wèi)星產生的光學污染（據稱已通過涂覆成為“暗星”），會帶來何種影響？至于星鏈與地面5G關系如何，有無融合的可能？這些都是值得關注的。