StarLink系统概述及通信频率划分

一、Starlink概述

二、Starlink系统组成

1、Starlink星座信息

2、Starlink系统星座轨道信息

三、StarLink通信频率

一、Starlink概述

Starlink 的卫星系统将主要被用于为全球个人用户、商业用户、机构用户、政府和专业用户提供各种宽带和通讯服务。Starlink初期部署 1600 颗卫星上天后，就能提供覆盖全球的宽带服务。一旦完成最终部署（Final Deployment），系统就能为全球消费者和商业用户提供高带宽（最高每用户 1Gbps）、低延时的宽带服务。

高速度：为全球每一个用户提供 1Gbps 的带宽。据 Akamai 发布的《互联网状态》报告称，截至 2015 年底，全球互联网平均速度为每用户 5.1Mbps，只有 SpaceX 目标的 1/200，现在大多数网速较高的互联网服务的网速都是通过地面光缆和光纤连接实现的。

高容量：Starlink卫星系统中的每一颗卫星能够为用户们提供的下行容量总和在 17Gbps ~ 23Gbps 之间，具体数值取决于用户终端配置。以平均值 20Gbps 来计算，首期部署（Initial Deployment）的 160 0颗卫星将能够提供 32Tbps 的总容量。整个系统的部署时间长达数年，SpaceX 将在部署过程中定期改善和升级卫星，有可能进一步提升单颗卫星和整个卫星系统的总容量。

高适应性：整个系统可利用相控阵技术来动态控制资源池，专注于需要容量的用户。卫星之间以激光互连，这样便于在轨道层面灵活规划数据流。而且，卫星集群可以保证频谱能够被不同卫星更高效地再利用，从而增强整个系统的灵活性、容量和牢固性。

宽带服务：系统可以提供最高容量达每用户 1Gbps 的宽带服务。由于系统使用的是低轨道卫星，因此可以将延时控制在 25ms 到 35ms 之间。

全球覆盖：首批 1600 颗卫星部署完成后，系统就能为美国和全球提供宽带连网服务；整个系统全部部署完成后，系统就可以进一步增加容量并覆盖赤道和两极，达到真正的全球覆盖。在申请文件附带的技术信息中，Starlink公司表示，将利用 1600 颗卫星开始商业宽带服务，在全球的覆盖范围是北纬 15 度到 60 度，南纬 15 度到 60 度。阿拉斯加的一些地区将被去除在外，因为那里需要 FCC 临时授权。最终，该网络的卫星数量将增长到 4425 颗，传输频段在 Ku 和 Ka 之间。

低成本：Starlink在设计这个系统时考虑了成本效率和可靠性。从设计和制造位于太空和地面的各种设备，到利用 Starlink的发射服务来发射卫星和部署整个系统，到部署用户终端以及最终用户的收费标准，Starlink都考虑到了成本的因素和服务的可靠性。

易用性：Starlink采用的相控阵用户天线设计对用户所用终端的要求很低，这些终端很容易安装在墙面或屋顶，操作也很简单。这些卫星可以运行 5 到 7 年的时间，然后会在退役后的一年内迅速离轨。

二、Starlink系统组成

1、Starlink星座信息

StarLink 通信卫星重量约为 386kg，发射包络 4m × 1.8m × 1.2m。每颗卫星配备两块太阳能电池阵，每块的面积为 12 m2.

Starlink星地用户链路的性能分析，在结合星载4副相控阵天线、用户终端天线、频率/带宽/传输损耗等因素下，分析了终端的传输速率。在“星链”卫星不断迭代更新过程中，SpaceX已经发展出试验星（Tintin A/B）、V0.9、V1.0、V1.5和V2.0，共计5个版本的“星链”卫星。其中，V0.9、V1.0和V1.5用于“一代星链”星座，V2.0将用于未来的“二代星链”星座。

2、Starlink系统星座轨道信息

将由近地轨道的4425颗卫星和极低地球轨道的7518颗卫星组成。这些轨道可以使SpaceX能够利用最小35度的仰角提供对地球的全面和连续的覆盖。

表2  “一代星链”星座的初始方案（4425颗）

表3  “一代星链”星座的最终方案（4408颗）

表4  “二代星链”星座的初始方案（3万颗）

表5  2021版“二代星链”星座的“构型1”方案（29988颗）

表6  2021版“二代星链”星座的“构型2”方案（29996颗）

Starlink会使用V波段频谱在卫星与用户终端、网关地面站和TT&C设施之间的通信上。

Starlink系统近地轨道组成 （Ku/Ka频段4425颗）

参数	初始布置(1,600个卫星)	最终布置(2,825个卫星)	最终布置(2,825个卫星)	最终布置(2,825个卫星)	最终布置(2,825个卫星)
轨道平面	32	32	8	5	6
每个平面上的卫星数量	50	50	50	75	75
轨道高度	1,150 km	1,110 km	1,130 km	1,275 km	1,325 km
倾角	53°	53.8°	74°	81°	70°

Starlink系统极低地球轨道组成 （Q/V频段7518颗）

每个轨道高度上的卫星个数	2,547	2,478	2,493
轨道高度	345.6 km	340.8 km	335.9 km
倾角	53°	48°	42°

三、StarLink通信频率

Starlink第一期星座频率规划

链接和传输方向	频率范围
下行链路通道 卫星到用户终端或卫星到网关	37.5-42.5 GHz
上行链路通道 用户终端到卫星或网关到卫星	47.2-50.2 GHz 50.4-52.4 GHz
TT&C下行链路信标	37.5-37.75 GHz
TT&C上行链路	47.2 - 47.45 GHz

Starlink第二期星座频率规划

链路类型	传输方向	频率范围/GHz
用户链路	上行链路	12.75 ~13.25/14.0 ~14.5/28.35 ~29.1/29.5 ~30.0
用户链路	下行链路	10.7 ~12.75/17.8 ~18.6/18.8 ~19.3/19.7 ~20.2
馈线链路	上行链路	27.5 ~29.1/29.5 ~30.0/81.0 ~86.0
馈线链路	下行链路	17.8 ~18.6/18.8 ~19.3/71 ~76
TT&C	上行链路	13.85 ~140
TT&C	下行链路	12.15 ~12.25/18.55 ~18.60

表3 Starlink Gen2系统的频率

据SpaceX提交至FCC申请中显示，本次申请的30000颗卫星工作的轨道高度较低，分布在328 km-614 km共计75个轨道面上。表2为Starlink Gen2的星座构型分布：

表2 Starlink Gen2星座空间段分布

其空间段的在轨分布如图5所示：

Ku波段用户波束

每颗SpaceX卫星上的所有Ku波段下行链路光束都是独立可控的，在地球的整个视野范围内独立转向。然而，客户所在地的用户终端只与仰角至少为40度的卫星通信。因此，如下图A.3.1-1所示，在1150公里高度运行的每颗卫星的服务将覆盖约350万平方公里的区域。

相控阵中的天线元件在一定的转向角度下打开和关闭。通过确保无线电能量在所需方向上传输。这种切换有助于减少对其他系统的干扰，确保无线电能量在所需方向上传输。系统的干扰。具体来说，如下图A.3.1-2所示，当角度达到23度时，额外的元件被打开。当角度达到23度时，额外的元件被打开，当角度达到32度时，再次打开。

Ka波段网关波束

与上面讨论的Ku波段用户波束一样，SpaceX卫星上的所有Ka波段网关下行光束都可以在地球的整个视野范围内独立转向。与用户终端一样，网关只与仰角至少为40度的卫星通信。因此，如上所述，每颗卫星都可以由网关支持。

TT&C特性

SpaceX TT&C子系统提供了在发射前和转移轨道操作期间与航天器的通信。

在发射前、转移轨道和站内操作期间，以及在航天器紧急情况下，提供与航天器的通信。

在任务的所有阶段，该子系统使用以下频率：

太空对地球：12.15-12.25 GHz and 18.55-18.6 GHz

地球对太空：13.85-14.0 GHz

TT&C操作不会造成更多的干扰，也不需要比这些频段的普通通信业务更多的保护。

Starlink Gen2低轨卫星根据工作频段

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。

4、参考信息

https://transition.fcc.gov/Daily_Releases/Daily_Business/2018/db0329/FCC-18-38A1.pdf

原文始发于微信公众号（太空安全）：StarLink系统概述及通信频率划分