一、Starlink PoP NetWork 详解
来自非官方 Starlink 全球网关和 PoP 的众包信息：
https://www.peeringdb.com/net/18747
地面站发现与关键节点分类。基于FCC[25]、Google Map[26]等公开数据，共收集并分析了211个地面站，分布在27个国家。我们将地面站的地理位置映射到地图上，最终得到它们的全球分布，如图5所示。
Fig. 5. Distribution of Starlink Ground Station
我们对Starlink网络的IP地址进行了深入分析，揭示了Starlink网络在自治系统、主机名和网络架构方面的结构和特征。在本文中，我们首先统计了与Starlink相关的IP地址所属的自治系统，发现这些IP地址主要分布在三个自治系统中，即AS14593、AS27277和AS397763。图 AS14593、AS27277、AS397763中主机名的分布。
然后本文对这些IP地址进行反向域名解析得到其主机名，并根据主机名的命名规则对Starlink网络的节点进行分类识别。发现Starlink网络中主要有以下几类节点：
– PoP节点（AS14593）：这是Starlink网络中的重要节点，位于地面站附近，与卫星进行通信，并连接到互联网核心，为Starlink用户提供互联网接入服务，PoP节点还可以与其他PoP节点或MC节点互联，实现网络的互联互通和冗余。AS14593是Starlink网络中最重要的自治系统，其中包含大量的PoP节点和MC节点，这些节点是Starlink提供卫星互联网接入服务和管理网络设备的关键组成部分。在这些节点中，PoP节点的数量明显多于MC节点的数量。在检测结果中，资产占比最高的也是AS14593。
– MC节点（AS397763 ）：这是Starlink网络中的另一个重要节点，负责协调卫星、地球站和用户终端之间的数据传输，以及分配IP地址和子网掩码等。MC节点是Starlink用户接入网络的核心组件。AS397763 有大量与 Starlink 无明显关联的主机名，例如包含 skymall、mail、unisys 等关键字的主机名。这些主机名可能是此自治系统的历史遗留，或计划未来使用的域名。此外，自治系统中还有一定数量的 MC 节点和少量的 PoP 节点，因此推测自治系统尚未被 Starlink 充分利用，可能处于建设或测试阶段。
– CGNAT节点（AS27277）：这是Starlink网络中用于解决IPv4地址耗尽问题，保护用户终端安全的节点。CGNAT节点可以实现私有IP地址与公有IP地址的转换，从而支持双向通信。AS27277主要由CGNAT节点组成，用于解决IPv4地址耗尽问题并保护用户终端安全。此外，该自治系统包含少量邮件服务和特殊节点，可能与Starlink的其他功能有关。
二、Starlink天基卫星星座轨道壳详解
高度范围从地球表面上方 300 公里到大约 1,400 公里的轨道被定义为低地球轨道，并且整合到这些轨道上的卫星被称为 LEO 卫星。较低的高度范围受地球大气层的限制，更准确地说是受地球大气层以上几乎没有空气的高度限制，因此避免了卫星的减速和拖曳。
LEO 卫星相对于地球上的地面站以大约 7.5 公里/秒的速度移动。卫星的轨道周期在 90-110 分钟范围内。卫星与地面站之间的通信持续时间为 5-15 分钟，一天中有 6-8 次。
Starlink星座计划由数千颗小型 LEO 卫星组成，部署在三个外壳（层）中，致力于最大限度地提供面向全球地球覆盖的宽带互联网服务，并与地面站（收发器）结合，组成一颗卫星- 地面综合网络。
到 2020 年 10 月 24 日，SpaceX 确认有 893 颗卫星被安置在低轨道太空中。总共计划在三个轨道壳中部署和组织近 12,000 颗卫星，如下所示（Starlink，2020 年；Starlink 卫星任务，2020 年）。
第一层外壳：550 公里高度的 1,440 颗卫星。
第二层外壳：1,110 公里高度的2,825 颗卫星。
第三层外壳：340 公里高度的7,500 颗卫星。
首批 1,440 颗卫星将由 72 个轨道面组成，每个轨道面有 20 颗卫星，计划到 2024 年完成其他轨道面以提供实时宽带服务。
对于作为专用于全球宽带服务的卫星-地面网络的一部分的LEO卫星星座，从地面观测来看，应实施两类地面站点。
第一类是用户站（用户接入点），带有适当的碟形天线和收发器，用于锁定/解锁与卫星的通信。最初，用户将在 40° 的用户仰角下与卫星通信，但这可能会发生变化。Starlink已向 FCC（联邦通信委员会）提交请求，要求将用户的仰角降低 25° 而不是 40°，以改善接收效果。
第二类是地面站与卫星的运行、控制和维护有关。SpaceX 已向 FCC 申请在美国建立至少 32 个地面站，截至 2020 年 7 月 30 日已批准其中六个（在六个州）。出于这种奉献精神，卫星与三个测试地面站进行通信，以进行持续时间少于 10 分钟的短期实验，每天进行几次。专用于控制和操作的地面站通常与仰角为 10° 的卫星通信。
Starlink半径、速度、轨道周期和每日通过次数
Starlink三个外壳在不同设计仰角下与各自最大距离相关的单向时间延迟
Starlink三个外壳设计的 ( DHPW ) 的垂直平行距离 ( L DPHW ) 与基于等式的理想水平面 ( IHPW ) 相关
Starlink三个外壳的覆盖计算的第一步计算不同高度的天底角和中心角
FCC 和太空探索控股公司，《FCC 申请清单 SATLOA2016111500118》，FCC 国际局选定的申请清单按文件编号报告 WR07，2016年 11 月 15 日
在卫星高度550公里处，仰角达25度的卫星可视区直径约为1900公里，该区面积为2,835,294平方公里
下表计算了在仰角超过 25 度的情况下完全覆盖地球表面卫星可见区域所需的卫星波束数量。用户终端的天线直径取为48cm。
显然，从覆盖最大区域的角度来看，使用从卫星定向的波束，而不是指向最低点（卫星下点），而是指向可见区外围更有效，尽管事实上存在天线的有效面积（及其吞吐量）急剧减少。
现在还可以估计波束数量，从而估计 100% 覆盖任何纬线所需的卫星数量，例如北纬50 度纬线（其长度为 25,740 公里，目前正在进行内测）地方。
仰角略低于40度，波束直径为160公里，覆盖区域的保证宽度（宽度等于波束圆内切正方形的边长）为113.5公里，相当于227从北纬 50 度沿地球周围的整个长度可见的卫星。
北纬53度线之间的地球表面面积为3.004亿平方公里。如果以1个波束的有效覆盖面积为113.5×113.5=12876平方公里，那么需要的波束数量为23330个，而如果一颗卫星有16个波束，则至少需要1458颗卫星才能完整覆盖。覆盖范围，与 Space X 宣布的 StarLink 网络部署第一阶段的 1,584 个数字非常接近。
根据文献，星链星座将以这样的方式运行：一个小区在任何给定时间只被一束波束（单一频带）照射，而不管有多少颗卫星可以覆盖该小区。图 1a 有条件地显示了“一颗”卫星可以覆盖的区域，图 1b 显示了单颗卫星提供的预期小区结构 [7]。
单个单元由发射机方位角和仰角波束宽度定义。使用定制设计的相控阵，3dB 波束宽度保持在每波束 2.50 以下，变化范围在最小 2.150 到最大 2.450。这是通过随着转向角的增加而打开额外的相控阵元件来实现的。
除此之外，图 2 [7] 中可以看到天底处的波束轮廓。轮廓分别在 -2、-4、-6、-10、-15 和 -20 dB 处给出。
在仰角处使用 2.50 波束宽度，在天底处（1110 公里）使用方位角的波束宽度，将产生一个点波束，其覆盖范围在该距离处的直径约为 48 公里。为简单起见，假设所提出的系统在单个单元内运行。
发射信号使用下行链路信号。下行链路信号本身的宽度为 2 GHz，位于 X 波段，频率范围为 10.7 至 12.7 GHz。但是，如果要复制地面蜂窝网络结构，我们可以假设来自单个卫星的不同小区将使用该带宽的一部分。
卫星将创建 7 个波束（如图 1b 所示），每个波束分配相同的带宽（根据已发表的文献，每个小区的带宽接近 250 MHz），从而产生约 0.6 米的准单站距离分辨率。
由540~570km轨道高度上4408 颗卫星组成的LEO星座
由340km轨道高度上7518颗卫星组成的VLEO子星座组成[47]。
对于通信频段为Ku、Ka的LEO子星座而言，用户终端和关口站与卫星 通信的仰角约束为40°，每颗卫星都有3个的接收波束（其中2个可操纵波束，1 个可操纵，可赋形波束）和22个发射波束（其中7个固定波束，12个可操纵波束， 3个可操纵，可赋形波束）；
对于通信频段为Q/V的VLEO子星座而言，用户终端和关口站与卫星通信的仰角约束为35°，每颗卫星均有20个接收波束（4个固定 波束，16个可操纵波束）和16个发射波束（其中8个固定波束，8个可操纵波束） [48]。
关口站通常部署多幅1.5米可操纵，可赋形天线，可以与视线范围内多颗卫星建立链路。用户站形态经历了从矩形到圆形的发展，但是其天线均采用的相控阵天 线，天线法线对准距离最近的卫星轨道面，波束则可以根据卫星空间位置信息实施调整对准指向通信卫星[49]。
[47] “Guidance on the regulatory framework for national spectrum management,” International Telecommunication Union, Geneva, Switzerland, Tech. Rep. ITU-R SM.2093-1, 2010.
[48] 王迪, 骆盛, 毛锦, 等. Starlink 卫星系统技术概要[J]. 航天电子对抗, 2020, 36(5): 51-56.
[49] Osoro O B, Oughton E J. A techno-economic framework for satellite networks applied to low earth orbit constellations: Assessing Starlink, OneWeb and Kuiper[J]. IEEE Access, 2021, 9: 141611-141625.
用户终端
原文始发于微信公众号（太空安全）：Starlink PoP NetWork 详解（更新）
评论