本文介紹了Starlink星座參數(shù)，含Starlink的星座背景、星座參數(shù)（基礎(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)、波束數(shù)量及覆蓋、相控陣天線工作機(jī)制、下行鏈路預(yù)算與傳輸速率分析、星地鏈路動態(tài)性分析、端到端時延性能分析、網(wǎng)關(guān)容量、傳輸速率及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、海洋服務(wù)詳情介紹等）、Starlink二代星（Starlink Gen2 四類波束等）、Starlink與5G對比等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及指標(biāo)。

Starlink是由SpaceX運(yùn)營的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，為 36 個國家/地區(qū)提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入覆蓋，其目標(biāo)是覆蓋全球。SpaceX 于 2019 年開始發(fā)射 Starlink 衛(wèi)星。

• 截至 2022 年 7 月，Starlink 由 2,700 多顆在低地球軌道(LEO)上量產(chǎn)的小型衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星與指定的地面收發(fā)器進(jìn)行通信。
• 截至 2022 年 2 月，SpaceX 宣布 Starlink 已擁有 250,000 名訂戶， 2022 年 5 月向 FCC 提交的一份文件報告稱其訂戶已超過 400,000 名。
• 截至 2022 年 6 月，Starlink 為超過 500,000 名用戶提供互聯(lián)網(wǎng)訪問。

Starlink的用戶群的數(shù)量發(fā)展如下表所示：

（1）軌道高度： 550 公里
（2）工作頻段： Ku 和 Ka 波段
（3）過頂時間： 4.1分鐘
（4）飛行速度： 7.5km/秒
（5）波束最小半徑： 8km
（6）可視覆蓋范圍： 2774581平方公里
（7）星間鏈路： 早期的衛(wèi)星（2020年以前）是在沒有激光鏈路的情況下發(fā)射的。星間激光鏈路已于 2020 年底成功測試，擬于在二代衛(wèi)星上安裝。

Starlink有4個相控陣天線，每個相控陣天線可生成16個波束，一共是64個波束，具體包含：48個發(fā)波束，16個收波束。單塊相控陣天線直徑約 0.6m，單波束星下點(diǎn)覆蓋半徑約 8km 。

受限于獵鷹9 Block 5火箭整流罩的尺寸（高13.1米，直徑5.2米），再結(jié)合一箭60星的Starlink堆疊方式，估算Starlink單星尺寸厚度在0.3~0.4米左右，長寬尺寸方面一種可行的方案為4米*1.7米，具體長寬數(shù)值可能有所取舍，可如圖1右側(cè)兩圖所示。
結(jié)合Starlink衛(wèi)星長寬大概范圍，我們估算4副相控陣平板天線尺寸大概為0.7米左右，后續(xù)如有更新材料我們再進(jìn)一步核實(shí)。至于此4副天線是否相同，現(xiàn)在看來應(yīng)該可以進(jìn)一步分為3類，其中平板1和平板2相同。至于，哪些是Ku、Ka，哪些是用戶側(cè)、饋電側(cè)，是否區(qū)分點(diǎn)波束、寬波束等疑問，現(xiàn)在尚不能給出定論。

相控陣天線區(qū)別于傳統(tǒng)透鏡或反射鏡等固定天線，可通過數(shù)字域或模擬域的調(diào)幅調(diào)相，實(shí)現(xiàn)更為靈活和精準(zhǔn)的天線輻射模式。根據(jù)用途的不同，可分為：空間分集以對抗衰落，波束成形以匹配業(yè)務(wù)需求，空間復(fù)用以提升傳輸效率等。

在Starlink衛(wèi)星相控陣平板天線中，主要采用波束成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面向單星覆蓋范圍下給指定區(qū)域業(yè)務(wù)提供高增益波束。終端側(cè)圓形平板相控陣天線，通過波束成形技術(shù)產(chǎn)生自動跟蹤接入衛(wèi)星的能力，且在多波束情況下可支持同時與多顆衛(wèi)星連接，為終端在不同星間切換時的無縫通信做保障。

結(jié)合SpaceX公布相控陣天線工作機(jī)理，其使用模式可由如下圖4所示：

對收發(fā)端而言可采用同一套硬件平板結(jié)構(gòu)，而在數(shù)字波束域進(jìn)行不同信號處理。對于發(fā)送而言，可生成最多N個波束，即圖中250-1到250-N所示，此N路信號經(jīng)過相位控制因子、低噪放/功放、M個天線陣子完成收發(fā)。后續(xù)，將結(jié)合陣元排列、波束個數(shù)等做進(jìn)一步分析。

針對Starlink系統(tǒng)用戶鏈路進(jìn)行分析，結(jié)合衛(wèi)星在軌高度、端星仰角、收發(fā)天線增益、接收模式等內(nèi)容，對終端傳輸速率進(jìn)行分析，給出一種終端可達(dá)速率為822.5Mbps的典型示例。

Starlink系統(tǒng)用戶側(cè)傳輸頻率主要采用Ku頻段，衛(wèi)星到終端的下行鏈路10.7-12.7GHz，總可用帶寬2GHz，單載波帶寬250MHz；終端到衛(wèi)星的上行鏈路14.0-14.5GHz，總可用帶寬500MHz，單載波帶寬125MHz。系統(tǒng)下行帶寬2GHz可同時支持最少8個波束，在采用不同極化方式、空間復(fù)用（充分發(fā)揮4副星載相控陣天線優(yōu)勢）等情況下，則又可進(jìn)一步提升可用波束的個數(shù)。上下行總體分析方法一致，不失一般性，后文以用戶鏈路下行為研究分析對象。

對于單終端而言，其最大傳輸速率在單波束信號完全為其服務(wù)時達(dá)到，端星仰角為25度時的傳輸速率為822.5Mbps（也就可以回答為什么僅采用802.11 ac而未做Wifi6的問題了），具體傳輸速率與仰角、鏈路質(zhì)量等有關(guān)。如下給出在紐約當(dāng)?shù)?#xff0c;鏈路可用度99%情況下傳輸速率分析，如下表所示：

Starlink作為低軌LEO星座網(wǎng)絡(luò)，與高軌GEO衛(wèi)星的對地靜止不同，LEO衛(wèi)星的在軌高速運(yùn)動導(dǎo)致了星地鏈路動態(tài)變化、頻繁切換問題。如前所述，Starlink用戶終端采用具備機(jī)械調(diào)整能力的天線，前文中我們也指出此電機(jī)調(diào)整僅用于俯仰面，而終端對衛(wèi)星的星地鏈路跟蹤采用相控陣方案。本節(jié)目的在于分析星地鏈路動態(tài)性，以探究終端所需的跟蹤調(diào)整能力，并對切換等移動性管理進(jìn)行探討。
為實(shí)現(xiàn)端星用戶鏈路間高速傳輸速率需求，終端需對接入衛(wèi)星實(shí)時跟蹤，這使得星地鏈路的空間指向?qū)崟r變化。對地面的用戶終端而言，通常采用方位角、俯仰角來表示對衛(wèi)星的空間指向，方位角定義為自正北順時針旋轉(zhuǎn)的角度，俯仰角定義為自水平面向上旋轉(zhuǎn)的角度。星地用戶鏈路方位角、俯仰角變化快慢如圖5所示：

圖 Starlink星座紐約當(dāng)?shù)亟K端的用戶鏈路動態(tài)變化率（左圖方位角、右圖俯仰角）

由圖5可知，終端對Starlink衛(wèi)星的跟蹤隨時間變化，且方位角變化率要遠(yuǎn)大于俯仰角，這主要是由于Starlink星座采用了53度傾斜軌道而導(dǎo)致。對終端而言，衛(wèi)星更多表現(xiàn)為自西向東（或自東向西）的運(yùn)動，相比而言俯仰角要小得多。方位角變化率最大為6.8 deg/s，也就是需要終端天線波束指向的動態(tài)跟蹤能力支持6.8 deg/s。

在討論完終端對星的跟蹤后，一個重要的問題來了，什么問題呢？就是終端需要在不同星間切換的問題。

由于終端頭頂?shù)腟tarlink衛(wèi)星可能不止1顆，且所有頭頂?shù)男l(wèi)星均在高速運(yùn)動，這就使得星地頻繁切換。至于端星如何切換，不同策略下對系統(tǒng)性能和復(fù)雜度均有不同側(cè)重。如：終端始終與頭頂處最大仰角的衛(wèi)星連接，優(yōu)點(diǎn)是信號質(zhì)量好傳輸速率高，缺點(diǎn)是過于頻繁地星間切換；終端始終保持一個衛(wèi)星連接直到不可用時再切換，優(yōu)點(diǎn)是最小化切換頻率，缺點(diǎn)則是信號質(zhì)量較差可能影響傳輸速率。
在終端采用最佳仰角接入策略下，終端與Starlink衛(wèi)星的切換較頻繁。結(jié)合當(dāng)前在軌538顆Starlink衛(wèi)星分布（數(shù)據(jù)參考時間：2020.07.18-2000），位于紐約處的終端對Starlink衛(wèi)星接入與切換如下圖6所示：

圖 Starlink星座當(dāng)前在軌衛(wèi)星對紐約當(dāng)?shù)亟K端的服務(wù)情況（終端最佳仰角接入）

由圖6可看出，當(dāng)前Starlink衛(wèi)星對紐約當(dāng)?shù)亟K端的接入服務(wù)僅能做到97.64%，尚未實(shí)現(xiàn)100%覆蓋；單星對終端的平均服務(wù)時長為113 s，也意味著平均不到2 min就要切換至一顆新的衛(wèi)星。中間的兩張圖分別為方位角俯仰角的變化，可看出在切換過程中會發(fā)生較大的空間指向變化。最底的圖為終端對接入星的空間指向變化情況，在同一衛(wèi)星服務(wù)期間空間指向變化很小，而在切換的時刻將發(fā)生非常大的空間指向變化，如空間上指向需支持近130 deg的調(diào)整。

作為對比，進(jìn)一步分析最大接入時長策略下的切換性能。如下圖所示：

圖 Starlink星座當(dāng)前在軌衛(wèi)星對紐約當(dāng)?shù)亟K端的服務(wù)情況（終端最大接入時長）

由上圖可看出，在采用最大接入時長情況下，單星對終端的平均服務(wù)時長為169 s，也意味著平均3 min左右要切換至一顆新的衛(wèi)星。與最佳仰角接入/切換策略相比，可大幅降低切換的頻繁程度，切換次數(shù)可降低33%。然而，終端與衛(wèi)星的仰角要小于最佳仰角策略時的值。

進(jìn)一步，以第一階段1584顆Starlink衛(wèi)星為分析場景。在最大仰角接入策略下，由于空間段衛(wèi)星數(shù)量的增大，可能不足1s就要發(fā)生切換；平均也是不足1 min（具體為58 s）就要發(fā)生切換。盡管此策略可提供最佳的傳輸質(zhì)量，然而切換過于頻繁，并非是較優(yōu)的策略。況且SpaceX最終的目標(biāo)是部署近42000顆衛(wèi)星，如果僅采用最佳仰角接入策略，可能幾十個毫秒就要發(fā)生端星切換，這是很難接受的。該1584衛(wèi)星場景及最佳仰角策略下的仿真結(jié)果如圖8所示：

圖 Starlink星座第一階段1584衛(wèi)星對紐約當(dāng)?shù)亟K端的服務(wù)情況（終端最佳仰角接入）

仍以第一階段1584顆Starlink衛(wèi)星為分析場景，在終端最大接入時長策略下，則可顯著降低切換頻繁程度。由原先平均不到1 min的切換頻度，增加到平均3min才發(fā)生一次切換。具體如下圖所示：

圖 Starlink星座第一階段1584衛(wèi)星對紐約當(dāng)?shù)亟K端的服務(wù)情況終端最大接入時長

以Starlink星地鏈路為分析研究對象，通主要可得出如下四點(diǎn)結(jié)論：
（1）分析Starlink衛(wèi)星、用戶終端硬件結(jié)構(gòu)及天線，星載相控陣平板天線在0.7*0.7米左右，終端相控陣圓形平板天線直徑0.48米左右，終端電機(jī)調(diào)整能力僅用于單維（俯仰面）的調(diào)整。
（2）結(jié)合Starlink星地用戶鏈路頻率、帶寬、傳輸損耗、物理層DVB-S2X協(xié)議等因素，分析了單終端的傳輸速率；以紐約當(dāng)?shù)亟K端為例，在系統(tǒng)可用度99%情況下，終端速率為822.5 Mbps，猜測該因素也是用戶終端Wifi側(cè)采用866.7 Mbps傳輸速率的主要原因。
（3）Starlink星地用戶鏈路的動態(tài)特性及切換機(jī)制，當(dāng)前在軌538顆衛(wèi)星在最佳仰角和最大接入時長情況下，平均每2min、3min便需發(fā)生切換；而第一階段1584衛(wèi)星場景下，最佳仰角接入策略則變?yōu)椴坏?min便需切換，最大接入時長仍為3min左右。
（4）Starlink星地用戶鏈路的頻繁切換，需終端對衛(wèi)星具備快速跟蹤調(diào)整能力。一個較理想的方式為終端具備不少于2個波束，可同時跟蹤對準(zhǔn)不同衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)頻繁切換下的無縫通信服務(wù)。
（4）星地鏈路傳輸速率分析時是基于ETSI DVB-S2X物理層協(xié)議，而衛(wèi)星5G融合趨勢下，開展適用于星地鏈路的OFDM或其他波形、調(diào)制編碼等物理層協(xié)議研究，是下一步工作重點(diǎn)。
（5）接入與切換考慮了接入星仰角和可服務(wù)時長，而切換過程中的信令交互、鑒權(quán)等機(jī)制如何去做，是下一步的研究重點(diǎn)。

（1）理想情況下的端到端時延

通過地球同步衛(wèi)星的互聯(lián)網(wǎng)流量的最小理論往返延遲至少為 477 毫秒（between user and ground gateway），但實(shí)際上，現(xiàn)有GEO衛(wèi)星的延遲為 600 毫秒或更多。Starlink 衛(wèi)星在地球靜止軌道高度的1 ? 105至1 ? 30處運(yùn)行，因此，最小理論往返延時約 14 ms ，但實(shí)測最小延時約 25 ms 至 35 ms（說明：“25 ms 至 35 ms” 的數(shù)據(jù)摘自維基百科，圖中所畫的 14 ms 不包含地面站中轉(zhuǎn)耗時），該時延與現(xiàn)有的電纜和光纖網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)。該系統(tǒng)將使用聲稱“比IPv6更簡單”的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議，它還將在本地包含端到端加密。

（2）紐約到西雅圖的端到端時延

端到端時延分析場景及方法與前述文章中基本一致，仍以紐約到西雅圖的端到端為場景。以下為端到端時延性能分析結(jié)果：

Starlink當(dāng)前在軌衛(wèi)星提供端到端往返時延RTT分析

由圖4可看出，對于紐約到西雅圖之間的通信時間占比為98%，而僅有2%時間內(nèi)沒有可達(dá)鏈路，端到端RTT平均為39.86 ms。同時，將本次結(jié)果與先前歷史分析結(jié)果進(jìn)行對比如表所示.

對端到端時延而言，由三個月前的51.8ms降到了39.9ms，可通信時間占比也由59%提升至98%，已非常接近可提供正常服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)保障能力了。同時，與地面大圓距離對應(yīng)的光纖時延對比，也基本相當(dāng)（相差僅7%）。

連接到網(wǎng)關(guān)時，兩個 Ka 波段拋物面天線組合起來可提供約 20 Gbps 的吞吐量。 每個網(wǎng)關(guān)天線最多可提供 4 個 500 MHz 上行通道（總共 2 GHz），以及 5 個 250 MHz 下行通道（總共 1.25 GHz）。下圖為 Starlink 典型的網(wǎng)關(guān)天線：

• 地面普通用戶： 2020年10月，SpaceX在美國推出了一項(xiàng)名為“Better Than Nothing Beta”的付費(fèi)測試服務(wù)，購買用戶終端需499美元，且每個月的服務(wù)費(fèi)需110美元，預(yù)計服務(wù)“50 Mbps至150 Mbps，延遲從20 ms至40 ms以上”。從 2021 年 1 月起，付費(fèi)測試服務(wù)擴(kuò)展到其他大陸，首先是英國。
• 地面高性能用戶： SpaceX 宣布了Starlink Business，這是該服務(wù)的更高性能版本。它提供更大的高性能天線，列出的速度在 150 Mbps 到 500 Mbps 之間，天線成本為 2500 美元，每月服務(wù)費(fèi)為 500 美元。
• 海上用戶： 此外，馬斯克旗下SpaceX正式推出了全新的移動服務(wù)Starlink Maritime，為全球船舶提供星鏈（Starlink）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。SpaceX表示，包括商船、海上鉆井平臺、游艇都可以用Starlink Maritime。根據(jù)SpaceX的說法，海洋版衛(wèi)星終端機(jī)官方售價10000美元，內(nèi)含兩支高功率天線。月費(fèi)要價5000美元。在開通了該業(yè)務(wù)后，用戶可以享受最高350Mbps的下載速度，并且所安裝的天線還能在遇到惡劣天氣的情況下，依舊保持穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸。另外，Starlink Maritime 事實(shí)上暫時無法真正做到全球海洋覆蓋，而是僅限美國本土（不包括阿拉斯加）近海、歐洲（不包括挪威、瑞典、芬蘭）近海、澳洲南部近海、新西蘭近海及巴西的近海，這應(yīng)該是因?yàn)槟壳?Starlink 的運(yùn)作模式其實(shí)是在終端機(jī)與地面接收站之間轉(zhuǎn)送資料，因此離岸太遠(yuǎn)，超出地面接收站的范圍，就無法使用。Starlink 預(yù)計在 2022 年第四季和明年都會持續(xù)擴(kuò)大 Starlink Maritime 的覆蓋服務(wù)范圍。

如上圖為Starlink官網(wǎng)公開顯示的Starlink海上服務(wù)范圍，淺色為已覆蓋的區(qū)域，深色為2022年底甚至今后更久將要提供的服務(wù)區(qū)域。目前Starlink公開提供海上連線服務(wù)的海域范圍僅限于，北美、歐洲、澳洲及南美地區(qū)的海岸及海域，上述區(qū)域已經(jīng)可以使用Starlink海上服務(wù)，其他地區(qū)要等到今年第4季或更久之后才會提供服務(wù)。除了海上外，Starlink也開始提供機(jī)上連線的服務(wù)，與多家美國的航空公司合作。累計至今，Starlink發(fā)射2790顆低軌衛(wèi)星，提供信號給36個國家。希望在5年內(nèi)網(wǎng)絡(luò)范圍可以遍布全球。

2019 年 5 月發(fā)射的 60 顆星鏈 v0.9 衛(wèi)星具有以下特點(diǎn)：

具有多個高通量天線和單個太陽能陣列的平板設(shè)計
質(zhì)量：227 公斤（500 磅）
使用氪作為反應(yīng)質(zhì)量的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，用于在軌位置調(diào)整、高度維持和脫軌
用于精確定位的星軌導(dǎo)航系統(tǒng)
能夠使用國防部提供的碎片數(shù)據(jù)自主避免碰撞
海拔 550 公里（340 英里）
“這種設(shè)計的所有組件中的 95% 將在每顆衛(wèi)星生命周期結(jié)束時迅速在地球大氣層中燃燒”。

自 2019 年 11 月發(fā)射的 Starlink v1.0 衛(wèi)星具有以下附加特性：

在每顆衛(wèi)星壽命結(jié)束時，這種設(shè)計的所有組件 100% 將在地球大氣層中完全消亡或燃燒。
增加了K a波段
質(zhì)量：260 公斤（570 磅）
其中一個編號為 1130 的名為 DarkSat 的衛(wèi)星使用特殊涂層降低了反照率，但由于熱問題和紅外反射率，該方法被放棄了。
自 2020 年 8 月第九次發(fā)射以來發(fā)射的所有衛(wèi)星都有遮陽板，以阻擋陽光從衛(wèi)星的某些部分反射，以進(jìn)一步降低其反照率。

自 2021 年 1 月 24 日發(fā)射的 Starlink v1.5 衛(wèi)星具有以下附加特性：

用于衛(wèi)星間通信的激光器
質(zhì)量：~295 千克（650 磅）
從 2021 年 9 月起發(fā)射的衛(wèi)星上移除了擋住陽光的遮陽板。

SpaceX 正準(zhǔn)備在 2021 年初之前生產(chǎn) Starlink v2.0 衛(wèi)星。 Starlink v2.0 衛(wèi)星在通信帶寬方面將“比 v1.0 能力強(qiáng)幾乎一個數(shù)量級” 。SpaceX 希望在 2022 年開始發(fā)射 Starlink v2.0。但是，它們需要在Starship上發(fā)射，因?yàn)樗鼈兲蠖鵁o法裝入Falcon 9整流罩內(nèi)。 Starlink v2.0 比 Starlink v1 衛(wèi)星更大更重。
用于衛(wèi)星間通信的激光器
質(zhì)量：~1,250 千克（2,760 磅）
長度：~7 m (23 ft) [224]
進(jìn)一步改進(jìn)以降低其亮度，包括使用介電鏡膜。

“星鏈”V2.0衛(wèi)星是實(shí)現(xiàn)“二代星鏈”星座的基礎(chǔ)。根據(jù)馬斯克在5月接受采訪時透露的信息，SpaceX已經(jīng)完成至少1顆“星鏈”V2.0衛(wèi)星的原型機(jī)，而“星鏈”V2.0衛(wèi)星的主要參數(shù)包括：

• 長度達(dá)到7米（比V1.0和V1.5的3.2米增加1倍多）
• 質(zhì)量達(dá)到1.25噸（是V1.0的5倍）
• 性能提升10倍（馬斯克對于性能提升10倍含糊其辭，沒有明確指出是通信帶寬相比V1.0的18Gbps提升10倍）

在“一代星鏈”星座取得成功的情況，SpaceX公司之所以要發(fā)展更為激進(jìn)的“二代星鏈”星座，并研制性能更強(qiáng)大的“星鏈”V2.0衛(wèi)星，主要包括以下幾個方面的原因：

• 需求在持續(xù)增加。“星鏈”用戶數(shù)量從2022年1月的14.5萬[7]增加到2022年3月的25萬[8]，再到2022年5月45萬[9]，用戶增長速度非?？?#xff0c;“一代星鏈”星座的容量上限很可能難以滿足未來快速增長的需求。在軍事需求方面，包括美國空軍、陸軍和太空軍都非?？粗亍靶擎湣表?xiàng)目并采購了“星鏈”服務(wù)，太空軍還將“跟蹤層”衛(wèi)星研制合同授予SpaceX，未來還可能產(chǎn)生其他軍事需求（例如：搭載軍事載荷），因此質(zhì)量更大和性能更高的衛(wèi)星也是實(shí)現(xiàn)更大軍事潛力的前提。
• 超重-星艦項(xiàng)目進(jìn)展速度很快，投入使用后，發(fā)射能力將大幅提升，能夠?yàn)椤靶擎湣盫2.0提供快速（單次完成1個軌道面部署）、大批量（單次發(fā)射110-120顆）和高頻率（快速重復(fù)使用）的發(fā)射機(jī)會。同時，超重-星艦運(yùn)載能力高（近地軌道運(yùn)載能力最大150噸）、有效載荷空間大（1100立方米），為設(shè)計質(zhì)量尺寸更大和性能更高的“星鏈”衛(wèi)星提供了可能性。
• SpaceX還在積極爭取傳統(tǒng)電信運(yùn)營商和衛(wèi)星運(yùn)營商的語音通信、應(yīng)急通信[10]、電視廣播等業(yè)務(wù)[11]，而更大的“星鏈”V2.0衛(wèi)星顯然也能夠進(jìn)一步提高上述發(fā)展?jié)摿Α?/li>

2019年，媒體報道SpaceX通過FCC向國際電聯(lián)（ITU）申請總數(shù)量達(dá)到3萬顆衛(wèi)星的更大規(guī)模的低軌星座所需的頻譜資源[4]。2020年5月，SpaceX正式向FCC提交“二代星鏈”星座（Gen2）的申請，總數(shù)為3萬顆，詳見表4。

表4 “二代星鏈”星座的初始方案（3萬顆）

其空間段的在軌分布如下圖所示：

圖 Starlink Gen2星座空間段分布示意圖

2021年8月，SpaceX針對“二代星鏈”星座的申請進(jìn)行補(bǔ)充修正，提出用超重-星艦部署的“構(gòu)型1”方案和用法爾肯9部署的“構(gòu)型2”方案，分別見表5和表6。相比2020年的初始方案，SpaceX不是將大量衛(wèi)星集中到一個軌道面上，而是分散到不同的軌道面，使衛(wèi)星分布更均勻，另外還大幅增加了太陽同步軌道上的衛(wèi)星部署數(shù)量。SpaceX稱修改“二代星鏈”方案主要是為了提升網(wǎng)絡(luò)的均勻一致性，并提升網(wǎng)絡(luò)對極地地區(qū)的覆蓋，滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)和軍方用戶需求。

表5 2021版“二代星鏈”星座的“構(gòu)型1”方案（29988顆） 表6 2021版“二代星鏈”星座的“構(gòu)型2”方案（29996顆）

不過，由于“二代星鏈”星座的規(guī)模非常大，SpaceX在2020年5月向FCC提出申請后，遭遇了眾多衛(wèi)星運(yùn)營商和研究機(jī)構(gòu)的反對，涉及太空碎片、通信干擾、發(fā)射窗口限制等多方面的問題。截至目前，“二代星鏈”星座仍未得到FCC批準(zhǔn)。

Starlink Gen2 工作頻段：

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，如下表3所示。

Starlink Gen2系統(tǒng)的頻率

根據(jù)用戶利用率和其他因素，系統(tǒng)帶寬將被分成多個小信道，而終端或關(guān)口站可采用多個信道所聚合成更寬的帶寬。

• 對于用戶終端：下行鏈路最大2000 MHz，上行鏈路最大125 MHz；
• 對于關(guān)口站而言：上下行最大均為5000 MHz。

同時，可以在相同的頻率上通過左右旋（LHCP/ RHCP）極化實(shí)現(xiàn)兩個波束，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)域和國家/地區(qū)特定法規(guī)。

Starlink Gen2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。

（1）Ku頻段波束

Gen2系統(tǒng)衛(wèi)星將使用Ku頻段于用戶鏈路。對于發(fā)射波束而言，在指向星下點(diǎn)的對地視軸上，增益最小，為34 dBi；指向覆蓋邊緣處增益最大，為44 dBi。對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，但對于軌道高度604 km和614 km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)離對地視軸時，橢圓形狀會愈加突出。
對于接收波束，當(dāng)波束從星下點(diǎn)向邊緣傾斜時，天線增益會略有下降。結(jié)果就是，在星下點(diǎn)G/T最大，為9.5-19.5 dB/K；而在最大傾斜路徑時G/T最小，為7.0-17.0 dB/K。

（2）Ka頻段波束

Gen2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Gen2系統(tǒng)將頻譜用于兩個鏈路情況下，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。

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34.5 dBi；衛(wèi)星覆蓋邊緣處增益最大，為44.5 dBi。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。一般來說，該角度可以低至25度。但是，在某些情況下會有所例外，以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍。具體而言，對于軌道傾角較大的360 km（傾角96.9 deg）和373 km（傾角75 deg）高度的衛(wèi)星而言，可支持位于極區(qū)內(nèi)（即緯度超過62度）關(guān)口站工作在5度的最小仰角。

對于面向關(guān)口站接收波束而言，其G/T將保持恒定在12.9 dB/K到22.9 dB/K，具體取決于天線增益（但與高度和轉(zhuǎn)向角無關(guān)）。對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，天線增益會略有下降。結(jié)果就是，每個軌道高度的衛(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10.4-20.4 dB/K。

（3）E頻段波束

Gen2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，其最小增益為42 dBi，最大增益為52 dBi。每個E頻段饋電波束每次僅單個關(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）。對于關(guān)口站而言，最大可支持與32個衛(wèi)星建立饋電連接，加上不同的左右旋極化方式，單站可同時完成64個同頻的E頻段波束。同時，Starlink將調(diào)整功率以滿足所需的功率通量密度PFD級別。對于接收波束，取決于天線增益（但與高度和轉(zhuǎn)向角無關(guān)），G/T將保持恒定，在17.7 dB/K到27.7 dB/K之間。

（4）TT&C波束

Gen2系統(tǒng)使用每個衛(wèi)星上的全向天線來執(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頻段通信鏈路來執(zhí)行TT＆C功能。

雖然，以Starlink為代表的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景十分寬廣，但其服務(wù)能力相比地面5G網(wǎng)絡(luò)仍存在差距。值得一提的是，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的核心優(yōu)勢是低成本的全球覆蓋，而非低延時、大帶寬的服務(wù)能力。

1. Starlink-Wikipedia
2. 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)真能替代5G？
3. Modeling Starlink capacity
4. SPACEX-RAYING STARLINK DEVELOPMENTS
5. SpaceX non-geostationary satellite system—Attachment A: Technical information to supplement schedule S
6. 星鏈Starlink二代星與星盾簡介