通信卫星行业专题报告：星链（Starlink），引领卫星互联网革命
2024-01-25 16:01
发布于：广东省
今天分享的是通信行业卫星专题研究报告：《星链（Starlink），引领卫星互联网革命》。
精选报告来源：幻影智库星链(Starlink)是全球规模最大的卫星互联网星座
星链（Starlink）是SpaceX推出的一项通过近地轨道卫星群，提供覆盖全球的高速互联网接入服务。星链虽然不是最早进入近地轨道宽带互 联网领域，但却是迄今为止成功发射卫星最多最快、获得落地批准国家最多、用户数量规模最大、全球影响力最高的卫星星座。
SpaceX于2015年提出了大规模巨型星座计划，目标是为美国以及全球的消费者提供高速、低时延宽带接入服务。2018年星链2颗原型实验星 送入预定轨道，同年3月、11月，星链第一代LEO星座计划和VLEO星座计划先后获得美国FCC批准。2019年，星链第一批v0.9卫星发射进入预 定轨道，开启星座建设；2020年开始于北美启动公测服务，2022年10月进入亚洲，2023年1月进入非洲。截止2023年12月，SpaceX公司已在 全球超65个国家/地区可以实现业务落地，并计划2023年之后提供全球手机服务。2023年星链共发射了63次共1984颗卫星，并首次推出了新 版本的星链卫星Starlink v2 Mini。
星链技术特点：相控阵天线、星间激光、离子推进器
星链卫星设计紧凑、重量轻，每颗卫星都采用紧凑的平板设计，最大限度地减少了体积，充分利用SpaceX猎鹰9火箭的发射能力。此外使用相 控阵天线技术，配置 4 个强大的相控阵天线和 2 个抛物面天线来提供更大的容量。采用光学空间激光器（ISL），使得卫星能够在没有本地 地 面站的情况下传输数据，从而提供真正的全球覆盖。由氪提供动力的高效离子推进器使星链卫星能够进行轨道上升、在太空中机动以及脱 离轨道，并推出氩霍尔推进器相比氪气体成本更低。采用单个太阳能电池阵列，大大简化了系统。
低轨卫星与地面构成空天地一体网络架构，相控阵技术是核心
典型的低轨星座系统包括空间段、用户段和地面段3个部分:
空间段由低轨卫星和星间链路组成，形成空间传输主干网络。卫星在空间中均匀排布，普遍采用均匀对称的星座构型。卫星作为空间网 络的接入节点，起到天基移动基站的功能。卫星间可建立微波或激光星间链路，实现数据包中继转发。
用户段包括各类用户终端、综合信息服务平台以及业务支撑系统等。由于功率限制，目前低轨宽带通信必须采用固定终端（如Starlink 地面天线+路由器）的形式建立局域网络以用于家庭接入；移动卫星终端主要用于卫星通话，远期集成于消费端应用或成为趋势。
地面段包括信关站、综合运控管理系统以及连接地面核心网的基础设施。信关站起到连接卫星网络和地面网络的网关功能。综合运控管 理系统包括网络、星座、数据、运营、数据等管理系统以及卫星测控站等，对全网进行综合管理和监控。
星链（约550km高度）覆盖面积约100万平方公里
在LEO星座中，卫星在550km左右的高度上运行，倾斜度在53°~97.6°之间，将 具有相对较大的覆盖范围，其窄点波束覆盖了约103万平方千米的相对较宽的服 务区域。VLEO星座运行高度约为LEO星座高度的2/3，其卫星使用的点波束覆盖 范围约为LEO星座波束面积的1/2。根据NSR分析，星链一代星的高度明显比OneWeb和Telesat的一代星更低，和亚 马逊Kuiper星座的高度相近，在覆盖视图上也有一定重叠。星链一代星（壳层1 部署550km高度）的卫星过顶终端切换时间约4分钟，一小时内固定位置过顶卫 星切换约14.52次。飞行速度大约每秒7.5公里，一颗卫星绕地球一圈约90分钟。
星链业务往返时延约40ms，跨区域网络通信优势明显
星链通过大规模组网保障覆盖有效性
多轨道面组网，通过频段错位形成多层覆盖，可提升网络容量。系统将不同轨道高度的卫星与可操纵的窄点波束相结合，可优化频谱使用。 系统可以将非“串连”卫星的波束定向到“串连”区域以提供服务，在满足服务需求的同时也防止了卫星容量闲置。卫星规模组网，覆盖效率提升。卫星数量增加，可以降低星载相控阵天线和地面终端的波束扫描角度，有利于提高卫星及地面终端的相控阵 天线功率效率，从而降低天线的功耗及重量。如下图所示，由于卫星数量的增加，星地链路传输距离变短，地面终端在高仰角工作，天线增 益提升，提高了系统传输能力。
星链单星质量不断增长，通信能力日益增强
星链卫星迭代迅速，部署成本不断下降。自2019年发射首批V0.9测试卫星以来，星链卫星已经发展出了V1.0、V1.5、V2.0 mini等多种版本。随着星链卫星的重量不断增加，吞吐量也成倍地提升，单星带宽由V1.0版的18Gbps上升到现阶段V2.0 mini版的60Gbps，未来由星舰发射的 V2.0 Starship版的带宽甚至达到170Gbps。卫星成本逐渐下降，星链V2.0 mini的单位带宽成本为35美元/Mbps，相较于V1.0下降了37.5%。星链相控阵逐步变大，通信场景日益丰富。星链V1.0卫星采用了星上相控阵天线，且为4副平板相控阵，此后版本的相控阵数量均有所增加。据星链软件开发师Julien Villa-Massone透露，更大的相控阵可能是为了加入手机直连卫星的功能，为人口稀疏地区的通信提供保障。
星链卫星部署四副相控阵天线，形成多波束赋形
星链卫星配置4副相控阵天线。每颗卫星上都有4个Ku和Ka波段相控阵天线，其中两个用于和多个 终端通信，另外两个用于与地面站通信以中继互联网流量。这些天线可以在短时间内处理和重定 向大量吞吐量，从而降低一个数量级的成本。星上相控阵天线形成多波束赋形。对收发端而言可采用同一套硬件平板结构，而在数字波束域进 行不同信号处理。对于发送而言，可生成最多N个波束，即右图实现机制中250-1到250-N所示， 此N路信号经过相位控制因子、低噪放/功放、M个天线阵子完成收发。
星间激光已在星链V1.5配置，实现扁平化组网
星链采用激光星间链路(Laser Inter-Satellite Link，LISL)构建覆盖全球的卫星网络。这种链路分为两类：一类是轨道面内激光卫星间链 路；另一类是轨道面间激光卫星间链路，其中包括相邻轨道面激光卫星间链路、邻近轨道面激光卫星间链路和交叉轨道面激光卫星间链路。 星链V1.5版的卫星均具有构建星间链路的4个激光通信模块，考虑到遮阳板会干扰激光通信终端，这些卫星不再有遮阳板，而是采用了改进的 涂层避免对地面光照的影响。每颗卫星可以与同一轨道面的前、后的卫星以及邻近轨道面的左、右的（或它们之间的组合）卫星建立“永久 的”激光通信链路。以编号49745的卫星为例，它与前面49742卫星和后面49740卫星构成同轨链路，前面卫星距离2348km，后面卫星距离 2466km；与左边49761卫星和右边49762卫星构成异轨链路，左边异轨链的跟踪距离970~1370km，右边异轨链的跟踪距离1300~1630km。目前星 链已经有9000个活跃的太空激光链路，链路可传输速率达到100Gbps。
星链V2 mini星座网络容量将达165Tbps
星链信关站已部署150个
目前有150个正在运行的星链Starlink网关。另外13座在获得监管部门批准后仍在建设中。最后，另有19个地点正在等待开工
信关站配置八个以上天线，处理速率可达100Gbps
地面终端由天线+路由器组成，二代天线内置16个通道
一代终端天线是一个圆盘状，直径约22英寸（56cm），射频链路部分由两种芯片构成。小的芯片应该是负责T/R的前端芯片，大的芯片负责8个 小芯片，具有8通道，带有调幅、调相、混频等功能。芯片部分的比例是1:8，总共有79个大芯片，632个小芯片，结合阵面天线单元数量接近 1300个阵元。
二代终端天线为方形，相比一代天线体积和高度有所缩小，重量降低40%。路由器主板上的核心芯片为联发科MT7629双核ARM路由器SOC，采用 ARM Cortex-A7架构，天线设计为3x3（3 个发送，3 个接收）MIMO。波束赋形收发器总16颗射频模块（FEM），采用意法BiCMOS9工艺。
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