提要速览：
本文介绍了Starlink星座参数，含Starlink的星座背景、星座参数（基础系统参数、波束数量及覆盖、相控阵天线工作机制、下行链路预算与传输速率分析、星地链路动态性分析、端到端时延性能分析、网关容量、传输速率及收费标准、海洋服务详情介绍等）、Starlink二代星（Starlink Gen2 四类波束等）、Starlink与5G对比等基础数据及指标。
Starlink是由SpaceX运营的卫星互联网星座，为 36 个国家/地区提供卫星互联网接入覆盖，其目标是覆盖全球。SpaceX 于 2019 年开始发射 Starlink 卫星。
截至 2022 年 7 月，Starlink 由 2,700 多颗在低地球轨道(LEO)上量产的小型卫星组成，这些卫星与指定的地面收发器进行通信。
截至 2022 年 2 月，SpaceX 宣布 Starlink 已拥有 250,000 名订户， 2022 年 5 月向 FCC 提交的一份文件报告称其订户已超过 400,000 名。
截至 2022 年 6 月，Starlink 为超过 500,000 名用户提供互联网访问。
Starlink的用户群的数量发展如下表所示：
（1）轨道高度： 550 公里
（2）工作频段： Ku 和 Ka 波段
（3）过顶时间： 4.1分钟
（4）飞行速度： 7.5km/秒
（5）波束最小半径： 8km
（6）可视覆盖范围： 2774581平方公里
（7）星间链路： 早期的卫星（2020年以前）是在没有激光链路的情况下发射的。星间激光链路已于 2020 年底成功测试，拟于在二代卫星上安装。
Starlink有4个相控阵天线，每个相控阵天线可生成16个波束，一共是64个波束，具体包含：48个发波束，16个收波束。单块相控阵天线直径约 0.6m，单波束星下点覆盖半径约 8km 。
受限于猎鹰9 Block 5火箭整流罩的尺寸（高13.1米，直径5.2米），再结合一箭60星的Starlink堆叠方式，估算Starlink单星尺寸厚度在0.3~0.4米左右，长宽尺寸方面一种可行的方案为4米*1.7米，具体长宽数值可能有所取舍，可如图1右侧两图所示。
结合Starlink卫星长宽大概范围，我们估算4副相控阵平板天线尺寸大概为0.7米左右，后续如有更新材料我们再进一步核实。至于此4副天线是否相同，现在看来应该可以进一步分为3类，其中平板1和平板2相同。至于，哪些是Ku、Ka，哪些是用户侧、馈电侧，是否区分点波束、宽波束等疑问，现在尚不能给出定论。
相控阵天线区别于传统透镜或反射镜等固定天线，可通过数字域或模拟域的调幅调相，实现更为灵活和精准的天线辐射模式。根据用途的不同，可分为：空间分集以对抗衰落，波束成形以匹配业务需求，空间复用以提升传输效率等。
在Starlink卫星相控阵平板天线中，主要采用波束成形技术，实现面向单星覆盖范围下给指定区域业务提供高增益波束。终端侧圆形平板相控阵天线，通过波束成形技术产生自动跟踪接入卫星的能力，且在多波束情况下可支持同时与多颗卫星连接，为终端在不同星间切换时的无缝通信做保障。
结合SpaceX公布相控阵天线工作机理，其使用模式可由如下图4所示：
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，即图中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。后续，将结合阵元排列、波束个数等做进一步分析。
4. 下行链路预算与传输速率分析针对Starlink系统用户链路进行分析，结合卫星在轨高度、端星仰角、收发天线增益、接收模式等内容，对终端传输速率进行分析，给出一种终端可达速率为822.5Mbps的典型示例。
Starlink系统用户侧传输频率主要采用Ku频段，卫星到终端的下行链路10.7-12.7GHz，总可用带宽2GHz，单载波带宽250MHz；终端到卫星的上行链路14.0-14.5GHz，总可用带宽500MHz，单载波带宽125MHz。系统下行带宽2GHz可同时支持最少8个波束，在采用不同极化方式、空间复用（充分发挥4副星载相控阵天线优势）等情况下，则又可进一步提升可用波束的个数。上下行总体分析方法一致，不失一般性，后文以用户链路下行为研究分析对象。
对于单终端而言，其最大传输速率在单波束信号完全为其服务时达到，端星仰角为25度时的传输速率为822.5Mbps（也就可以回答为什么仅采用802.11 ac而未做Wifi6的问题了），具体传输速率与仰角、链路质量等有关。如下给出在纽约当地，链路可用度99%情况下传输速率分析，如下表所示：
Starlink作为低轨LEO星座网络，与高轨GEO卫星的对地静止不同，LEO卫星的在轨高速运动导致了星地链路动态变化、频繁切换问题。如前所述，Starlink用户终端采用具备机械调整能力的天线，前文中我们也指出此电机调整仅用于俯仰面，而终端对卫星的星地链路跟踪采用相控阵方案。本节目的在于分析星地链路动态性，以探究终端所需的跟踪调整能力，并对切换等移动性管理进行探讨。
为实现端星用户链路间高速传输速率需求，终端需对接入卫星实时跟踪，这使得星地链路的空间指向实时变化。对地面的用户终端而言，通常采用方位角、俯仰角来表示对卫星的空间指向，方位角定义为自正北顺时针旋转的角度，俯仰角定义为自水平面向上旋转的角度。星地用户链路方位角、俯仰角变化快慢如图5所示：
由图5可知，终端对Starlink卫星的跟踪随时间变化，且方位角变化率要远大于俯仰角，这主要是由于Starlink星座采用了53度倾斜轨道而导致。对终端而言，卫星更多表现为自西向东（或自东向西）的运动，相比而言俯仰角要小得多。方位角变化率最大为6.8 deg/s，也就是需要终端天线波束指向的动态跟踪能力支持6.8 deg/s。
在讨论完终端对星的跟踪后，一个重要的问题来了，什么问题呢？就是终端需要在不同星间切换的问题。
由于终端头顶的Starlink卫星可能不止1颗，且所有头顶的卫星均在高速运动，这就使得星地频繁切换。至于端星如何切换，不同策略下对系统性能和复杂度均有不同侧重。如：终端始终与头顶处最大仰角的卫星连接，优点是信号质量好传输速率高，缺点是过于频繁地星间切换；终端始终保持一个卫星连接直到不可用时再切换，优点是最小化切换频率，缺点则是信号质量较差可能影响传输速率。
在终端采用最佳仰角接入策略下，终端与Starlink卫星的切换较频繁。结合当前在轨538颗Starlink卫星分布（数据参考时间：2020.07.18-2000），位于纽约处的终端对Starlink卫星接入与切换如下图6所示：
由图6可看出，当前Starlink卫星对纽约当地终端的接入服务仅能做到97.64%，尚未实现100%覆盖；单星对终端的平均服务时长为113 s，也意味着平均不到2 min就要切换至一颗新的卫星。中间的两张图分别为方位角俯仰角的变化，可看出在切换过程中会发生较大的空间指向变化。最底的图为终端对接入星的空间指向变化情况，在同一卫星服务期间空间指向变化很小，而在切换的时刻将发生非常大的空间指向变化，如空间上指向需支持近130 deg的调整。
作为对比，进一步分析最大接入时长策略下的切换性能。如下图所示：
由上图可看出，在采用最大接入时长情况下，单星对终端的平均服务时长为169 s，也意味着平均3 min左右要切换至一颗新的卫星。与最佳仰角接入/切换策略相比，可大幅降低切换的频繁程度，切换次数可降低33%。然而，终端与卫星的仰角要小于最佳仰角策略时的值。
进一步，以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景。在最大仰角接入策略下，由于空间段卫星数量的增大，可能不足1s就要发生切换；平均也是不足1 min（具体为58 s）就要发生切换。尽管此策略可提供最佳的传输质量，然而切换过于频繁，并非是较优的策略。况且SpaceX最终的目标是部署近42000颗卫星，如果仅采用最佳仰角接入策略，可能几十个毫秒就要发生端星切换，这是很难接受的。该1584卫星场景及最佳仰角策略下的仿真结果如图8所示：
仍以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景，在终端最大接入时长策略下，则可显著降低切换频繁程度。由原先平均不到1 min的切换频度，增加到平均3min才发生一次切换。具体如下图所示：
以Starlink星地链路为分析研究对象，通主要可得出如下四点结论：
（1）分析Starlink卫星、用户终端硬件结构及天线，星载相控阵平板天线在0.7*0.7米左右，终端相控阵圆形平板天线直径0.48米左右，终端电机调整能力仅用于单维（俯仰面）的调整。
（2）结合Starlink星地用户链路频率、带宽、传输损耗、物理层DVB-S2X协议等因素，分析了单终端的传输速率；以纽约当地终端为例，在系统可用度99%情况下，终端速率为822.5 Mbps，猜测该因素也是用户终端Wifi侧采用866.7 Mbps传输速率的主要原因。
（3）Starlink星地用户链路的动态特性及切换机制，当前在轨538颗卫星在最佳仰角和最大接入时长情况下，平均每2min、3min便需发生切换；而第一阶段1584卫星场景下，最佳仰角接入策略则变为不到1min便需切换，最大接入时长仍为3min左右。
（4）Starlink星地用户链路的频繁切换，需终端对卫星具备快速跟踪调整能力。一个较理想的方式为终端具备不少于2个波束，可同时跟踪对准不同卫星，从而实现频繁切换下的无缝通信服务。
（4）星地链路传输速率分析时是基于ETSI DVB-S2X物理层协议，而卫星5G融合趋势下，开展适用于星地链路的OFDM或其他波形、调制编码等物理层协议研究，是下一步工作重点。
（5）接入与切换考虑了接入星仰角和可服务时长，而切换过程中的信令交互、鉴权等机制如何去做，是下一步的研究重点。
通过地球同步卫星的互联网流量的最小理论往返延迟至少为 477 毫秒（between user and ground gateway），但实际上，现有GEO卫星的延迟为 600 毫秒或更多。Starlink 卫星在地球静止轨道高度的1 ⁄ 105至1 ⁄ 30处运行，因此，最小理论往返延时约 14 ms ，但实测最小延时约 25 ms 至 35 ms（说明：“25 ms 至 35 ms” 的数据摘自维基百科，图中所画的 14 ms ），该时延与现有的电缆和光纤网络相当。该系统将使用声称“比IPv6更简单”的点对点协议，它还将在本地包含端到端加密。
（2）纽约到西雅图的端到端时延端到端时延分析场景及方法与前述文章中基本一致，仍以纽约到西雅图的端到端为场景。以下为端到端时延性能分析结果：
由图4可看出，对于纽约到西雅图之间的通信时间占比为98%，而仅有2%时间内没有可达链路，端到端RTT平均为39.86 ms。同时，将本次结果与先前历史分析结果进行对比如表所示.
对端到端时延而言，由三个月前的51.8ms降到了39.9ms，可通信时间占比也由59%提升至98%，已非常接近可提供正常服务的网络保障能力了。同时，与地面大圆距离对应的光纤时延对比，也基本相当（相差仅7%）。
7. 网关容量连接到网关时，两个 Ka 波段抛物面天线组合起来可提供约 20 Gbps 的吞吐量。 每个网关天线最多可提供 4 个 500 MHz 上行通道（总共 2 GHz），以及 5 个 250 MHz 下行通道（总共 1.25 GHz）。下图为 Starlink 典型的网关天线：
如上图为Starlink官网公开显示的Starlink海上服务范围，浅色为已覆盖的区域，深色为2022年底甚至今后更久将要提供的服务区域。目前Starlink公开提供海上连线服务的海域范围仅限于，北美、欧洲、澳洲及南美地区的海岸及海域，上述区域已经可以使用Starlink海上服务，其他地区要等到今年第4季或更久之后才会提供服务。除了海上外，Starlink也开始提供机上连线的服务，与多家美国的航空公司合作。累计至今，Starlink发射2790颗低轨卫星，提供信号给36个国家。希望在5年内网络范围可以遍布全球。
2019 年 5 月发射的 60 颗星链 v0.9 卫星具有以下特点：
具有多个高通量天线和单个太阳能阵列的平板设计
质量：227 公斤（500 磅）
使用氪作为反应质量的霍尔效应推进器，用于在轨位置调整、高度维持和脱轨
用于精确定位的星轨导航系统
能够使用国防部提供的碎片数据自主避免碰撞
海拔 550 公里（340 英里）
“这种设计的所有组件中的 95% 将在每颗卫星生命周期结束时迅速在地球大气层中燃烧”。
自 2019 年 11 月发射的 Starlink v1.0 卫星具有以下附加特性：
在每颗卫星寿命结束时，这种设计的所有组件 100% 将在地球大气层中完全消亡或燃烧。
增加了K a波段
质量：260 公斤（570 磅）
其中一个编号为 1130 的名为 DarkSat 的卫星使用特殊涂层降低了反照率，但由于热问题和红外反射率，该方法被放弃了。
自 2020 年 8 月第九次发射以来发射的所有卫星都有遮阳板，以阻挡阳光从卫星的某些部分反射，以进一步降低其反照率。
自 2021 年 1 月 24 日发射的 Starlink v1.5 卫星具有以下附加特性：
用于卫星间通信的激光器
质量：~295 千克（650 磅）
从 2021 年 9 月起发射的卫星上移除了挡住阳光的遮阳板。
SpaceX 正准备在 2021 年初之前生产 Starlink v2.0 卫星。 Starlink v2.0 卫星在通信带宽方面将“比 v1.0 能力强几乎一个数量级” 。SpaceX 希望在 2022 年开始发射 Starlink v2.0。但是，它们需要在Starship上发射，因为它们太大而无法装入Falcon 9整流罩内。 Starlink v2.0 比 Starlink v1 卫星更大更重。
用于卫星间通信的激光器
质量：~1,250 千克（2,760 磅）
长度：~7 m (23 ft) [224]
进一步改进以降低其亮度，包括使用介电镜膜。
“星链”V2.0卫星是实现“二代星链”星座的基础。根据马斯克在5月接受采访时透露的信息，SpaceX已经完成至少1颗“星链”V2.0卫星的原型机，而“星链”V2.0卫星的主要参数包括：
长度达到7米（比V1.0和V1.5的3.2米增加1倍多）
质量达到1.25吨（是V1.0的5倍）
性能提升10倍（马斯克对于性能提升10倍含糊其辞，没有明确指出是通信带宽相比V1.0的18Gbps提升10倍）
在“一代星链”星座取得成功的情况，SpaceX公司之所以要发展更为激进的“二代星链”星座，并研制性能更强大的“星链”V2.0卫星，主要包括以下几个方面的原因：
需求在持续增加。“星链”用户数量从2022年1月的14.5万[7]增加到2022年3月的25万[8]，再到2022年5月45万[9]，用户增长速度非常快，“一代星链”星座的容量上限很可能难以满足未来快速增长的需求。在军事需求方面，包括美国空军、陆军和太空军都非常看重“星链”项目并采购了“星链”服务，太空军还将“跟踪层”卫星研制合同授予SpaceX，未来还可能产生其他军事需求（例如：搭载军事载荷），因此质量更大和性能更高的卫星也是实现更大军事潜力的前提。
超重-星舰项目进展速度很快，投入使用后，发射能力将大幅提升，能够为“星链”V2.0提供快速（单次完成1个轨道面部署）、大批量（单次发射110-120颗）和高频率（快速重复使用）的发射机会。同时，超重-星舰运载能力高（近地轨道运载能力最大150吨）、有效载荷空间大（1100立方米），为设计质量尺寸更大和性能更高的“星链”卫星提供了可能性。
SpaceX还在积极争取传统电信运营商和卫星运营商的语音通信、应急通信[10]、电视广播等业务[11]，而更大的“星链”V2.0卫星显然也能够进一步提高上述发展潜力。
2. “二代星链”星座2019年，媒体报道SpaceX通过FCC向国际电联（ITU）申请总数量达到3万颗卫星的更大规模的低轨星座所需的频谱资源[4]。2020年5月，SpaceX正式向FCC提交“二代星链”星座（Gen2）的申请，总数为3万颗，详见表4。
表4 “二代星链”星座的初始方案（3万颗）
其空间段的在轨分布如下图所示：
图 Starlink Gen2星座空间段分布示意图
2021年8月，SpaceX针对“二代星链”星座的申请进行补充修正，提出用超重-星舰部署的“构型1”方案和用法尔肯9部署的“构型2”方案，分别见表5和表6。相比2020年的初始方案，SpaceX不是将大量卫星集中到一个轨道面上，而是分散到不同的轨道面，使卫星分布更均匀，另外还大幅增加了太阳同步轨道上的卫星部署数量。SpaceX称修改“二代星链”方案主要是为了提升网络的均匀一致性，并提升网络对极地地区的覆盖，满足偏远地区和军方用户需求。
表5 2021版“二代星链”星座的“构型1”方案（29988颗）
不过，由于“二代星链”星座的规模非常大，SpaceX在2020年5月向FCC提出申请后，遭遇了众多卫星运营商和研究机构的反对，涉及太空碎片、通信干扰、发射窗口限制等多方面的问题。截至目前，“二代星链”星座仍未得到FCC批准。
Starlink Gen2 工作频段：
相比于第一代系统仅采用Ku、Ka频段而言，Starlink第二代系统将使用Ku、Ka和E频段频谱，如下表3所示。
Starlink Gen2系统的频率
根据用户利用率和其他因素，系统带宽将被分成多个小信道，而终端或关口站可采用多个信道所聚合成更宽的带宽。
对于用户终端：下行链路最大2000 MHz，上行链路最大125 MHz；
对于关口站而言：上下行最大均为5000 MHz。
同时，可以在相同的频率上通过左右旋（LHCP/ RHCP）极化实现两个波束，但是在特定情况下，SpaceX只能使用一种极化方式。这提供了操作灵活性，以促进协调和遵守区域和国家/地区特定法规。
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。
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。
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。
虽然，以Starlink为代表的卫星互联网的应用前景十分宽广，但其服务能力相比地面5G网络仍存在差距。值得一提的是，卫星网络的核心优势是低成本的全球覆盖，而非低延时、大带宽的服务能力。
Starlink-Wikipedia
卫星互联网真能替代5G？
Modeling Starlink capacity
SPACEX-RAYING STARLINK DEVELOPMENTS
SpaceX non-geostationary satellite system—Attachment A: Technical information to supplement schedule S
星链Starlink二代星与星盾简介
