前沿StarlinkVLEO星座介绍与仿真分析

　　文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、王大鹏、胡海龙（中国科学院软件研究所天基综合信息系统重点实验室）
　　摘要：本文主要对星链系统第二期VLEO星座进行介绍与仿真分析，首先对星链当前在轨卫星情况进行跟踪与分析，进而对VLEO星座的空间轨道分布、与LEO星座协调运行、波束辐射模式等进行介绍与分析。
　　01 Starlink在轨进展概览
　　截止2021.07.26，Starlink发射31批次共计1738颗卫星。其中，两次为太阳同步轨道卫星的搭载发射，其余基本上为一箭60星发射。各批次发射时间与个数如下表所示：
　　注1：发射时间指北京当地时间，即国际协调时UTC+0800
　　当前，在轨活跃的1656颗卫星分布如下图所示：
　　在轨活跃1656颗Starlink卫星分布
　　在轨卫星高度分布如下两个图所示：
　　1656颗在轨Starlink卫星的高度分布（按发射批次进行统计）
　　02 Starlink VLEO星座空间段
　　2.1 轨道分布
　　Starlink第二期VLEO星座，由分布在三个高度和倾角的轨道面共计7518颗卫星组成。各轨道面内卫星的位置经过优化设计，以最大程度地扩大整个星座的卫星间的距离，从而排除碰撞的风险。VLEO星座系统配置如下表所示：
　　表VLEO星座参数
　　VLEO星座空间段分布如图：
　　VLEO星座空间段分布三维视图
　　VLEO星座空间段分布二维视图
　　其中，白色卫星为子星座1，红色卫星为子星座2，绿色卫星为子星座3。
　　2.2 工作V频段
　　SpaceX系统使用的V频段工作范围如下表所示：
　　2.3 星上载荷
　　SpaceX系统为每颗卫星配备先进相控阵PAA波束赋形BF和数字处理OBP技术，以高效利用频谱资源，并与其他天基和地面授权用户灵活共享频谱，面向全球住宅、商业、机构、政府和专业用户提供宽带服务。
　　- 用户侧：用户终端采用相控阵技术，形成可跟踪、高定向、可控的波束以指向卫星。
　　- 馈电侧：关口站同样采用相控阵技术产生高增益跟踪波束，可同时与星座内的多颗星通信。
　　- 星间链路：采用激光星间链来实现无缝网络管理并保障服务连续性，同时最大限度地减少整个系统的频谱覆盖空间，以促进与其他天基和地面系统的频谱共享。
　　SpaceX设计了V频段系统，以满足世界宽带需求的双重要求，即1）农村、偏远和地面网络难以覆盖的用户连接，以及2）所有地点的高效、高容量连接。由于VLEO星座轨道高度更低（相比于最初规划建设的4408颗星的LEO星座），相同星载设备时可为地面提供更高的功率通量密度PFD，相应的可提升无线传输速率与空分频谱效率。
　　03 Starlink LEO及VLEO星座协调运行
　　VLEO星座与第一期4408星LEO星座将组合Starlink第一代，二者统一协调工作可使得SpaceX提供更为强大的全球宽带服务。下图为2颗VLEO卫星和2颗LEO卫星，当覆盖同一区域时的协调工作模式的示意图。
　　黑色虚线为每颗卫星的覆盖范围，该区域内卫星可生成大量的可调向点波束。由于所有卫星都工作在相同的V频段，故对同一终端而言必须规避来自多个卫星的共线干扰。为更清晰展示，假定同一频率下的来自不同卫星的波束应具有10deg角度隔离。基于此原则，由S1L覆盖的红色区域内终端、由S2L覆盖的蓝色区域内终端，当其与S2H通信时需采用不同的工作频率。
　　此情况下，较为简单的方式是将V频段分割，分别供LEO和VLEO星座使用。然而，由于每颗卫星在其覆盖范围内都具有大量可调向点波束，这种灵活性可允许未使用的频率/波束切换至其他空间位置以提供服务，而避免简单频段分割造成频谱资源利用率不充分的问题。
　　此外，由于卫星覆盖区域的重叠，SpaceX可充分调度不共线的多颗卫星为同一区域提供服务。这样，如果蓝色区域业务需求量非常大，则SpaceX可同时调用多个波束为其提供服务（S2H与S1L，S1H与S2H，或S1H与S2L）。
　　另外，由于Starlink卫星的收发波束具有空间分辨力，可区分来自不同地理区域的终端，这就使得LEO和VLEO星座甚至可同时工作在同一区域。如下图7所示：
　　图7所示，该区域内终端而言两颗卫星的共线角度小于10deg。如前所述，不采用频谱分割，LEO卫星S1可在所有可用频谱上为蓝色区域终端服务，而VLEO卫星S2也可在所有可用频谱上为红色区域终端服务。该策略显著提升了卫星频谱的空间复用效率，然而仍需一定的角度隔离。例如，SpaceX卫星以1.5deg波宽提供服务时，所需的隔离角度为3.5deg（此时可保证载干比C/I约为25dB，即3.5deg偏轴角下对应的归一化天线增益约为-25dB）。
　　这样，LEO和VLEO星座可同时在V频段的运营，相比于先前仅Ku/Ka频段运营，具有多方面的提升。
　　①终端数量：容量、可用频率、频率复用等方面的增加，将显著提升可服务终端的数量；
　　②服务质量：每终端可用带宽的增加，将提升服务质量，包括更高传输速率、更低时延等；
　　③对GSO和NGSO系统的干扰减缓：轨道高度更低，且采用可调向、窄点波束，将创造更多的频谱使用空间，更便于规避对GSO/NGSO系统的干扰。
　　04 空间段天线增益
　　SpaceXLEO及VLEO两个星座中，每颗卫星都采用相同的V频段发射和接收波束。同时，每个星座中具有代表性的卫星天线增益，基本适用于该星座内其他轨道面/高度运行的卫星。
　　4.1 用户和关口站波束
　　对于LEO和VLEO星座，每颗卫星上的所有下行点波束都可独立调向到地球任何区域。然而，用户终端和关口站仅可连接不低于35deg仰角的卫星。LEO星座卫星轨道高度1150km，将只提供43.95deg半锥角内的通信服务，如A.3.1-1图所示：
　　作为对比，VLEO星座中卫星轨道高度335.9km，则提供51.09deg半锥角内的通信服务，如图A.3.1-2所示。
　　为支持端星仰角35度覆盖，卫星轨道高度与半锥角具有映射关系，如下所示：
　　卫星对地覆盖区域内，按需生成用户波束和关口站波束，波束宽度分别为1.5deg和1.0deg。点波束宽度及卫星工作轨道高度，对于该点波束覆盖区域有较大影响，如下所示：
　　用户波束或关口站波束占用7.8125MHz整数倍的带宽，具体多少视使用情况等因素而定，最大可聚合带宽至1GHz（=128*7.8125MHz）。每颗卫星可以相同的频率发射两个波束（右旋和左旋圆极化，RHCP和LHCP），但在特定情况下只能使用其中一种极化方式。
　　一般来说，使用相控阵列的波束宽度在指向远离主轴方向时会逐渐扩大。然而，这种扩大只发生在由主轴和波束中心（仰角）形成的平面上，而与主轴和波束中心（方位角）形成的平面无关。造成的结果是，主轴下相控阵波束形状是圆形的，但当偏离主轴时，形状变得越来越椭圆。图A.3.1-3到A.3.1-5提供波束轮廓，表明当用户和关口站波束指向与主轴偏0、20、40度时波宽的变化，且在每种情况下，给出了-2dB, -4 dB, -6 dB, -8 dB, -10 dB, -15 dB, -20dB下的滚降。尽管LEO和VLEO在地球上实际生成波束形状大小相差很大，但这些波束轮廓适用于LEO星座和VLEO星座的上下行波束。
　　用户波束1.5deg波宽0度仰角指向
　　馈电波束1.0deg波宽0度仰角指向
　　用户波束1.5deg波宽20度仰角指向
　　馈电波束1.0deg波宽20度仰角指向
　　用户波束1.5deg波宽40度仰角指向
　　馈电波束1.0deg波宽40度仰角指向
　　基于上述天线增益图，可知1.5度用户波束天线所对应的辐射模型如下所示，每个用户波束的预期覆盖区域是-3dB覆盖范围内。
　　在给定频率下，通常只有一个波束（RHCP或LHCP）会覆盖地面上的用户单元。或者，两个波束（一个RHCP，另一个LHCP）可以在给定频率覆盖地面上的单个用户单元，但在这种情况下，它们等效全向辐射功率（EIRP）将降低3dB，以保持相同的功率通量密度PFD。
　　发射波束指向有所偏转时，功率会自适应调整以使得地球表面的PFD维持恒定，补偿天线增益变化和与偏转角度相关的路径损失。图A.3.1-7和A.3.1-8分别说明了LEO卫星和VLEO卫星的这种关系。用户波束和关口站波束的最高EIRP密度（LEO卫星为29.91dBW/MHz，VLEO卫星为20.21dBW/MHz）在最大倾斜时达到。
　　此处需知，对于LEO星座而言，在其后修改的申请中对轨道高度进行了降低，故相关参数以最新的FCC申报材料（编号：2274316）为主。类似的，在采用星上自适应EIRP后，可实现对地功率通量密度PFD及载噪比CNR一致，如下图所示：
　　LEO-550km星地链路预算分析
　　对于接收波束，天线增益随着波束倾斜远离主轴方向而略有下降。因此，对于两个星座的卫星用户和馈电上行链路波束，最大G/T（分别为12.8dB/K 和14.3dB/K）发生在主轴方向，而最小G/T（分别为10.8dB/K 和12.3dB/K）则发生在最大倾斜处。
　　4.2 导频波束（下行）
　　LEO和VLEO星座的卫星将利用37.5-37.75GHz频段作为导频，以促进地球站天线快速接入卫星，及顺利实现星间切换。每个导频波束采用LHCP或RHCP方式，占用整数倍1MHz信道，最大可以聚合成10MHz的信道带宽。由于导频波束所占用的信道，与TT&C信道和用户链路/馈电链路占用的带宽存在重叠，因此导频波束的使用需在整个系统内协调进行，以防止导频与其他信号同频而导致自干扰，同时该频段使用也需遵守适用的监管限制。
　　在LEO和VLEO星座中使用的每个导频波束的最大EIRP分别为7dBW/MHz 和-2.8dBW/MHz，具有以下增益轮廓：
　　LEO星座导频波束归一化辐射模式
　　VLEO星座导频波束归一化辐射模式
　　4.3 测控TT&C波束
　　SpaceX系统每颗卫星上采用全向天线执行跟踪、遥测和控制（TT&C）功能，这些天线设计以支持卫星任何姿态下可与地球站通信。
　　05 结论
　　本文主要对星链VLEO星座系统进行了介绍，并对在轨卫星分布、波束辐射模式、自适应EIRP控制等内容进行仿真分析。尽管SpaceX提出了关于VLEO、LEO两星座间协调共用频谱的方案，然实际操作方面仍面临大量高动态波束间的频谱共用与系统内外干扰规避问题，是一个待解决的难题。
　　下一步工作将重点围绕现有LEO星座内部波束调度机制、LEO与VLEO星座波束频谱共用等问题开展研究。