CTF导航 CTF导航

星链Starlink二代星与星盾简介

IoT 11个月前 admin
951 0 0


1

“星链”星座概况


5月26日，美国航天科技自媒体“每日宇航员”公布SpaceX创始人伊隆·马斯克接受采访的内容[1]，涉及星链V2.0卫星的更多细节，包括卫星长度达到7米，质量达到1.25吨，能力相比V1.0提升一个数量级等。6月5日，马斯克通过社交媒体发布渲染视频，演示超重-星舰将“星链”V2.0卫星发射入轨后，通过类似冷弹射的方式将并排的2颗卫星从超重-星舰载荷舱的扁平出口释放和部署到轨道上。 
通过整理SpaceX给美国联邦通信委员会（FCC）提交的申请材料[2]，能够梳理出“星链”星座方案演化和发展的脉络过程，包括现阶段正在建设的“一代星链”星座[3]，SpaceX正在申请的“二代星链”星座，以及“V波段星链”星座，共计3个星座建设方案。

SpaceX与美军方合作不断深化

近年来，美军对商业航天技术的军事应用高度重视，并不断强化与以SpaceX为首的商业公司合作。自2018年以来，据不完全统计，美军与SpaceX在卫星领域的联合研发、性能测试、演习应用、服务采购等形式的合作达20余次。
为保证商业卫星公司产品符合军方需求，或解决商业卫星公司难以独立完成的研究项目，美军通常与商业企业进行联合研发。如表1所示，美军方与SpaceX公司在卫星方面合作涉及红外预警、光学成像、数据传输等方面。

表1 SpaceX与美军合作情况
星链Starlink二代星与星盾简介

随着星链建设进程不断推进、技术不断迭代升级，星链及其相关技术在军事领域的应用将明显增加，有极大可能向光电成像侦察、电子侦察干扰、导航定位、态势感知、反导预警拦截等多领域发展。SpaceX公司在星链等项目上与美军方的长期合作，已经证明了自身技术实力，并为进一步深化与军方合作奠定了良好基础。
基于星链与星盾二者的技术渊源，分析星链的军事化运用，对于推测日后星盾的军事潜力以及现实威胁具有较强的指导作用。
俄乌冲突爆发以来，SpaceX、鹰眼360、Maxar等商业卫星公司纷纷入局，在卫星通信、对地遥感等领域各展身手，企图借用俄乌冲突提升自身知名度[2]。其中，SpaceX公司的星链作为天基互联网通信领域的突出代表，在通信服务、信息融合和抗扰保通等方面为乌克兰提供较大助力，为乌方提供了一种高效、可靠的保底通信手段，为其对抗俄罗斯军事行动提供有力支撑，具体表现为以下三个方面。
星链成为乌方内外通信畅通的重要依托。俄乌冲突自2022年2月24日爆发后，星链成为乌境内特别是政府、军方及部分普通民众内外通信的重要方式[3]。星链提供的保底通信能力，避免了乌军陷入各自为战、被分别击破的险境，为乌军在战时保持军令政令畅通、全军整体协调行动提供了有利保障，并成为乌方对外发声、获取国际支持、开展舆论战的重要手段，降低了俄罗斯对乌克兰互联网、通信等基础设施实施打击行动的实际效果。
星链成为战场态势信息融合的重要推手。俄乌冲突伊始，乌民众通过上传“自拍”为乌军提供大量重要情报。大数据时代，海量的开源信息中隐藏着大量情报资源，而星链则提供了一个稳定高效的平台，使海量信息得到快速处理、分析，转化为有效情报资源。在乌东地区，乌军凭借互联网平台以及北约信息支援重建了态势感知体系，扭转战场单向透明劣势。“星链+地面终端”的天基互联网系统为战区民众提供了有力的情报支援，成为乌军获取战场态势的重要一环。
星链成为乌方实现抗扰保通的备份手段。以ViaSat为代表的高轨通信系统易受复杂电磁环境影响，乌克兰军方常用的KA-SAT卫星服务冲突伊始便中断。而以星链为代表的低轨星座表现出强大的生存能力[4]，主要归结于以下两点：一是星链系统数量庞大，系统冗余度高；二是系统架构更新升级快，抗干扰能力不断增强。星链做为低轨互联网星座的典型代表，通信容量、速率、抗干扰性均可满足作为军用通信系统备份的需求，为冲突地区提供互联网服务。
基于上述三方面，使得国内外网络上关于星链军事价值的议论甚嚣尘上，将其渲染成“一专多能”的高军事价值星座。凭借“卫星批量生产、火箭重复利用、一箭多星BS”等一系列先进技术，星链已成为商业航天项目中的佼佼者。如今，带有浓厚星链色彩的星盾发布，也反映出星链使用的技术及其衍生技术经过长期使用和俄乌战场的考验后已日臻成熟，可以从民商应用转向军事应用。
1.1 “一代星链”星座
SpaceX在2016年11月正式向FCC提交“星链”星座建设的申请材料，并在2017年向FCC提交了补充材料。FCC在2018年3月批准“一代星链”星座计划后，SpaceX在2018年到2020年间，3次申请对“一代星链”星座的方案进行调整，主要涉及将卫星数量从4425颗减少至4408颗，卫星轨道高度全部从1000千米以上降至500多千米，具体调整情况见表1。“一代星链”的初始方案见表2，最终方案见表3。
表1  “一代星链”星座方案调整变化历程
星链Starlink二代星与星盾简介
表2  “一代星链”星座的初始方案（4425颗）
星链Starlink二代星与星盾简介
表3  “一代星链”星座的最终方案（4408颗）
星链Starlink二代星与星盾简介
截至2022年5月底，SpaceX共发射2653颗“星链”卫星，除2颗试验星外，SpaceX共为“一代星链”发射了2651颗卫星，涉及壳层1-4，具体参见表3，发射入轨的“星链”卫星中部分由于各种原因（未能成功升轨、失效离轨等）没有处于工作状态，实际处于工作状态的数量总计大约2374颗，详见表3。
“一代星链”星座卫星包括“星链”V0.9、V1.0和V1.5三型，截至2022年5月底发射数量分别为60颗、1675颗和704颗。
2020年6月13日，SpaceX公司发射第9批共计58颗代号为Starlink 8的卫星，（不含早起发射的两颗试验星）在轨卫星共计538颗。尽管此后的一个多月内都未能实现再次发射，然而从最近公开诸多关于用户终端的消息便可看出，Starlink卫星网络的内测服务正在如火如荼开展。当前星座的服务能力如何？终端可达速率多大？将是Starlink内测/公测的重要方面，本文以Starlink星地链路为分析研究对象，重点关注如下两点：
（1）Starlink星地用户链路的性能分析，在结合星载4副相控阵天线、用户终端天线、频率/带宽/传输损耗等因素下，分析了终端的传输速率。在“星链”卫星不断迭代更新过程中，SpaceX已经发展出试验星（Tintin A/B）、V0.9、V1.0、V1.5和V2.0，共计5个版本的“星链”卫星。其中，V0.9、V1.0和V1.5用于“一代星链”星座，V2.0将用于未来的“二代星链”星座。
星链Starlink二代星与星盾简介
1.2 试验星（Tintin-A/B）
“星链”试验星被称为Tintin-A和Tintin-B，采用板架式结构，尺寸为1.1×0.7×0.7米，卫星质量大约为400千克，2个太阳能帆板尺寸为2×8米。除了携带Ku波段的通信转发器外，试验星还携带了低分辨率的成像载荷。
2018年2月22日，作为次要载荷搭载法尔肯9火箭进入500千米高度的太阳同步轨道，原计划利用自身动力进入1125千米的近地轨道（“一代星链”星座计划最初的目标轨道高度），但实际上并没有进行升轨操作。
星链Starlink二代星与星盾简介
图1  “星链”卫星试验星Tintin-A和Tintin-B

1.3 “星链”V0.9/V1.0/V1.5
2019年5月，SpaceX发射首批60颗“星链”V0.9卫星，也是唯一一批“星链”V0.9卫星；2019年5月，首批60颗“星链”V1.0卫星发射；2021年6月，首批3颗“星链”V1.5卫星搭载法尔肯9第2次共享任务入轨。
上述3型“星链”卫星用于“一代星链”星座，都采用平板设计，尺寸大约为3.2×1.6×0.2米[5]，安装有4部高通量相控阵天线和单翼式太阳能电池板，太阳能电池板展开后约为4×15米。卫星自带霍尔推进器，用于轨道保持、位置调整与离轨，具备在轨碎片跟踪与自主避碰的能力，可将卫星从210千米轨道高度抬高至550千米轨道高度。
V1.0相比V0.9最大的提升是在Ku波段通信的基础上增加了Ka波段，卫星质量从227千克增加至260千克；V1.5相比V1.0最大的提升是增加激光星间链路，卫星质量提升至295千克[6]。
星链Starlink二代星与星盾简介
图2  60颗“星链”V0.9卫星在发射前的堆叠状态
（来源：SpaceX）
星链Starlink二代星与星盾简介
图3  “星链”V1.0卫星渲染图
（来源：SpaceX）
星链Starlink二代星与星盾简介
图4  增加星间激光链路的“星链”V1.5卫星
（来源：SpaceX）
1.4 “星链”V2.0
“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。

1.5 “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）
星链Starlink二代星与星盾简介
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）
星链Starlink二代星与星盾简介
表6  2021版“二代星链”星座的“构型2”方案（29996颗）
星链Starlink二代星与星盾简介
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。
1.6 “V波段星链”星座
SpaceX还在2017年3月向FCC申请了“V波段星链”星座，计划作为“一代星链”星座的补充，共计7518颗，详见表7。2018年11月，“V波段星链”星座计划获得FCC批准，FCC要求SpaceX在2024年完成半数卫星部署，2029年完成全部卫星部署。
表7  “V波段星链”星座的方案（7518颗）
星链Starlink二代星与星盾简介
由于“V波段星链”星座的通信频段和“一代星链”星座及“二代星链”星座的Ka/Ku波段通信频段不一致，用户终端设备很难共用；SpaceX也一直没有对外透露过关于V波段“星链”卫星的研制情况。而且，在2021年向FCC提交的“二代星链”星座计划修改申请文件中不再提及“V波段星链”星座，如果“二代星链”星座获批，“V波段星链”星座有很大概率会被放弃和替代。
在“星链”卫星不断迭代更新过程中，SpaceX已经发展出试验星（Tintin A/B）、V0.9、V1.0、V1.5和V2.0，共计5个版本的“星链”卫星。其中，V0.9、V1.0和V1.5用于“一代星链”星座，V2.0将用于未来的“二代星链”星座。

1.7 Starlink Gen2 空间段分布

Starlink Gen2是SpaceX公司于2020年5月份提交至FCC申请的新一代大型低轨星座，也就是我们常说的30000颗星的那个系统。据SpaceX提交至FCC申请中显示，本次申请的30000颗卫星工作的轨道高度较低，分布在328 km-614 km共计75个轨道面上。表2为Starlink Gen2的星座构型分布：
表2 Starlink Gen2星座空间段分布
星链Starlink二代星与星盾简介

其空间段的在轨分布如图5所示：
星链Starlink二代星与星盾简介 
图5 Starlink Gen2星座空间段分布示意图
鉴于该星座中有30000颗卫星，设计寿命为5年，因此SpaceX可能会持续进行发射和离轨活动。Starlink Gen2系统将在每个卫星有效载荷上利用先进的相控阵波束成形、数字处理技术，以便高效利用频谱资源，并与其他天基和地面许可用户灵活共享频谱。用户终端将采用高度定向的可调向天线波束，以跟踪系统的卫星。对于关口站而言，将生成高增益定向波束以与星座内多个卫星进行通信。值得注意的是，SpaceX正在开发星间激光链路，并期望将其部署在Gen2系统上，以提供无缝的网络管理和服务连续性。

1.8 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。
表3 Starlink Gen2系统的频率
星链Starlink二代星与星盾简介
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。

1.9 Starlink Gen2 工作仰角

Gen2系统中的所有卫星都经过详细设计，以保证其发射和接收天线波束均在最小和最大增益的定义范围内。SpaceX将利用这种灵活性，通过适应不同的用户密度（即人口稠密地区的高增益波束与农村地区的低增益波束）和不同海拔的服务来优化面向用户的宽带服务。每个Starlink Gen2卫星上的所有下行链路点波束都可以在其对地视场中独立控制。然而，地球站仅与最小仰角以上的卫星通信。
图2为卫星对地视场（半锥角Beta）和站星仰角（El）等参数的关系示意图：

星链Starlink二代星与星盾简介
图6 卫星对地视场与站星仰角等参数空间关系示意图
由图6可知，在保持（用户地球站及网关地球站）站星仰角一定数值情况下，不同轨道高度的卫星其对地视场（半锥角Beta）不同。具体而言，Starlink Gen2在支持终端仰角25度情况下，各子星座所对应的最大半锥角及覆盖半径如表4所示：
表4 Starlink Gen2满足不同站星仰角下所需的对地视场与覆盖半径
星链Starlink二代星与星盾简介
1.10 Starlink Gen2 系统特色
SpaceX设计了其Gen2系统，以满足世界宽带需求的双重要求，即一是为农村、偏远和覆盖困难的最终用户提供高速、低延迟的连接，二是为所有地点提供高效、大容量的连接。相比于先前提出11927颗卫星的Starlink系统（姑且称之为第一代），第二代Gen2星座的运行将在如下方面改善和提升：
第一，容量、频率可用性和频率复用的增加，极大地增加了可以服务的用户数量。
第二，每个用户可用带宽的增加改善了服务质量，为尚未被网络覆盖区域的用户带来了更多的高速、低延迟宽带，并在可以使用地面替代方案的区域中注入了更多竞争。
第三，大量卫星在低轨道LEO上具有可跟踪的窄点波束，这为优化频谱使用创造了机会，这将增加与其他GSO和NGSO系统进行协调的机会。

1.11 Starlink Gen2 四类波束
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。
1.11.1 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。

1.11.2 Ka频段波束

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。

1.11.3 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。

1.11.4 TT&C波束
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。


2

Starlink卫星及终端

Starlink系统作为卫星互联网，网络主要节点包括卫星、关口站和终端，至于这张卫星互联网如何为终端提供服务、能提供什么质量的服务（容量、时延等），我们已在前述文章对此进行了讨论。区别于前述对整网容量、时延、覆盖等性能评估，本节重点讨论Starlink单星、终端侧的天线，并介绍Starlink公布的相控阵方案。
2.1 卫星侧天线

Starlink当前已发射9个批次共计538颗卫星（不含2018年2月发射的两颗试验星），除却第1次发射的V0.9 Demo版本，第2~9次发射的均为V1.0正式版本。根据资料，Demo版本Starlink卫星仅配备了星载Ku相控阵天线，而正式版本中在Ku基础上增加了Ka天线。
关于Starlink星载天线的资料，当前所能知道的并不多，而能确定的有如下三点：1-采用了星上相控阵天线，且为4副平板相控阵；2-相控阵天线支持对地Ku、Ka频率；3-在其申请的一份专利US20180241122透露的一些相控阵天线工作机理（部分文献中提出该专利是终端侧相控阵天线方案，至于星上能否用这套方案，我们会继续跟进也欢迎学者不吝赐教）。至于该4副相控阵天线具体平板尺寸大小、阵元个数及排列方式、可形成Ku/Ka波束个数及形状等内容，我们不得而知。尽管如此，我们通过对Starlink卫星硬件构造及4副相控阵平板进行了推敲，将一些基本事实和猜想也跟大家分享。
Starlink单星及相控阵平板相关尺寸如图1所示，图1左图即为Starlink单星平台图，可看出其主要包含4副相控阵平板天线、氪离子推进器、卫星跟踪装置、自动避撞系统及单翼太阳能帆板。


星链Starlink二代星与星盾简介
图1 Starlink单星及相控阵平板示意图

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。


2.2 终端侧天线

作为面向全球服务的商用卫星互联网系统，终端侧性能、成本对于该服务能否“飞入寻常百姓家”至关重要。自2019.05.24第一批Starlink发射以来，关于用户终端的消息就陆续进入公众视野；近来，随着Starlink逐步开启系统测试，我们也得以了解了更多关于用户终端及天线的信息。
关于此反映出的若干信息有如下几点：
（1）天线具有一个电机，具有自动的机械调整能力。需知，此电机调整仅有一个方向的机械调整能力，基本上可以确定的是此电机调整仅用于调整俯仰角，终端可根据自身所处的经纬度地理位置自动调整俯仰角（如终端具备GPS定位及预置星历信息下即可自行调整）。
（2）终端采用圆形平板天线，直径0.48米左右，且采用相控阵实现收发信号的自动跟踪，可参考公布专利US20180241122内容。
（3）卫星信号进一步可转化为Wifi信号，且支持2.4/5GHz双频段常用的802.11制式。不过，当前仅能做到Wifi5（802.11 ac），尚不支持Wifi6（802.11 ax）。终端在Wifi接入侧相关信息如图3所示：

星链Starlink二代星与星盾简介
图3 Starlink用户终端的Wifi接入功能参数相关信息

如图3所示，5GHz频段可支持802.11 ac，最大传输速率866.7Mbps，此速率在80MHz信道带宽和2×2传输模式下实现。至于尚不支持Wifi6，可以猜测是因为没必要去支持Wifi6，因为Starlink为每终端提供的星地用户侧速率有限，在采用常规802.11 ac时即可满足星地侧传输速率需求。后文将对Starlink星地用户链路传输速率进行分析，进一步验证此结论。
上述特点使得Starlink终端具备即插即用特性，极大降低了消费者尝试卫星互联网的使用门槛。在资费方面，先前公布的资料显示终端整体售价在200美元，月租80美元，与美国传统电信运营商如Verizon、T-Mobile、AT&T等月资费几十美元接近。

2.3 相控阵天线工作机制

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：
星链Starlink二代星与星盾简介 
图4 Starlink星载相控阵天线公布专利中实现机制

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。

3

Starlink星地链路协议

3.1 星地链路传输速率分析
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。
星链Starlink二代星与星盾简介

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，如表1所示：
表1 Starlink用户链路下行链路预算与传输速率分析
参数
值
载频（注1）
11.7 GHz
带宽
250 MHz
EIRP（注2）
36.7 dBW
星地距离（25度仰角）
1123.4 km
自由空间损耗
174.8 dB
99%系统可用度雨衰（纽约当地）
2.4 dB
其他损耗（注3）
1 dB
终端天线直径
0.48 m
终端天线增益（注4）
32.8 dBi
系统噪声温度
300 K
接收端载噪比C/N
11.2 dB
接收模型（注2）
DVB-S2X
滚降因子
0.1
频谱效率
3.29 bps/Hz
传输速率
822.5 Mbps
注1：载频取Starlink系统用户链路下行的中心频率；
注2：参考Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比；
注3：其他损耗主要考虑大气衰减、插入损耗等；
注4：天线效率取0.55

3.2 星地链路动态性分析
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：
星链Starlink二代星与星盾简介
图5 Starlink星座纽约当地终端的用户链路动态变化率（左图方位角、右图俯仰角）
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。
对在轨532颗卫星的在轨空间段分布如图1所示。由图可看出，卫星基本已分布在若干（实际上是18个）个轨道面上。

星链Starlink二代星与星盾简介 
图1 Starlink当前在轨532颗卫星在轨分布

所有卫星轨道高度统计如图2所示。可看出，已工作在预定550km轨道高度的卫星有374颗，占比70%，其他绝大多数卫星均处于轨道爬升过程，部分卫星已低于300km（接近失效）。

星链Starlink二代星与星盾简介
图2 Starlink卫星在轨高度分布

进一步对各批次发射卫星的在轨高度进行分析，我们可发现，第一批次有35颗卫星轨道高度已低于300km，且仍在持续下降；而在近两个月前（2020.06.21），低于300km高度的卫星仅2颗，且基本上第一批Starlink Demo版本卫星都在轨道下降过程中。对于第二到第六批卫星，基本上所有卫星都已进入预定轨道工作。更为详细的信息，可参考图3及先前历史结果进行分析后即可得出。

星链Starlink二代星与星盾简介 图3 Starlink各批次卫星在轨高度分布

2.2 端到端时延性能分析

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：

星链Starlink二代星与星盾简介 图4 Starlink当前在轨卫星提供端到端往返时延RTT分析

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1所示：

表1 端到端往返时延历史性能分析对比
星链Starlink二代星与星盾简介

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%）。
3.3 星地链路动态切换性能分析
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：


星链Starlink二代星与星盾简介
图6 Starlink星座当前在轨卫星对纽约当地终端的服务情况（终端最佳仰角接入）
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。如图7所示：
星链Starlink二代星与星盾简介
图7 Starlink星座当前在轨卫星对纽约当地终端的服务情况（终端最大接入时长）


由图7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：


星链Starlink二代星与星盾简介
图8 Starlink星座第一阶段1584卫星对纽约当地终端的服务情况（终端最佳仰角接入）

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。具体如图9所示：

星链Starlink二代星与星盾简介

图9 Starlink星座第一阶段1584卫星对纽约当地终端的服务情况终端最大接入时长
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。


3

星舰部署卫星的新方式

6月5日，马斯克在社交媒体上公布了星舰在轨部署“星链”V2.0卫星的渲染视频[12]，如下所示。
视频：星舰部署“星链”V2.0卫星的新方式
（来源：伊隆·马斯克）
由于星舰采用箭船融合的设计方案，不是采用传统的有效载荷整流罩设计方案，因此单次任务中如何部署120颗“星链”卫星将是技术难点。在马斯克给出的方案中，“星链”V2.0卫星与V1.0的方案基本一致，只是尺寸更大（达到星舰内部空间尺寸上限），在星舰有效载荷空间内也采用相同的多层堆叠布局方案，每一层并排布置2颗星链V2.0卫星。星舰进入预定轨道后，会在有效载荷空间底部打开一个扁平出口（正好能够容纳“星链”V2.0的7米长度），位于堆叠载荷底层的2颗“星链”V2.0卫星利用类似冷弹射的方式从扁平出口顺序弹射出来，进入轨道；之后，堆叠载荷整体下移，下层的2颗卫星再弹射出星舰，进入轨道；之后，不断循环部署，直到所有卫星都进入轨道，完成部署任务。
虽然马斯克给出了初步的解决方案，但是其中仍有很多关键技术需要开发和工程验证（包括弹射技术、堆叠载荷整体位移控制等）。而在当前超重-星舰入轨飞行试验迟迟得不到美国联邦航空局（FAA）许可的情况，新的卫星部署方式短时间也很难开展在轨验证。如果“二代星链”星座得到FCC的批准，6年内部署半数（1.5万颗卫星）的目标也将面临非常大的挑战。

3.1 “星盾”系统的主要技术特点和应用场景

2022年12月3日，美商业航天企业SpaceX公司官方网站发布“星盾”（StarShield）计划。SpaceX将“星盾”定义为服务于国家安全的卫星星座，区别于星链的商业化运行，星盾专为美军政部门服务，目前主要提供遥感、通信和载荷托管三方面服务，并且星盾在星链数据加密服务基础上使用额外加密技术来保证托管载荷数据处理安全性，以满足官方需求。
星链Starlink二代星与星盾简介图 1 星盾卫星概念图
假使星盾为全新星座，SpaceX需为其额外申请轨位和频谱资源，但SpaceX并未进行相关申请。并且12月1日，美国联邦通信委员会（FCC）部分批准了SpaceX公司的二代星链星座（StarlinkGen2）计划，批准了该星座9个轨道壳中的3个（525km，53°；530km，43°；535km，33°）共计约7500颗卫星的BS计划，但同时推迟了SpaceX使用E波段频率和跟踪信标的审议。
此外，星盾的发布几乎与FCC审批完成同步进行，意味着星盾极有可能就是即将开始BS的二代星链星座。脱胎于星链的星盾正式宣布服务于国防，掀开了商业航天军事化运用的新篇章。
2022年12月1日，美国联邦通信委员会(FCC)批准SpaceX公司发射其第二代“星链”(Gen2Starlink)的7500颗卫星，并允许该公司开始部署该系统，同时开始审查该公司的29988颗卫星发射提案。紧接着12月2日，SpaceX公司就公布了其“星盾”方案，由此可见，“星盾”计划主要依托第二代“星链”卫星实现功能。
从“星链”系统和“星盾”计划的发展脉络可以看出，“星盾”计划是基于第二代“星链”卫星及相关设施，着眼政府和军方需求开发出的一类专用产品与服务，是“星链”服务功能的拓展。从乌克兰危机可以看出，“星链”系统有三大特点：一是具备实战能力，此次乌克兰危机证明了SpaceX公司开发的“星链”通信卫星能够在实战环境下，为前线部队提供及时的通信服务，说明“星链”卫星有极强的可靠性，其单兵通信终端能够在恶劣的作战条件下满足通信顺畅的要求。二是具有去中心化的优势，无法全部被击落和干扰。整个星链卫星群有两千多颗在地球的轨道上。如果俄军对“星链”卫星进行反卫星作战或者打击，那么3000多颗星链卫星不可能全部击落，去中心化能力就意味着“星链”卫星的生存能力极强，这直接决定了乌军的指挥体系在俄军大规模打击下，仍然可以正常运转。第三，实现了多用途能力，不仅用于前线作战平台的通信，还实现了监视、侦察、导航、通信中继等功能，可以认为星链卫星不仅仅是通信网，更是一个多用途平台。美国在乌克兰对星链卫星的军事化能力进行了全面测试，发现其具有巨大的战争潜力。接下来随着第二代“星链”卫星和“星盾”系统的推出，可能将为美军全球作战的提供更加便捷的保障。
从 SpaceX 官网有限的资料来看，目前“星盾”系统的功能其主要涉及到三项：
1.地球观测：“星盾”系统可发射带有遥感设备有效载荷的卫星，并将处理后的数据直接提供给用户。SpaceX官方解释是带有传感器的卫星对地观测，不光局限于光学观测，还有红外等方式的波段观测。“星盾”卫星可通过搭载先进的传感器， 利用轨道低、重访周期短，且星间互连互通的特点，帮助美军实现近乎全天候不间断的侦察和监视，利用计算体系的大数据分析，来辨别目标，识别大中型武器系统，有助于强化美军“非对称”侦察监视技术优势。

星链Starlink二代星与星盾简介
比如“星盾”系统将为美国军方研发和部署导弹探测与跟踪的卫星群，SpaceX 公司之前就为美国莱多斯( Leidos )公司设计了四颗机密级的红外观测卫星。这些卫星群将为美国军方提供从弹道导弹到高超音速导弹的探测任务，并且还可以在其射程内提供跟踪，确保美国军方发射拦截弹对其进行有效拦截，可能会成为新一代可拦截高超音速版本的导弹防御系统，将极大抵消敌方导弹及核力量的突防能力。

2.通信：“星盾”系统可以为政府用户提供可靠的全球通信。“星链”计划将发射覆盖全球的互联网卫星，可使美国构建全球无盲区波束覆盖，将进一步增强美军通信能力。“星链”宽带可以为全球用户提供25毫秒的低延迟传输，这比当前世界最先进卫星通信250毫秒延迟传输标准提高了一个数量级。目前“星链”系统是军民混用的，比如发到乌克兰的星链客户单与全球其他国家民用的并没有什么区别，只有客户端通信级别与带宽的高低，尽管有技术手段将这些数据隔离，但最终都可能会受到星链通信负荷的影响。下一步通过“星盾”系统，美军可在专用网络中独享专用带宽、加密设备、保密线路等军用属性的网络服务，并且在必要时可以占用民用线路扩展其带宽与应对灾难性备份等，美军目前已经意识到“星链”系统服务的可靠与便捷性，如果能以“星盾”的方式进行部署，那么美军的应用面将会推广到本土以及其他驻外美军基地甚至在海上和空中部署。
3.负载托管：“星盾”系统通过打造强大的卫星总线，支持客户订制的有效载荷任务。“星盾”系统通过提供一个通用化的低轨卫星平台，采取通用化的电源和数据加密手段，依托SpaceX公司强大的卫星生产和部署能力，模块化载荷的形式则向美政府 和军方开放，卫星可以在制造后直接安装发射。比如在 SpaceX 官网中报道，将提供托管“机密有效载荷和安全处理数据，以满足最苛刻的政府要求”“并提供比商业‘星链’服务更高级别的加密系统”。其主要应用场景可能有以下几类：
( 1 )特种通信。“星盾”计划实施后，美军将进一步提升“全域机动”与“跨域协同”能力，其全域作战优势必将得到进一步强化。通过搭载特种通信载荷，解决专项通信问题，例如核潜艇深潜海底数百米，行踪保密、机动性强，对其进行及时、高效通 信难度极大。目前使用的长波通信虽然覆盖范围大，但是传递内容少，使用繁琐且易出错。“星链”卫星覆盖全球的通信范围，无论核潜艇在何处都可通过释放专用通信浮标完成通信。
( 2 )导弹预警与拦截。“星盾”系统可通过搭载探测/杀伤载荷，在导弹发射升空的阶段进行预警和拦截，将大幅度提高反导效率。通过导弹预警卫星群与美国部署在东亚的“萨德”拦截系统、“陆基宙斯盾”系统、海上巡航的“阿利·伯克-3”型驱逐舰等有效链接，将获取的导弹发射信息及时传输至美军和盟友的拦截系统，可有效提高成功拦截导弹的概率。同时，“星链”卫星还将具有对飞行器的遥测、跟踪功能以及自身自主变轨能力，可用于对洲际弹道导弹实施直接碰撞式拦截。

星链Starlink二代星与星盾简介

( 3 )无人作战平台远程操控。“星链”卫星可以610Mbps的通信速率向无人战车、机器人、无人机提供超视距通信服务，通过搭载远程操控设备，将无人机的指控系统可布置在全球的任意地点，使无人作战的突发性和操控人员的安全性大幅度提升。作战人员可操控远在数千公里外的地面无人战车和无人机作战，进一步强化美军“非接触”作战的优势。
( 4 )提升导航定位系统的精度和抗干扰能力。利用“星链”卫星上的 GPS 接收器，同现有 GPS 信号相结合，就可以将“星链”网打造成卫星定位和导航系统。使用即时轨道和时钟数据的“星链”低轨道定位系统，将可以让用户的位置精度达到 30厘米以内，而占用“星链”的下行带宽不会超过1%，耗电不超过0.5%。另外，“星链”卫星信号很强，很难被地面的干扰机干扰或欺骗。由“星链”卫星组成的导航定位系统低成本(相对建一个备份的GPS系统)、抗干扰、信号强、精度高，可弥补 GPS 的不足。
( 5 )数据融合。在美国陆军下一代分队级战术互联网组网的设想中，旅级以上部队可以与部署综合战术网的部队具备全球同步的多域作战能力，分队一级则通过网络增强技术集成到“综合视觉增强系统”(IVAS)中，该系统支持执行多种态势感知功能，包括仿真训练环境以及用于增强态势感知的语言翻译等。有消息表明，美国陆军正积极寻求利用 SpaceX 的卫星网络技术，可以在扩大网络容量的同时缩短网络延迟，从而支持“任务式指挥”系统运用、火力打击、保障行动和情报系统数据的融合。下一步，不排除“星盾”将会打造专用的“陆军载荷”。

3.2 星盾项目背景

3.2.1  通导遥一体化趋势不可避免

通导遥一体化即是航天器通导遥一体化，是指在一颗航天器上实现双向物联通信、星基导航增强和高分多模遥感三种功能。目前各国航天器在这三方面均为独立运行，卫星通信、定位导航、对地遥感三个方面在各行各业都发挥着举足轻重的作用，但并没有形成一个整体，信息获取、利用效率仍然较低。
我国十四五规划《纲要》指出，将“建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施”，以及“打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系等作为国家战略工作的重点”。
毫无疑问，“通导遥一体化”正成为各世界航天强国的研究热点，但目前全世界还没有任何一个国家建成真正意义上的通导遥一体化系统，这也给各国留下了发展窗口期，谁能抓住机遇，谁就能步入发展的快车道。
依据官方发布信息，星盾已实现通遥一体化，但通信和导航本身天然一体，因为卫星导航系统要采用通信手段进行定位，通信在特定条件下也可进行定位，当前加州大学和北京航空航天大学[1]已经对星链卫星的定位能力进行了验证，证明其具有一定的导航定位能力。

3.2.2 “寄宿载荷”解决方案不断成熟

除遥感、通信服务外，更引人瞩目的是星盾提出的载荷托管服务。载荷托管起源于美国航天和导弹系统中心（SMC）主管的“寄宿载荷”方案（HoPS），即利用商业卫星搭载军用载荷。早在1976年，休斯公司的商业卫星上就搭载过美海军的军用通信载荷，“铱星”系统中也有22颗卫星搭载了美军“天基杀伤评估载荷”，美军方研制的空间机械臂也以测试名义搭载于商业在轨服务航天器。
载荷托管最主要的优势在于可以大幅节省卫星采购费用。美军新一代导弹预警卫星“天基红外系统”（SBIRS）最后一颗SBIRS-GEO-6于今年8月发射完成系统组网，此系统共6颗卫星，单颗造价近10亿美元，折合前期研发成本，每颗卫星耗费近30亿美元。
但在项目研制中期，美军方利用SES-2卫星搭载SBIRS的红外载荷进行在轨测试，据报道相关费用仅数千万美元。但由于军用载荷对卫星平台的质量和功率裕度有较高要求，因此SMC曾要求相关航天企业建成全功能的载荷托管卫星平台，并为其建设配套的地面系统。

星链Starlink二代星与星盾简介图 2 SBIRS-GEO-6卫星


除降低成本外，载荷托管还具有加速天基能力交付、增强军事航天力量弹性和强化工业基础稳定性等优点。星链作为当前最大规模的商业卫星星座，本身具有平台功率裕度足、载荷搭载能力强的优势，并且其更新迭代速度快，发射任务频率高，制造发射成本低（约50万美元/颗），已经具备成为全功能载荷托管卫星平台的条件。在星链基础上衍生出的星盾不仅继承星链的上述优势，还在数据安全、载荷兼容、互联互通等方面获得进一步加强。
综上，在商业卫星上托管军用载荷，由于不需要研制整星，不仅大幅节约成本，缩短研制时间，更由于分散BS军用载荷，增强美国太空力量的隐蔽性和抗毁性。因此在商业卫星上托管军用载荷是世界航天领域军民融合大趋势中的有效手段。

4 星盾军事潜力及现实威胁分析

4.1 缩短杀伤链条赢取战场先机

OODA即观察（Oberve）、判断（Orient）、决策（Decide）以及行动（Act），作为杀伤链的循环周期。作战中，OODA环耗费时间越短，就越容易抢占战场上的先机，取得作战胜利。
当前在轨卫星系统在通、导、遥三方面功能基本为独立运行，虽然在各方面均发挥着重要作用，但尚未形成一个整体，信息获取、传输、利用效率仍处于较低水平。目前我国还无法对目标进行全球实时的连续跟踪，对某些固定目标也无法实现实时变化监测，尚未建立起全球范围内全天候感知能力。现有的通信、导航、遥感卫星系统三者各成体系，卫星获取信息下传后，需要花费数小时按步骤分级处理，远远不能满足快速响应的要求[5]。
但当前星盾已经实现通遥一体化，不排除入轨测试后具备导航功能，成为第一个通导遥一体化系统，星盾本身可实现在轨实时数据处理，并且具备星地低时延、大容量信息传输功能。此外，星链作为目前唯一在轨运行的星间激光通信系统，同样具备星间激光通信功能的星盾，可利用已有的星间激光通信网络，实现全球范围内全天候的数据获取与传输。
星链Starlink二代星与星盾简介
图 3 第三方卫星与星链卫星星间激光通信网络的交互性
综上，星盾依托于自身平台功能高度集成化和星链的庞大星间激光通信网络，将缩短“发现-锁定-跟踪-瞄准-交战-评估”闭环时间，使OODA“环”变为“点”，压缩作战各环节执行时间，以快打慢，致力于实现《美国国防战略》强调的“战略上可以预判，战术上难以捉摸”。

4.2 实践掩军于民显著降本增效

“寄宿载荷”方案作为美国军民融合中“以民掩军”的典型措施，其本身目的还是在保证隐蔽性和经济性的前提下发展军事航天力量。
星盾作为SpaceX公司产品，必定会使用本公司运载火箭发射入轨。结合官方披露的星盾卫星外形，星盾依旧采用可折叠太阳能帆板和平板式设计，为了实现单次大规模BS，应会继承星链卫星的堆叠连接与分离技术。
按照前文分析，星盾单星质量约为1.25-1.35吨，SpaceX原计划使用星舰（StarShip）BS星链V2.0，星舰在复用情况下运载能力约为100-150吨（LEO），非复用情况下运载能力约为250-300吨（LEO），因此星舰单次至少可BS 74颗星盾卫星。
受模块化设计和堆叠连接技术影响，星盾卫星之间在外观上应无明显差异。当美军方在同一批星盾卫星中其中一颗或数颗星盾卫星中搭载军用载荷时，其他国家难以研判确定某颗星盾是否搭载军用载荷及其载荷功能类型，即使分别对其抵近成像，也难以对其识别。
此外，根据对星链系统的成本核算[6]，得益于星链的规模化、批量化均摊了研发成本，单颗星链卫星从制造到发射入轨成本约为50万美元/颗，继承大量星链成熟技术的星盾研发制造成本也必然大幅降低。

4.3 增强体系弹性提升生存能力

传统渐进式、增量式、单个高价值太空系统的设计、开发、BS和维护成本极高，在新型高科技对抗中显得更加脆弱。因此美军近年来一直倡导建立分散式、扩散式、多样式的弹性太空体系，以确保太空力量的生存能力。
根据前文分析，未来可能将有7500颗星盾卫星BS在525、530、535km三个轨道壳上，巨量卫星BS可实现星座功能的“去中心化”。并且由于高价值单星转为低成本载荷，可以将的单颗卫星功能分散BS在多颗星盾上，即使某个或部分节点受到打击，星座功能不会瘫痪，并且可进行应急发射、快速补网，使得星座具备极强抗毁伤能力。
此外，目前SpaceX已经实现36小时内发射3枚猎鹰-9火箭，再次打破同型运载火箭高密度发射的时间间隔纪录，火箭密集发射的能力不断增强，进一步保证了太空体系的弹性生存能力。

5

小结


首先对Starlink在轨卫星分布及时延性能进行分析，通过与几个月前分析结果进行对比后发现，当前Starlink星座在保障端到端服务可靠性（98%）与降低时延（39.9ms）方面都取得了显著提升。
此后，重点对SpaceX公司新提出的Starlink第二代低轨星座进行了介绍，包括空间段星座构型、卫星载荷、工作频段与波束。相比于第一代近1.2万颗Starlink星座而言，本次3万颗的第二代Starlink系统规模更大，也将采用星间链路。
根据“星链”V2.0卫星细节和星舰部署卫星的新方案，可以判断SpaceX始终贯彻着“快速迭代”的发展思路，对于成千上万颗卫星的“星链”星座和颠覆传统火箭设计的超重-星舰完全复用航天运输系统而言，即使在项目规模急剧增加的情况下，SpaceX仍然坚持着创新和迭代优化的理念。而且上述两个大型项目还互为迭代过程的输入，“星链”要求超重-星舰满足其发射部署的技术进度要求，超重-星舰的发射能力则为“星链”卫星设计优化提供了可能性。如果项目取得成功，SpaceX将获得巨大收益，不过同时也要面临急剧提升的系统复杂性和潜在风险。
SpaceX公司自2014年宣布建设StarLink（星链）星座以来，已发展成在轨卫星数量最多、发射频度最快、技术最变革的低轨星座系统。2019年10月份，SpaceX公司向国际电信联盟ITU报送了30000颗卫星的网络资料，而后在2020年5月份将更详细的申请提交至美国联邦通信委员会FCC。这一期3万颗卫星代号为Starlink Gen2（Generation 2, 第二代），在原4409颗星座的Ku、Ka频段基础上，增加了E频段，同时也考虑采用星间链路。本文首先对Starlink当前在轨卫星分布及时延等性能进行分析，随后重点对Starlink第二代系统进行了介绍，包括其空间段星座构型、卫星主要载荷特性、频率与天线、波束等内容。
从最初的“异想天开”到今天形成实实在在的能力和威胁，马斯克和他的SpaceX公司走出了一条不同寻常的发展之路，这其中既有需要我们认真对待和解决的现实威胁，也有值得我们深入学习研究的方法路径。
(一)从空天争夺的角度来看，“星链”和“星盾”计划客观上刺激了世界各国共同加速对近地资源、太空资源的开发及探索。近期俄罗斯、英国等国也频频发射卫星，组建各自的近地轨道卫星网络。俄罗斯将投资约50亿美元，计划于2025年前建成一个轨道高度为870公里，由288个卫星组成的卫星互联网。英国一网公司计划到2022年底前部署648颗卫星，将使世界各地的用户获得互联网宽带接入。目前，相对于高、中轨道的卫星网络业务发展，新兴的低轨通信卫星已经成为各个国家、不同阵营进行太空竞争的主要赛道。未来在近地轨道的资源竞争将更加激烈。尽快开发和利用低轨星座系统，抢占有限的低轨卫星空间资源，抢占频谱主动权，这对于构建“透明”战场，打赢未来战争具有十分重要的意义。
(二)从作战形态的角度来看，以“星链”“星盾”为代表的去中心化分布式作战严重冲击传统作战模式。初代星链卫星原来的v0.9型重227公斤，后来升级的v1.0型重260千克，不管是哪个型号，星链卫星都属于是小卫星。而这样的小卫星通常来讲造价都比较低，本身也不具备太高的科技含量。再加上SpaceX公司的“猎鹰九号”可重复使用的运载火箭技术，一颗卫星从建造到发射到轨的成本只有50万美元。由于“星链”卫星基数大、在轨机动能力强、成本低廉、部署方便，已经成为太空“蜂群”。任何国家和力量基于现有的技术手段均无法将其彻底摧毁，且传统的反卫星手段攻击成本远高于生产成本，体现出“星链”系统强大的生存能力和适应能力，不仅可以提供“牢不可破”的通信组网，同时不排除在不远的将来，也可以采取“蜂群”的方式对敌方太空装备发动攻击。因此，着眼“星链”卫星和“星盾”系统在美军作战体系中的地位作用，必须尽快发展有针对性的毁伤方法和干扰手段，防止进一步拉开“技术代差”。

(三)从技术发展的角度来看，从“星链”到“星盾”的不断发展体现了强烈的导向性。从初代“星链”卫星开始，SpaceX公司聚焦互联网通信进行攻关突破，有效解决了小微卫星降低成本、简化生产、批量部署等难题，迅速实现了“星链”卫星的规模化部署，形成了商业运营能力。同时通过用户的体验和反馈，不断探索新的技术路线和应用场景，特别是充分利用乌克兰危机这一难得的契机，很快证明了“星链”系统的潜在军事价值，并为“星链”系统的升级迭代和功能拓展吸引了资金、拓展了平台。从最初“星链”系统聚焦通信的功能“专”，到现在依托平台拓展的用途“广”，SpaceX公司着眼长远、科学布局的技术发展路线具有很强的导向性。我们在装备体系建设中既要重视顶层设计，也要重视垂直领域；既要看“专精特新”，也要统筹平台建设；既要立足当前，也要着眼未来，才能走出一条具有自己特色的装备体系发展之路。
(四)从资本运营的角度来看，美国军方与SpaceX公司的合作方式值得认真借鉴。SpaceX公司打着为全球提供公共产品为旗号，“星链计划”实质是美军民协同体系下，服务美太空安全战略的一场“公私合营的新基建运动”。“星链”卫星的技术并不是SpaceX公司原创，而是从比较成熟的技术状态买来后发展的。马斯克作为一名经验丰富的科技创业者，能够说服资本市场，通过炒作概念来吸引资金投入和高端人才，把一项商业潜力不足的技术发展起来，并在此基础上通过大规模商业应用打响品牌。美国军方从何时开始介入项目并无定论，但可以肯定的是，军方采取的“长期跟踪、深度参与，战技融合、共同发展”的思路，在很短时间内就将这一新技术纳入美军作战体系，并利用“星链”卫星迭代升级的时机，将自身对未来作战的设计和装备体系的发展“嵌入”SpaceX公司对“星链”“星盾”系统的开发之中，确保在未来的大国竞争中保持相应的技术优势。从公开的报道看，目前星链计划第一批服务的客户只是美国陆军和美国空军，但实际上背后真正的大手是美国刚刚组建的太空军。“星盾”计划加速推进，对完善美国“空天地一体”作战能力，优化美国“无尽边疆”太空战略部署均有着重要战略作用。美国政府和军方对“星链”计划的跟进，对“星盾”项目的促成，也为我们开展深层次军民协同提供了良好参考和借鉴。

( 五 )从体系建设的角度来看，基础设施平台建设在某种程度上促进了武器装备的发展和作战形态的演化。万物互联是信息时代的高阶形态，网络是连接万物的基础支撑，通联可靠、生存力强的数据通信网络是信息化智能化作战的重要物质基础。美军历来高度重视战场通联和数据传输技术，一直在寻求和建设理想的数据传输平台，通过利用人工智能、机器人、传感器-射手同步网络、大功率武器等技术，在战场上取得观察、判断、决策、执行(ooDA) 体系对抗的整体优势。“星链”计划通过为地球重新“织网”，居高临下、依天构网可以有效克服地理地形束缚， 为空中、远海、高山、荒原、僻地等提供可与地面宽带相媲美的无线宽带互联网接入服务，是理想的“军用信息高速公路”。美军从“星链”系统的商业化应用中看到了巨大的潜力，也愿意为其投入巨额资金，甚至深度介入开发专门的“星盾”系统，将其纳入未来作战体系，融入其正在进行的 “下一代集成网络”“未来战术无人机系统”等重大革新项目，反过来促进了“星链”项目的发展。事实再次证明，要想提高装备体系建设的整体水平，提升武器装备的信息化智能化程度，就必须在打造性能先进、通用性强、自主可控的信息技术基础设施上舍得投入、狠下功夫。


参考文档
[1]https://www.youtube.com/watch?v=XP5k3ZzPf_0
[2]https://fcc.report/company/Space-Exploration-Holdings-LLC
[3]为和SpaceX当前正在申请的“二代星链”星座进行区分，本文将当前正在建设过程中“星链”星座称为“一代星链”，非官方名称
[4]https://spacenews.com/spacex-submits-paperwork-for-30000-more-starlink-satellites/
[5]https://lilibots.blogspot.com/2020/04/starlink-satellite-dimension-estimates.html
[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Starlink
[7]https://www.cnbc.com/2022/01/06/spacex-starlink-internet-service-has-more-than-145000-users-so-far.html
[8]https://spacenews.com/starlink-reaches-250000-subscribers-as-it-targets-aviation-and-other-markets/
[9]https://www.cnbc.com/2022/05/25/spacexs-starlink-surpasses-400000-subscribers-globally.html
[10]https://arstechnica.com/information-technology/2021/02/spacex-plans-starlink-phone-service-emergency-backup-and-low-income-access/
[11]https://www.foxbusiness.com/technology/elon-musk-starlink-telecommunications-partners
[12]https://twitter.com/elonmusk/status/1533408313894912001

1. UFO上插根棍子——Starlink（星链）的故事（第二期），https://mp.weixin.qq.com/s/fyBW_J8Ird0qE3a0dX_bSA
2. Statlink星座覆盖与时延分析，https://mp.weixin.qq.com/s/c7SePqN3CXnP2iNzMNYTQQ
3. Starlink星座容量分析，https://mp.weixin.qq.com/s/3JVZeWxWnDVYPvjH7sEA-g
4. 关于StarLink，我们需要知道的事，https://zhuanlan.zhihu.com/p/91352915
5. Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比，https://mp.weixin.qq.com/s/SsMyk_oE-3V1oGObqeEYaA
6. Starlink终端通过FCC认证，来猜猜这个“飞碟”是个啥结构？https://mp.weixin.qq.com/s/twBO41x9ZRKhAP8OOnb2Zg
7. Starlink星链终端通过了FCC认证；家用版“星链”图片曝光https://mp.weixin.qq.com/s/jyak84FLeNM_v6YQQ2Ysiw
8. 一文看懂电磁波的波段命名，https://mp.weixin.qq.com/s/Y8yi4saA9MP_yVUMOxm3qQ
https://www.youtube.com/watch?v=N8fQiq5PNYI
https://www.youtube.com/watch?v=u4SnoKVkC6M
https://www.youtube.com/watch?v=TUI_wSX8EuQ
https://www.youtube.com/watch?v=HkBFxu6mfgY
https://www.youtube.com/watch?v=qs2QcycggWU
https://www.youtube.com/watch?v=zy6EqYZlscU
https://www.youtube.com/watch?v=H21SRCdp8_g



原文始发于微信公众号（太空安全）：星链Starlink二代星与星盾简介

版权声明：admin 发表于 2023年6月13日 下午4:21。
转载请注明：星链Starlink二代星与星盾简介 | CTF导航

相关文章

一个简单的STM32固件分析
admin
776
从零开始复现 DIR-815 栈溢出漏洞
admin
1,173
IOT漏洞挖掘 | 路由器固件仿真配置​(三)
admin
452
非常实用的示波器基础知识问答，建议收藏！！！
admin
1,021
硬件安全-FT232HQ获得路由器串口与读取固件
admin
633
CVE-2022-22252: Huawei HWLog Vmalloc Use-After-Free
admin
672

暂无评论

您必须登录才能参与评论！
立即登录
暂无评论...

相关文章

Hacking into colgate smart tooth brush for fun!
0
【BlackHat 2024】SystemUI As EvilPiP: 针对现代移动设备的劫持攻击
0
迅捷PoE*AC路由一体机FR100P-AC固件提取研究
0
路灯频率？自由控制路灯？
0
TP-Link Archer AX-21路由器 任意命令执行漏洞 CVE-2023-1389
0
西湖论剑2024 IOT赛后复盘及mqtt rce详解
0
Hunting for Unauthenticated n-days in Asus Routers
0
Palo Alto CVE-2024-3400 漏洞分析
0
原创 | CVE-2024-21762 FortiOS内存越界写导致RCE漏洞分析
0
手把手玩转路由器漏洞挖掘系列-WIFI安全威胁
0