Starlink 星座应用现状及分析.pdf
《Starlink 星座应用现状及分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《Starlink 星座应用现状及分析.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2023 第 4 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.2Starlink 星座应用现状及分析 王羽1,李清1,李克军1,蒋长林1,王野1,江勇1,2,徐明伟1,3(1.鹏城实验室,广东 深圳 518055;2.清华大学深圳国际研究生院,广东 深圳 518055;3.清华大学计算机科学与技术系,北京 100084)摘 要:Starlink 星座计划是目前全球最具前瞻性和影响力的低轨宽带卫星互联网星座。随着 Starlink 星座部署规模扩大,其
2、高频次的发射及批量卫星部署,多样化卫星宽带服务提供,全球终端用户的快速增长,以及对军事应用的潜在支持和增强能力等应用潜力逐步显现。首先分析 Starlink 的在轨运行现状,并将其互联网服务与其他卫星宽带服务提供商进行对比;然后重点研究 Starlink 星间激光链路的应用特点及技术挑战,探讨 Starlink 的军事应用现状及演化趋势;最后总结 Starlink 的综合应用优势及面临的技术挑战,为我国卫星网络设计提供依据。总体而言,巨型 LEO 星座的建设及其应用不仅是卫星平台的实现,还涉及卫星设计及工业化生产、发射能力支持、星座的运维、卫星组网、地面站配套等一系列的工业链能力集成。关键词:
3、星链;低轨宽带卫星星座;激光星间链路 中图分类号:TN92 文献标识码:A doi:10.11959/j.issn.20968930.2023023 Application Status and Analysis of Starlink Constellation WANG Yu1,LI Qing1,LI Kejun1,JIANG Changlin1,WANG Ye1,JIANG Yong1,2,XU Mingwei1,3 1.Peng Cheng Laboratory,Shenzhen 518055,China 2.Tsinghua Shenzhen International Gradua
4、te School,Tsinghua University,Shenzhen 518055,China 3.Department of Computer Science and Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China Abstract:Starlink,asatellite broadband constellation operated by SpaceX,is currently the most influential and promising LEO broad-band satellite constellation.
5、With the expansion of the constellation deployment,its high-frequency launch and batch deployment of satellites,provision of diversified satellite broadband services,rapid growth of global user terminals,as well as potential support and capability enhancing for military are manifesting gradually.Fir
6、stiy,the current status of Starlinks on-orbit operations were analyzed,and its internet services with other satellite broadband service providers was compared.Then,the application characteristics and technical challenges of Starlinks inter-satellite laser links were focused on,and Starlinks military
7、 application progress and the evolution trend were discussed.Finally,the comprehensive application advantages Starlink offers,and technical challenges faced by Starlink were summarized,which could served as a stepping stone for the design of our countrys satellite network.Overall,the construction an
8、d ap-plication of a mega LEO constellation like Starlink involves the chain integration of a series of component,ranging from satellite design and industrialized production,satellite launch facilities,constellation operation and maintenance,satellite networking,toglobal ground station supporting,rat
9、her than just the satellite platforms.Keywords:Starlink,LEO broadband constellation,laser inter-satellite link 0 Starlink 项目概述 Starlink(星链)是由美国太空探索技术公司(SpaceX)规划建设及运维的巨型低轨卫星星座,截至 2022 年 11 月8 日,Starlink 星座已完成 3 558 颗卫星的发射,并获得全球 44 个国家及地区的卫星互联网接入服务授权。Starlink收稿日期:20221216;修回日期:20230412 通信作者:李清, 基金项目:
10、鹏城实验室重大攻关项目(No.PCL2021A03-1);国家自然科学基金资助项目(No.61972189)Foundation Items:The Major Key Project of PCL(No.PCL2021A03-1),The National Natural Science Foundation of China(No.61972189)94 天地一体化信息网络 第 4 卷 星座建设规划分为两期,第一期建设分为两个阶段,其中第一阶段的部署规划包括倾角 53.0、53.2、70.0和 97.6的 5 个壳层,预计部署 4 408 颗卫星,任务完成状态见表 1。第一期第二阶段计划部
11、署 7 518 颗卫星(尚未开始部署),轨道高度更低(约 340 km),包括轨道倾角 42.0、48.0和 53.0的 3 个壳层1。SpaceX 针对 Starlink 星座已执行65 次发射任务(统计截止日期:2022-11-8),发射卫星3 558 颗,当前在轨活跃卫星 3 117 颗。不考虑前两次的实验性发射任务 Tintin(2 颗)和 v0.9(60 颗),卫星在轨良好率为 3 117/(3 558-62)89%。Starlink 2022 年 1 月 6 日至 10 月 28 日的 285 天内执行 32 次发射任务,将 1 615 颗卫星发射入轨。平均约 8.9天执行一次发射
12、,日均发射 5.7 颗卫星3。1 Starlink 应用现状与分析 SpaceX 已完成 Starlink 第一期第一阶段倾角为 53.0壳层 1 的部署,并以壳层 1 为主体向美国本土以及全球已获授权国家及地区的用户提供卫星宽带互联网服务。下面就 Starlink 星座在轨运行状态、宽带服务状况以及卫星宽带服务的地面服务授权情况进行分析。1.1 Starlink 星座在轨运行现状 根据 SpaceX 的卫星网络申请资料2,Starlink 第一期第一阶段总共计划部署 4 408 颗卫星,分别位于倾角为 53.0、53.2、70、97.6的 5 个壳层1。这种不同倾角的多壳层设计平衡了卫星的地
13、面覆盖率和卫星资源利用率,其中倾角 97.6的两个壳层确保星座的高纬度地区覆盖。表2统计了Starlink星座当前已部署卫星的在轨状态,数据统计日期 2022 年 11 月 8 日。其中,壳层 1 包含 72个轨道面,在轨 1 496 颗卫星,每个轨道面平均在轨卫星1 496/7221 颗,比星座规划的每个轨道面 22 颗少 1 颗。其中处于运营状态的卫星 1 280 颗,平均每个轨道面1229/7218 颗;不在预定轨位的卫星 173 颗4。表 2 Starlink 第一期第一阶段在轨卫星状态(统计时间:2022-11-8)对比项 壳层 1 壳层 4 壳层 2 壳层 3 运营中卫星/颗 1
14、280 991 33 182 定位中卫星/颗 12 4 0 4 不在预定轨位卫星/颗 173 148 18 1 不在预定轨道高度卫星/颗 31 328 0 0 卫星总数/颗 1 496 1 471 51 187 表 3 列出了 Starlink 已完成部署的壳层 1 卫星在轨状态 变 化。统 计 时 间 分 别 为 2022-5-16、2022-8-1 和2022-11-8,数据显示壳层 1 的在轨活跃卫星总数减少了13 颗,不在预定轨位和不在预定轨道高度的卫星数量变化较大。该组统计数据显示了 Starlink 星座的卫星网络的高度动态性,这种动态性一方面是由于卫星运行参数的差异,另一方面源于
15、维持巨型星座的稳定构型所需的在轨机动和调整5。表 3 Starlink 在轨卫星动态数据统计比较 对比项 壳层 1(轨道倾角 53.0)统计时间 2022-5-16 2022-8-1 2022-11-8 运营中卫星/颗 1 284 1 229 1 280 定位中卫星/颗 36 35 12 不在预定轨位卫星/颗 155 230 173 不在预定轨道高度卫星/颗34 29 31 卫星总数/颗 1 509 1 509 1 496 图 1图 3 分别示意了 Starlink 第一期第一阶段各壳层轨道面内的卫星分布及状态(数据统计日期:2022-11-8,原始数据来源4),轨道面以卫星的升交点赤经(RA
16、AN,图中横轴)识别。如图 1 所示,已完成部署的壳层 1 包含完整的 72 个轨道面,各轨道面间隔 5,各轨道面处于运营状态的卫星平均 18 颗。倾角 53.0的壳层 4 即将完成部署,其中约 67%的卫星处于运行状态(参见表 2数据)。如图 2 所示,壳层 4 RAAN 为 31的轨道面内有表 1 Starlink 第一期第一阶段轨道设计及任务完成状态(统计时间:2022-8-1)任务名称 轨道框架 轨道参数 任务完成状态 高度/km 卫星数量/颗 轨道倾角 轨道面数/个 卫星数量/颗 在轨活跃量/颗 失效或离轨量/颗壳层 1 550 1 584 53.0 72 22 1 469 256
17、壳层 4 540 1 584 53.2 72 22 1411 65 壳层 2 570 720 70.0 36 20 50 1 壳层 3 560 348 97.6 6 58 187 10 壳层 5 172 4 43 0 0 第 2 期 王羽等:Starlink 星座应用现状及分析 95 72 颗卫星在轨,其中 18 颗为运营状态,3 颗不在预定轨位,多达 51 颗不在预定轨道高度,这种动态性是 Starlink进行星座动态部署及维持调整的反映。如图 3 所示,倾角 70.0的壳层 2 已部署 3 个轨道面,其中 33 颗卫星处于运营状态;倾角 97.6的壳层 3 已部署 4 个轨道面,其中 18
18、2 颗卫星处于运营状态;壳层 3 的部署增强了Starlink 星座对极地地区的覆盖。1.2 Starlink 的卫星宽带服务 2022 年 3 月,SpaceX 宣布 Starlink 的全球终端用户已达到 25 万6,5 月增至 40 万7,9 月增至 70 万8。与其他图 1 Starlink 倾角 53.0壳层 1 轨道面及卫星状态 图 2 Starlink 倾角 53.2壳层 4 轨道面及卫星状态 图 3 Starlink 壳层 2/壳层 3 轨道面及卫星状态 96 天地一体化信息网络 第 4 卷 通过卫星提供互联网宽带服务的运营商一样,Starlink 目前的终端用户主要是地面网络
19、无法覆盖的用户。以美国为例,Starlink 并不是第一家提供卫星宽带网络服务的提供商,HughesNet 和 Viasat 是目前美国两大卫星互联网服务提供商。其中,HughesNet 是美国最大的宽带卫星互联网提供商,拥有 158 万用户(2020 年第 3 季度数据)6。Viasat公司则基于两颗 GEO 卫星(ViaSat-1 和 ViaSat-2)于 2012年推出 Viasat Internet 宽带接入服务,目前为美国的687 000 位客户提供服务9。Viasat 另外还通过其 Exede 互联网技术提供成熟的机载 Wi-Fi 宽带服务。SpaceX 是首家基于低轨(LEO)卫
20、星面向终端用户提供大规模卫星宽带接入的服务提供商,HughesNet和Viasat基于传统 GEO 卫星提供相关服务。将 Starlink、HughesNet以及 Viasat 的卫星宽带接入服务数据进行比较,在服务稳定性方面,HughesNet 的评估得分最高,其连接速度(带宽)的稳定性最佳。Starlink 星座服务稳定性的负面报道较多,其宽带互联网接入服务分别在 2021 年 8 月、2022年 1 月以及 4 月出现大面积服务中断和断网的严重问题,其中 2022 年 4 月网络核心连接中断持续了 30 min,用户报告问题的持续时间长达 4 h。根据针对 Starlink 服务不间断监
21、测的报道,个别用户失去 Starlink 链接的事故几乎是持续不断地发生,除了个别事故中指出例如由于暴雨等天气原因,大部分的事故 Starlink 服务方并未给出任何解释10-11。卫星互联网服务提供商比较见表 4,由表可知,在传输时延上,Starlink典型的时延(2040 ms)只是HughesNet和 Viasat(450700 ms)的约二十分之一。在业务速率(带宽)上,Starlink 也具有明显优势。卫星宽带服务的费用通常包括一次性的设备购买和每月的租赁或服务费用,3 家服务提供商服务收费标准相近。Starlink 特别推出 Premium 版服务,该服务一次性提供的终端设备能同时
22、跟踪更多的卫星,带宽预期在150500 Mbit/s,初次购买费用为 2 500 美元,每月服务费用为 500 美元。按照 Starlink 每月常规费用 110 美元计算,70 万用户每月可给 SpaceX 带来约 7 700 万美元的营收。2022 年 6 月,FCC 批准了 SpaceX 公司向船只、飞机和移动车辆提供Starlink服务的许可10。Starlink是后来者,更是一名超越者,其正在改变人们对卫星宽带互联网的认识、理解及预期。1.3 Starlink 的地面服务授权 虽然卫星互联网服务在技术上可以覆盖全球大部分甚至全部地区或人口,但实际的宽带服务只能在已获得特定国家或地区的
23、授权许可后才能提供。截至 2022 年 10月,Starlink 已经在全球 44 个国家和地区获得地面服务授权许可。2 Starlink 激光星间链路应用分析 根据空间平台搭载卫星能力的不同,3GPP TR38.811定义了两种典型传输架构:一种是透明转发,信号在卫星表 4 卫星互联网服务提供商比较 对比项 Starlink HughesNet Viasat 卫星类型 LEO GEO GEO 宽带卫星互联网服务开始提供时间 2022 年 2012 年 2012 年 带宽 下行:50500Mbit/s 上行:1040 Mbit/s 下行:25 Mbit/s 上行:3 Mbit/s 上行:121
24、00 Mbit/s 下行:3 Mbit/s 典型时延 2040 ms 450700 ms 450700 ms 每月服务费用 110500 美元 65160 美元 100300 美元 一次性设备购买费用 599 美元或 2 500 美元(Premium 版)15 或 450 美元 13 美元或 299 美元 服务用户数/位 400 000(2022 年 5 月)1 580 000(2020 年第 3 季度)687 000(2015 年数据)每月数据额度 不限 15100 GB 40150 GB 注:HughesNet是EchoStar的全资子公司,为美国超过130 万用户提供高速卫星互联网服务。
25、Viasat 为美国通信公司,为全球用户提供高速卫星宽带服务,业务涵盖军事和商业市场 第 2 期 王羽等:Starlink 星座应用现状及分析 97 上只进行频率转换、功率放大等过程;另一种是星上处理传输,卫星具有部分或全部基站功能。目前 Starlink 卫星星座提供服务仍然是基于透明转发的模式,这种模式下需要较多的地面信关站,用户终端与卫星之间建立了有效通信链路后,同时还需要有至少一个地面信关站与该卫星之间的有效通信链路。此外,地面站还需要连接地面互联网或移动网络,以便为终端用户提供相关内容服务。这种透明转发模式严重制约了 Starlink 业务向诸如极地等无法建设地面站的地区推广。Sta
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Starlink 星座应用现状及分析 星座 应用 现状 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。