低軌通信星座星間鏈路淺析

一、概述

星間鏈路是指衛(wèi)星之間建立的通信鏈路，也稱為星際鏈路或交叉鏈路。通過星間鏈路實現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換，多顆衛(wèi)星可以互聯(lián)在一起，成為一個以衛(wèi)星作為交換節(jié)點的空間通信網(wǎng)絡(luò)，降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴。憑借星間鏈路的優(yōu)勢，通信系統(tǒng)可以減少地面信關(guān)站的設(shè)置數(shù)量、擴(kuò)大覆蓋區(qū)域、實現(xiàn)全球測控等，而且信號在星間鏈路傳輸時可有效避免大氣和降雨導(dǎo)致的衰減，形成相對獨立的通信星座系統(tǒng)或數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。

近年來，在具備寬帶、大容量、低延遲和全球覆蓋等特色的低軌通信星座的推動下，星間鏈路成為研究熱點。當(dāng)前，Starlink、LeoSat、Telesat、Iridium NEXT、O3b、OneWeb和Globalstar等中低軌道星座項目的發(fā)展勢頭正盛，根據(jù)預(yù)測到2020年高通量衛(wèi)星的通信容量將達(dá)到近5Tbps，而隨著寬帶大容量通信星座的建成，通信能力將增加到40Tbps以上。在這些星座中，美國的Starlink星座將采用激光星間鏈路實現(xiàn)空間組網(wǎng)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理以及服務(wù)連續(xù)性的目標(biāo)；LeoSat星座也將采用激光星間鏈路建立一個空間激光骨干網(wǎng)；加拿大的Telesat星座亦計劃設(shè)置激光星間鏈路；而美國的Iridium NEXT星座則設(shè)置了Ka頻段星間鏈路。按照目前公布的資料來看，O3b、OneWeb和Globalstar星座未設(shè)置星間鏈路。

2018年上半年，這些帶有星間鏈路的星座進(jìn)行了發(fā)射：1月12日，加拿大衛(wèi)星運營商電信衛(wèi)星（Telesat）公司的一顆試驗通信衛(wèi)星（LEO Vantage 1）搭乘印度的“極軌衛(wèi)星運載器”通過一箭31星方式成功發(fā)射，目前正開展相關(guān)在軌測試，將為Telesat星座建設(shè)提供技術(shù)驗證。2月22日，SpaceX公司采用獵鷹-9重型火箭成功發(fā)射了Starlink星座的2顆試驗通信衛(wèi)星（Tintin A/B），將為Starlink星座建設(shè)提供前期在軌技術(shù)驗證。Iridium NEXT星座分2組發(fā)射了15顆衛(wèi)星（即41-50編組和51-55編組），每顆衛(wèi)星具有4條微波星間鏈路。

二、星間鏈路分類

星間鏈路按照衛(wèi)星所在軌道可分為同類型軌道（如GEO-GEO、LEO-LEO等）衛(wèi)星間的星間鏈路和不同類型軌道（LEO-GEO等）衛(wèi)星間的星間鏈路。從衛(wèi)星所在軌道面還可分為同軌道面星間鏈路以及異軌道星間鏈路。以Iridium星座為例，每顆衛(wèi)星有4條LEOLEO星間鏈路，其中2條是與同軌道面的相鄰衛(wèi)星建立相對固定的星間鏈路（如圖1中1號衛(wèi)星與2、3號衛(wèi)星），另有2條是與鄰近異軌道面的2顆衛(wèi)星建立的可動波束星間鏈路（如圖1中1號衛(wèi)星與4、5號衛(wèi)星）。由于衛(wèi)星星間鏈路設(shè)置的限制，1號衛(wèi)星與相鄰異軌道面上的6號和7號衛(wèi)星之間并沒有星間鏈路，從而降低設(shè)計的復(fù)雜度。

圖1 Iridium系統(tǒng)星間鏈路示意圖

值得一提的是，由于同軌道面衛(wèi)星之間的位置關(guān)系是固定的，因此這類星間鏈路比較容易保持。但異軌道面衛(wèi)星之間的相對位置關(guān)系（如鏈路距離、鏈路方位角和鏈路俯仰角等）是時變的，不僅天線需要有一定的跟蹤能力，而且星間鏈路也很難維持，以銥星系統(tǒng)為例，約每250秒就需要切換一次。

星間鏈路除按照軌道劃分外，還可以按照工作頻率分為微波鏈路（Ka頻段）、毫米波鏈路（部分Ka頻段和Q/V頻段等）、太赫茲鏈路（太赫茲頻段）和激光鏈路等。星間鏈路可采用的頻率規(guī)劃如表1所示；從通信速率方面可分為窄帶低速鏈路和寬帶大容量鏈路等。

表1 星間鏈路頻率規(guī)劃

星間微波/毫米波鏈路具有技術(shù)相對成熟，可靠性較高，波束相對較寬，跟瞄捕獲容易等優(yōu)勢。星間激光鏈路的優(yōu)勢在于頻帶較寬，可以增加鏈路通信容量；設(shè)備功耗、質(zhì)量、體積較??；波束發(fā)散角較小，具有良好的抗干擾和抗截獲性能，系統(tǒng)安全性高。但星間激光鏈路相應(yīng)的主要缺點是因波束窄而導(dǎo)致瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤（PAT）系統(tǒng)復(fù)雜，因此PAT技術(shù)是激光星間鏈路的關(guān)鍵技術(shù)之一。星間太赫茲鏈路介于毫米波和遠(yuǎn)紅外波之間，因此太赫茲鏈路可兼具毫米波通信和激光通信的優(yōu)勢。相對于毫米波通信而言，星間太赫茲鏈路通信容量更大，可達(dá)10Gbps以上的傳輸速率；波束比毫米波更窄，方向性更好；太赫茲波可被大氣層吸收，具有更好的保密性；設(shè)備質(zhì)量和體積等比毫米波設(shè)備更小。與激光鏈路相比，太赫茲波通信比光通信的能量效率更高；太赫茲波比激光具有更好的穿透沙塵煙霧的能力，在惡劣天氣下比激光通信具有一定優(yōu)勢。

三、星間鏈路可能存在的問題

目前正在建設(shè)和設(shè)計的低軌通信星座，對是否設(shè)置星間鏈路采取了不同的方案，O3b和OneWeb星座不設(shè)置星間鏈路，而Starlink、LeoSat和Telesat等星座選擇采用激光星間鏈路，Iridium星座則采用Ka頻段星間鏈路。設(shè)置星間鏈路會使星座的設(shè)計難度增大，衛(wèi)星的技術(shù)復(fù)雜程度提高，星上路由選擇等技術(shù)問題也相應(yīng)產(chǎn)生。運營使用中，星間鏈路可能將面臨如下問題：

（1）頻率資源稀缺受限。星間鏈路可用的微波頻率資源固定且有限，難以同時滿足多個大規(guī)模星座的寬帶星間鏈路使用；毫米波頻段的頻率資源較為豐富，但是目前該頻段的星載設(shè)備研制較為困難，產(chǎn)品的成熟度較低；而激光鏈路雖然帶寬較寬，但其受空間光照等因素影響較大，使激光鏈路的可用度降低。通信頻率和衛(wèi)星軌位資源是星座設(shè)計的前提條件，是必須優(yōu)先解決的問題。

（2）路由選擇問題。對于規(guī)模較大的星座，星間鏈路的路由選擇注定將極其復(fù)雜，加之低軌衛(wèi)星的相對位置時刻在變化，因此需要及時更新路由表。若由星上完成該工作則將大幅增加衛(wèi)星的復(fù)雜程度和研制難度，同時降低了衛(wèi)星對技術(shù)升級更新的適應(yīng)性；若由地面完成路由分配再上傳至衛(wèi)星，則增大了星座對地面系統(tǒng)的依賴。另一方面，一旦路由選擇不是最佳方案，則數(shù)據(jù)在星座中被多次傳輸，將使得信號延時明顯增加，降低了低軌星座在延時方面的優(yōu)勢。因此，路由選擇也許是目前低軌星座星間鏈路設(shè)計中最核心的問題之一。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)管問題。既然通過星間鏈路可以在大氣層外編制一張通信網(wǎng)絡(luò)，那么通信數(shù)據(jù)的來龍去脈該如何監(jiān)管，如何確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)到達(dá)目的地而不被“竊取”，如何精確掌握業(yè)務(wù)信息的傳輸方式，亦是一個需要高度重視的問題。

（4）星間鏈路設(shè)計復(fù)雜度及鏈路干擾問題。同軌道面內(nèi)的衛(wèi)星建立星間鏈路相對固定，但是異軌道面的衛(wèi)星甚至不同類型軌道衛(wèi)星之間建立起星間鏈路較為復(fù)雜，需要解決鏈路設(shè)置數(shù)目、綜合覆蓋范圍、建鏈方向角度、鏈路距離以及鏈路切換頻度等問題。星間鏈路工作時還需要避免與其他星間鏈路或星地鏈路產(chǎn)生相互干擾，以免導(dǎo)致各方的通信鏈路均受影響。

（5）星間鏈路天線的限制。星間鏈路的天線或激光終端需要復(fù)雜的捕捉、跟蹤、瞄準(zhǔn)伺服機(jī)構(gòu)和控制器，從而實現(xiàn)星間鏈路的及時建立和切換。但在低軌的較小衛(wèi)星平臺上較難以同時安裝多副星間鏈路天線或終端，這就限制了單顆衛(wèi)星星間鏈路的設(shè)置。雖然可以選擇相控陣天線，但這類天線的昂貴費用和使用壽命等因素，限制了大規(guī)模構(gòu)建星座的實際使用價值。

（6）背景噪聲控制問題。星間鏈路天線的指向范圍變化較大，這就導(dǎo)致星間天線/終端的背景噪聲溫度動態(tài)變化，且變化幅度較大，進(jìn)而影響星間鏈路的正常通信，若天線指向控制不當(dāng)或者門限設(shè)置不當(dāng)，要么導(dǎo)致通信阻斷，要么引起鏈路自激。

四、星間鏈路建設(shè)和使用建議

星間鏈路雖然存在上述可能出現(xiàn)的問題，但由于適合于不便全球布置地面信關(guān)站的中低軌星座；而且星間鏈路的抗毀性強(qiáng)，可以不依賴地面獨立組網(wǎng)通信，通過星座能擴(kuò)大通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，還能在一定程度上解決地面蜂窩網(wǎng)的漫游問題。因此，星間鏈路技術(shù)仍受到星座設(shè)計及運營方的重視及采用。且憑借其通信和測控等方面的技術(shù)優(yōu)勢，通過合理設(shè)計和使用，可以充分發(fā)揮其潛力。

為更好發(fā)揮星間鏈路的作用，對星間鏈路的建設(shè)和使用提出如下建議：

（1）積極開拓新的工作頻段，研制新頻段相應(yīng)的星載設(shè)備，包括天線、轉(zhuǎn)發(fā)器以及星上處理器等。Q/V頻段（40/60GHz）和激光載荷設(shè)備近期內(nèi)將成熟并可投入使用，有助于改善目前嚴(yán)重依賴Ka頻段而造成的頻率資源緊張和鏈路干擾問題。

（2）充分利用現(xiàn)有頻率資源，深度進(jìn)行星間鏈路“波束-時間-空間”統(tǒng)籌規(guī)劃，各星座星間鏈路的波束指向按照時間和空間進(jìn)行備案統(tǒng)籌管理，使相同頻率可以被盡可能多的星間鏈路按“時分空分”方式綜合復(fù)用，盡量避免同頻同指向的干擾問題。

（3）因為低軌星座的路由設(shè)計不同于GEO軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，也不同于地面通信網(wǎng)絡(luò)，建議重點優(yōu)化星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，加強(qiáng)路由選擇設(shè)計和數(shù)據(jù)監(jiān)管研究，克服網(wǎng)絡(luò)大尺度、動態(tài)拓?fù)?、?jié)點關(guān)系復(fù)雜、業(yè)務(wù)種類豐富等問題，實現(xiàn)適用于低軌衛(wèi)星星座的路由與交換方案。

（4）建議限定使用星間鏈路，避免衛(wèi)星間隨意建立星間鏈路，而只與臨近的衛(wèi)星建立星間鏈路，使用轉(zhuǎn)動受限的可動波束，甚至使用固定波束來建立星間鏈路，通過限定使用星間鏈路實現(xiàn)整個星座的最優(yōu)設(shè)計，降低衛(wèi)星星間鏈路天線APT機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，并可避免背景噪聲的大幅波動。

（5）建議采用LEO/GEO中繼型星間鏈路方式，由LEO衛(wèi)星通過星間鏈路與GEO衛(wèi)星建立中繼關(guān)系，再通過GEO衛(wèi)星向中低緯度區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)覆蓋傳輸，實現(xiàn)LEO衛(wèi)星在地面站視場外的通信服務(wù)，而LEO衛(wèi)星側(cè)重負(fù)責(zé)高緯度地區(qū)的通信工作。