Starlink服务

Starlink 是Elon Musk(马斯克)旗下的美国SpaceX 公司2015 年公布的“星链”星座计划,作为低轨卫星行业的佼佼者,starlink一直受到许多关注。本文试图从starlink基本技术信息、starlink可能的技术瓶颈以及哪些公司的技术可能会对starlink有帮助或冲击这几个维度来分析和解构starlink的技术面。

第一部分我们将介绍starlink的基础技术信息以及SpaceX软件团队在AMA活动中透露出的关于starlink的信息。

Starlink(星链)计划在2020 年开启商业化进程,并分三阶段实现覆盖全球的卫星互联网:

第一阶段:初步覆盖。该阶段利用部署于24 个550 千米、倾角53°的轨道面上的1584颗Ka/Ku 频段卫星完成初步覆盖,每个轨道面66 颗卫星,星座容量约30 太比特/秒、时延15 毫秒、可为每个终端提供最高1 吉比特/秒的数据传输速率,预计部署400 颗卫星后开始出售初期服务,2020 年~2021 年部署完800 颗后可满足美国、加拿大和波多黎各等国天基互联网需求。业务卫星单星收拢尺寸4.0 米*1.8 米*1.2 米,质量386 千克,设计寿命5 年,星下点覆盖范围半径1060 千米、容量17~23 吉比特/秒。目前的卫星多数元件将采用铝等熔点较低的材料,使卫星重返大气层后完全烧尽,消除对地面的风险。

第二阶段:全球组网。该阶段由部署于1110 千米、1130 千米、1275 千米和1325 千米等4 种不同轨道高度的2825 颗Ka/Ku 频段卫星完成全球组网,其轨道面个数分别为32、8、5 和6,各轨道面部署50~75 颗卫星不等,预计2024 年左右完成部署。

第三阶段:能力增强。第三阶段由部署在335~345 千米轨道高度的7518 颗V 频段卫星组成轨道更低的低轨星座,增加星座容量。V 频段的星座将利用目前卫星通信很少采用的37 吉赫~50 吉赫范围内的频谱,与前两个阶段的Ka/Ku 频段星座共同为用户提供通信速率更快、时延更低的宽带卫星通信服务。2017 年~2018 年,“星链”星座的所有发展计划均已得到美国联邦通信委员会的批准,获得了在美国的落地权。此外,该星座还引起了美国军方的特别关注,并于2018 年获得美国空军战略开发规划与实验办公室价值2870万美元的合同,用于在未来三年内测试军方使用该星座服务的可行性与方式。

starlink基础信息
图表1:starlink基础信息

首先,Starlink作为一个NGSO(即Non-Geostationary Satellite Orbit,非地球静止轨道 )系统,具备低时延、动态性和庞大系统的先天特点。

低时延。低轨卫星(LEO)的轨道高度范围为500-2000km,低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低,信号传播时延短,其链路损耗小,卫星和用户终端的要求低,可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。

图表2:LEO 相比MEO 和GEO 有更低的时延

此外,Starlink 采用网状组网架构实现超短时延。Starlink 星座采用的是网状组网架构,将卫星作为网络传输节点,通过星间链路建立高速带宽通信网络,用户可直接接入卫星互联网网络,不需要经过地面系统。采用星间链路(网状组网)可以有效减少时延,“星-地-星”时延约为 15 毫秒,而同类低轨卫星“星-地-星”时延为 50 秒左右。

图表3:星形组网与网状组网方式对比

动态性。因为卫星在低轨飞行,覆盖区域自然相对较小,每颗卫星的过顶时间(为某一点提供服务的时间)也随之缩短,以Starlink的LEO轨道来计算正过顶在40度的可通信角度范围内的单星过境时间也就5到6分钟,实际情况只会比这个时间还要短,而VLEO的过境时间就更短了。因此要保证网络不中断,用户终端需要频繁地切换不同的接入卫星。另外过多的卫星形成的网络也会产生时延抖动。

庞大系统。由于轨道低,每颗卫星所能覆盖的范围比较小,要构成全球系统需要更多的卫星,主要包括海外的铱星系统、Starlink、Oneweb,以及国内的航天科工集团的虹云工程和行云工程、航天科技集团鸿雁工程、中国电科的天地一体化信息网络。

在基础信息方面,我们还要介绍starlink的操作系统及推进系统。

操作系统方面, SpaceX在其卫星和火箭中均依赖Linux操作系统。 每次发射60颗卫星将包含4,000多台Linux计算机。 这个星座目前在太空中拥有30,000多个Linux节点(以及6,000多个微控制器),由于starlink与Falcon和Dragon共享许多Linux平台基础架构,starlink将从SpaceX 180多年的在轨测试时间中受益。

推进系统方面,星链卫星配备一套高效的氪离子推进系统,这个系统能够在运营期间进行抬升轨道高度、维持轨道形状等轨道机动,并能在寿命末期进行降低轨道、完成离轨操作的机动。starlink每批发射60颗卫星,60颗卫星轨道爬升过程主要分三组进行,每组20颗左右,即图中三个平行虚线所示。从图4可知,从轨道高度300km开始爬升至预定550km高度,用时42.1天,平均爬升速度5.9km/day。三组卫星轨道爬升速度基本一致,由此可知Starlink卫星在氪离子推进器及相关控制系统方面已较为稳定。

图表4:氪离子推进器较为稳定

至于卫星通信方面,每颗Starlink卫星将使用激光与其他四颗卫星通信。 这意味着它们将以接近光速的速度在全球范围内传输数据。毫米波芯片技术升级有效提高卫星集成度。卫星通信要实现在低轨毫米波传输,并使得到达地面的波束拥有更高的增益,必须使用相控阵技术,主要通过控制发射波束的方式来集中能量,降低在大气传输过程中的损耗,Starlink 低轨卫星底部安装了 4 套相控阵天线系统。相控阵天线系统可以实现极高的数据量发送和转发,比常规容量通信卫星成本低一个数量级。

除以上信息外,SpaceX软件团队最近在Reddit论坛进行AMA活动时,也透露了许多与starlink相关的信息。软件团队表示对starlink的数据安全很有信心,starlink端对端加密的系统可以有效避免黑客入侵;此外星链所有硬件软件都由SpaceX设计,不同系统分支互相独立。软件团队还透露starlink通常每周更新一次软件,同时进行一些小规模的部署测试,地面服务系统也十分重要,它们与星链上的系统相辅相成,通常会每周更新这地面系统两三次。

目前Starlink面对的技术瓶颈主要是带宽能力和地面终端的限制。

带宽能力:卫星通讯的带宽远不如光纤,在高清视频直播和视频电话等应用,有很多不足之处。低轨卫星需要保持轨道,进行姿态调整(转发器的微波抛物面天线以及太阳能极板需要时刻调整);卫星通讯还会受到太阳风的影响。在这些因素的影响下,星链的可靠性和高带宽能力是不如光纤和微波站接力的。此外,卫星的长期维护,也需要投入成本。所以,从性价比,可靠性,可维护性等等,星链项目还存在很大的风险。

地面终端:卫星地面段以用户主站为主体,包括用户终端、用户终端与用户主站连接的“陆地链路”以及用户主站与“陆地链路”相匹配的接口。Musk表示,SpaceX的Starlink互联网项目的最大挑战不是卫星,而是用户终端。

starlink的用户终端主要存在以下两方面问题:

其一是形态问题:卫星通信需要解决功率和天线的问题。在发射功率不变前提下,距离近可以降低信号衰减,当信息传输距离扩大到海平面和近轨人造卫星的距离,要想实现信息的可靠传输,就必须提升下行功率(卫星信号到手机)和上行功率(手机信号到卫星)。而要满足这一标准,会使电子元器件的体积大幅增加,这必然导致射频天线的尺寸根本塞不进当前以轻薄为主打要求的手机中。事实上,卫星通信终端,尺寸都比较大,一般都安装在建筑物上面或者大型的车辆上。从starlink最近发布的用户终端我们可以知道,卫星通信的地面终端离便携还有很长一段路要走。

图表5:starlink用户终端

其二是网速问题:testmy.net网站发布了一份SpaceX星链的网速测试报告,该网站通过不断联通不同地区服务器来综合测算一条通路的互联网速度。目前SpaceX正在北美及加拿大南部的一条带状区域上进行公开的星链联网测试。从图中我们可以看到测试时的最快下载速度为50Mbps,而上传速度仅有10Mbps左右,且下载速度非常不稳定。

图表6:starlink网速
最后一部分我们将探讨目前哪些公司的技术将会对starlink提供帮助或制造冲击。这一方面Lockheed Martin、ULA以及OneWeb的技术理念在全球范围内都非常接近,也或多或少与starlink构成竞争对手关系。我们将通过分析这三家公司的先进技术来寻找starlink可能的技术突破。

洛克希德·马丁公司是一家全球安全和航空航天公司,主要从事先进技术系统,产品和服务的研究,设计,开发,制造,集成和维护。2019 年 3 月,Lockheed Martin公司公开了其研制的新一代太空技术“SmartSat“技术,这是一种叫做软件定义卫星技术架构。该技术架构主要包括可调通信带宽、波束范围可调、高性能多核处理器、灵活的架构可适应小卫星到大卫星制造需求(立方星),通用标准化的架构使得制造时间周期更短。软件定义架构类似于把卫星当作计算机或者是小汽车批量快速的造出来,所有的软件系统都可以进行在轨升级和测试。这样不但缩短了研发周期、研制经费,还能迅速的修改卫星的故障问题、改变卫星的功能。

SmartSat使卫星能够改变其在轨道上的飞行任务。一,新架构将允许用户通过软件推送来为十年甚至十五年前发射的卫星添加功能并分配新任务。二,SmartSat使用虚拟机监控程序来安全地对虚拟机进行容器化。这项技术可以让一台计算机虚拟地操作多台服务器,从而最大程度地提高内存,机载处理能力和网络带宽。它利用了多核处理的优势,因此卫星可以在轨道上处理更多的数据,节省带宽成本。

图表7:SmartSat示意图

美国联合发射联盟(ULA)是波音与洛克希德合资的企业。ULA已经累计进行了超过135次火箭发射,成功率100%,其中GPS发射任务70余次,占了一半多以上。ULA成立的目的就是保持美国持续发射国防为主的高价值太空载荷的能力。因为ULA的客户主要是美国军方,ULA的德尔塔4和宇宙神5火箭的发射成本非常高,甚至这些载荷的安全和保密工作,成本都不是一般的商业卫星可比的。直到现在部分发射任务依旧只有ULA可以执行,因为SpaceX的猎鹰9能力达不到,而重型猎鹰还没有成熟,且即使是猎鹰重型火箭的深空发射能力在不换装高性能上面级之前,依旧逊色于德尔塔重型火箭。

图表8:Falcon与Delta对比

Oneweb是Starlink的主要竞争对手。Oneweb 建设的目标是要为世界偏远地区建设落后地区提供价格适宜的网络连接。截至2020年3 月底,Oneweb 已发射74 颗卫星。“逐步倾斜”技术和卫星批量生产是OneWeb两大技术特点。

OneWeb 卫星采用“逐步倾斜”(progressive pitching)技术,对姿态和发射功率进行调整,使卫星不会发出和接受干扰信号,减少与高轨道静止卫星的干扰。赤道附近的用户则通过转向合作伙伴国际通信卫星公司的“史诗”系列卫星,保证通信不会间断。

图表9:“逐步倾斜”技术减少对高轨道静止卫星的干扰

此外,OneWeb 实现开创自动生产组装流水线实现卫星批产。为满足第一阶段星座多达600余颗卫星的快速部署需要,Oneweb 公司采用多种创新措施,可实现每月高达40 颗卫星的批量化生产。在生产线方面,通过与空客公司合作并借鉴现代汽车制造业经验,创新地采用了世界首条卫星生产流水线,实现了一体化的设计、生产、总装与测试流程。在设计方面,基于模块化设计理念,将卫星分为若干块可独立组装测试的模块,实现快速集成,并将功能相似设备进行整合设计,以降低部件数量。在制造方面,大量采用协作机器人,自导引运输车等自动化措施,实现整星批产。

图表10:OneWeb 与AiRBUS 联合创造了世界首条卫星生产流水线

本文或有不足之处,敬请各位同业爱好者指教!

关心星链的朋友们,如果您有其他信息或不同见解,或者需要了解更多信息,可以联系我们。

描述一下您需要的信息

References:

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1666098272647135734&wfr=spider&for=pc

https://news.lockheedmartin.com/2019-03-20-Lockheed-Martins-First-Smart-Satellites-are-Tiny-with-Big-Missions

https://arstechnica.com/information-technology/2020/07/amazon-gets-fcc-approval-to-launch-3236-low-earth-broadband-satellites/

http://www.viaspace.cn/Article/20190530.html

https://www.sohu.com/a/224191530_466840

https://link.springer.com/article/10.1007/s10207-020-00503-w

https://www.ulalaunch.com/

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