摘要：

StarLink星座网络至今已累计发射超过5600颗卫星，且已实现多个壳层的星间链路组网。StarLink网络星间建链方式对网络拓扑、业务路由有重要影响，然而，其具体星间建链和使用模式并未公开。前述论文中已发现星链壳层5与6不同版本卫星的混合组网，两壳层仅在轨道高度上有所差异。本文以此为出发点，分析了不同轨道高度下跨层卫星对星间链路信号的接收分析。

StarLink星座星间链路信号的跨层接收分析

文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、严文励、秦明宇（中国科学院软件研究所 天基综合信息系统重点实验室）

1、StarLink星座星间链路情况

StarLink星座当前在轨卫星超过5000颗，除却壳层1无星间链路，壳层2~7卫星均有星间链路。壳层2至4卫星发射时间较早，已较为稳定的在轨运行，且其具体星座构型已被研判。故本文重点分析面向壳层2至4星间链路信号的跨层接收场景。

壳层2至4的星座主要参数如下：

  • 壳层2轨道高度568km，倾角70度，由36个轨道面、每面16星共计576星组成。

  • 壳层3轨道高度557km，倾角97.6度，由6个轨道面、每面36星共计216星组成。

  • 壳层4轨道高度542km，倾角53.2度，由72个轨道面、每面18星共计1296星组成。

根据StarLink在FCC申报材料，卫星星间链路共4条。结合前期StarLink星座一些宣传资料及星座建链知识，可判断每颗星4条星间链路包括2条同轨星间链路、2条异轨星间链路。

2、场景设计

异轨链路由于不同轨道面间卫星存在相对运动，且建链方式也可为同相位建链、后相位建链等多种方式，故异轨链路跨层接收场景较为复杂，本文暂不讨论。相比而言，同轨星间链路由于两颗建链卫星相对运动非常小，导致该链路较为稳定，也是本文分析的重点。

对于StarLink壳层2至4的同轨星间链路信号，仅考虑较高的跨层卫星接收。同时，本文在分析时做如下约束与假设：

  • 星链卫星轨道高度保持稳定

  • 星链卫星离心率为零

  • 星链卫星轨道运行采用二体模型

  • 同一轨道面上卫星前后建链

  • 星间链路激光束散角100urad

  • 跨层卫星与目标星链卫星的轨道倾角、RAAN相同

  • 仿真总时长24小时，时间分辨率0.1秒

总体接收场景如下图所示：

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图1较高轨道高度的跨层卫星对星间链路接收场景

3、结果与分析

跨层卫星对壳层2至4（轨道高度分别为：568、557、542km）同轨星间链路的接收，统计结果如下表所示：

表1较高轨道高度的跨层卫星对星间链路接收仿真分析结果

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可看出，调高跨层卫星轨道高度，可增大接收次数，但单次接收时长减小。如对于壳层2而言，跨层卫星轨道高度在600至1000km变化时，接收链路次数由3增至32次，而单次链路接收时长由54.2s降至3s。

在仿真分析24小时内，轨道高度600km的跨层卫星对壳层2同轨星间激光信号的接收分析，结果如下：

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图2跨层卫星与星间同轨激光链路夹角随时间变化

可看出，在StarLink壳层2同轨星间激光束散角100 urad下，跨层卫星可实现对3条星间激光信号的接收，单次接收时长为54.2s。

由于StarLink星座星间激光束散角未知，进一步考虑束散角在10~500 urad之间的情况，分析了不同束散角下的单次接收时长，结果如下：

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图3单次接收时长随星间同轨激光束散角变化

可知，单次接收时长与星间激光束散角成正比关系。由于，星间激光束散角极窄，故单次接收时长与束散角成线性比例关系。如，束散角在10urad时，单次接收时长仅5s。

4、总结

本文针对StarLink星座星间激光链路信号进行接收可行性分析，通过跨层卫星接收场景设计与仿真，分析了在不同轨道高度、激光束散角下的接收时长，可作为后续开展相关工作提供借鉴。

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