低轨通信星座星间链路概况、问题与建议
本文刊登于《卫星与网络》杂志2018年8月刊概述星间链路是指卫星之间建立的通信链路，也称为星际链路或交叉链路。通过星间链路实现卫星之间的信息传输和交换，多颗卫星可以互联在一起，成为一个以卫星作为交换节点的空间通信网络，降低卫星通信系统对地面网络的依赖。凭借星间链路的优势，通信系统可以减少地面信关站的设置数量、扩大覆盖区域、实现全球测控等，而且信号在星间链路传输时可有效避免大气和降雨导致的衰减，形成相对独立的通信星座系统或数据中继系统。近年来，在具备宽带、大容量、低延迟和全球覆盖等特色的低轨通信星座的推动下，星间链路成为研究热点。当前，Starlink、LeoSat、Telesat、Iridium NEXT、O3b、OneWeb和Globalstar等中低轨道星座项目的发展势头正盛，根据预测到2020年高通量卫星的通信容量将达到近5Tbps，随着宽带大容量通信星座的建成，通信能力将增加到40Tbps以上。在这些星座中，美国的Starlink星座将采用激光星间链路实现空间组网，达到网络优化管理以及服务连续性的目标；LeoSat星座也将采用激光星间链路建立一个空间激光骨干网；加拿大的Telesat星座亦计划设置激光星间链路；而美国的Iridium NEXT星座则设置了Ka频段星间链路。按照目前公布的资料来看，O3b、OneWeb和Globalstar星座未设置星间链路。2018年1月12日，加拿大卫星运营商电信卫星（Telesat）公司的一颗试验通信卫星（LEO Vantage 1）搭乘印度的“极轨卫星运载器”通过一箭31星方式成功发射，目前正开展相关在轨测试，将为Telesat星座建设提供技术验证。2018年2月22日，SpaceX公司采用猎鹰-9重型火箭成功发射了Starlink星座的2颗试验通信卫星（Tintin A/B，图1），将为Starlink星座建设提供前期在轨技术验证。2018上半年，Iridium NEXT星座分2组发射了15颗卫星（即41-50编组和51-55编组），每颗卫星具有4条微波星间链路。
图1 Starlink星座两颗试验卫星Tintin A/B发射前配置情况星间链路分类星间链路按照卫星所在轨道可分为同类型轨道（如GEO-GEO、LEO-LEO等）卫星间的星间链路和不同类型轨道（LEO-GEO等）卫星间的星间链路。从卫星所在轨道面还可分为同轨道面星间链路以及异轨道星间链路。以Iridium星座为例，每颗卫星有4条LEO-LEO星间链路，其中2条是与同轨道面的相邻卫星建立相对固定的星间链路（如图2中1号卫星与2、3号卫星），另有2条是与邻近异轨道面的2颗卫星建立的可动波束星间链路（如图2中1号卫星与4、5号卫星）。由于卫星星间链路设置的限制，1号卫星与相邻异轨道面上的6号和7号卫星之间并没有星际链路，从而降低星间链路设计的复杂度。
图2 Iridium系统星间链路示意图值得一提的是，由于同轨道面卫星之间的位置关系是固定的，因此这类星际链路比较容易保持。但异轨道面卫星之间的相对位置关系（如链路距离、链路方位角和链路俯仰角等）是时变的，不仅天线需要有一定的跟踪能力，而且星间链路也很难维持，以铱星系统为例，约每250秒就需要切换一次。星间链路除按照轨道划分外，还可以按照工作频率分为微波链路（Ka频段）、毫米波链路（部分Ka频段和Q/V频段等）、太赫兹链路（太赫兹频段）和激光链路等。星间链路可采用的频率规划如表1所示；从通信速率方面可分为窄带低速链路和宽带大容量链路等。表1 星间链路频率规划种类频率或波长范围备注微波22.55~23.55 GHz可用带宽1000 MHz24.45~24.75 GHz（1区3区）可用带宽300 MHz25.25~27.50 GHz可用带宽2250 MHz毫米波32~33 GHz可用带宽1000 MHz54.25~58.20 GHz可用带宽3950 MHz59~64 GHz可用带宽5000 MHz65~71 GHz可用带宽6000 MHz116~134 GHz可用带宽18000 MHz170~182 GHz可用带宽12000 MHz185~190 GHz可用带宽5000 MHz太赫兹波0.3~30 THz待规划激光10.6μmCO2 激光器1.06 μmNd:YAG 激光器0.532μmNd:YAG 激光器0.8~0.9 μmAlGaAs 激光器星间微波/毫米波链路具有技术相对成熟，可靠性较高，波束相对较宽，跟瞄捕获容易等优势。星间激光链路的优势在于频带较宽，可以增加链路通信容量；设备功耗、质量、体积较小；波束发散角较小，具有良好的抗干扰和抗截获性能，系统安全性高。但星间激光链路相应的主要缺点是因波束窄而导致瞄准、捕获、跟踪（PAT）系统复杂，因此PAT技术是激光星间链路的关键技术之一。星间太赫兹链路介于毫米波和远红外波之间，因此太赫兹链路可兼具毫米波通信和激光通信的优势。相对于毫米波通信而言，星间太赫兹链路通信容量更大，可达10Gbps以上的传输速率；波束比毫米波更窄，方向性更好；太赫兹波可被大气层吸收，具有更好的保密性；设备质量和体积等比毫米波设备更小。与激光链路相比，太赫兹波通信比光通信的能量效率更高；太赫兹波比激光具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，在恶劣天气下比激光通信具有一定优势。星间链路可能存在的问题目前正在建设和设计的低轨通信星座，对是否设置星间链路采取了不同的方案，O3b和OneWeb星座不设置星间链路，而Starlink、LeoSat和Telesat等星座选择采用激光星间链路，Iridium星座则采用Ka频段星间链路。但是设置星间链路会使星座的设计难度增大，卫星的技术复杂程度提高，星上路由选择等技术问题也相应产生。下面针对星间链路使用中可能存在的问题进行梳理：（1）频率资源稀缺受限。星间链路可用的微波频率资源固定且有限，难以同时满足多个大规模星座的宽带星间链路使用；毫米波频段的频率资源较为丰富，但是目前该频段的星载设备研制较为困难，产品的成熟度较低；而激光链路虽然带宽较宽，但其受空间光照等因素影响较大，使激光链路的可用度降低。通信频率和卫星轨位资源是星座设计的前提条件，是必须优先解决的问题。（2）路由选择问题。对于规模较大的星座，星间链路的路由选择注定将是一个极其复杂的问题，加之低轨卫星的相对位置时刻在变化，因此需要及时更新路由表。若由星上完成该工作则将大幅增加卫星的复杂程度和研制难度，同时降低了卫星对技术升级更新的适应性；若由地面完成路由分配再上传至卫星，则增大了星座对地面系统的依赖。另一方面，如果路由选择不是最佳方案的话，则数据在星座中被多次传输，使得信号延时明显增加，降低了低轨星座在延时方面的优势。因此作者认为路由选择是目前低轨星座星间链路设计中最核心的问题之一。（3）数据监管问题。既然通过星间链路可以在大气层外编制一张通信网络，那么通信数据的来龙去脉该如何监管，如何确保数据精准到达目的地而不被“窃取”，如何精确掌握业务信息的传输方式，亦是一个需要高度重视的问题。（4）星间链路设计复杂度及链路干扰问题。同轨道面内的卫星建立星间链路相对固定，但是异轨道面的卫星甚至不同类型轨道卫星之间建立起星间链路较为复杂，需要解决链路设置数目、综合覆盖范围、建链方向角度、链路距离以及链路切换频度等问题。星间链路工作时还需要避免与其他星间链路或星地链路产生相互干扰，以免导致各方的通信链路均受影响。（5）星间链路天线的限制。星间链路的天线或激光终端需要复杂的捕捉、跟踪、瞄准伺服机构和控制器，从而实现星间链路的及时建立和切换。但在低轨的较小卫星平台上较难以同时安装多副星间链路天线或终端，这就限制了单颗卫星星间链路的设置。虽然可以选择相控阵天线，但问题在于这类天线的昂贵费用和使用寿命等因素，限制了大规模构建星座的实际使用价值。（6）背景噪声控制问题。星间链路天线的指向范围变化较大，这就导致星间天线/终端的背景噪声温度动态变化，且变化幅度较大，进而影响星间链路的正常通信，若天线指向控制不当或者门限设置不当，要么导致通信阻断，要么引起链路自激。星间链路建设和使用建议星间链路虽然存在上述可能出现的问题，但由于适合于不便全球布置地面信关站的中低轨星座；而且星间链路的抗毁性强，可以不依赖地面独立组网通信，通过星座能扩大通信系统的覆盖范围，还能在一定程度上解决地面蜂窝网的漫游问题。因此，星间链路仍受到重视及应用。且凭借其通信和测控等方面的技术优势，通过合理设计和使用，可以充分发挥其潜力。为更好发挥星间链路的作用，对星间链路的建设和使用提出如下建议：（1）积极开拓新的工作频段，研制新频段相应的星载设备，包括天线、转发器以及星上处理器等。Q/V频段（40/60GHz）和激光载荷设备近期内将成熟并可投入使用，有助于改善目前严重依赖Ka频段而造成的频率资源紧张和链路干扰问题。（2）充分利用现有频率资源，深度进行星间链路“波束-时间-空间”统筹规划，各星座星间链路的波束指向按照时间和空间进行备案统筹管理，使相同频率可以被尽可能多的星间链路按“时分空分”方式综合复用，尽量避免同频同指向的干扰问题。（3）因为低轨星座的路由设计不同于GEO轨道卫星网络，也不同于地面通信网络，建议重点优化星座网络拓扑结构，加强路由选择设计和数据监管研究，克服网络大尺度、动态拓扑、节点关系复杂、业务种类丰富等问题，实现适用于低轨卫星星座的路由与交换方案。（4）建议限定使用星间链路，避免卫星间随意建立星间链路，而只与临近的卫星建立星间链路，使用转动受限的可动波束，甚至使用固定波束来建立星间链路，通过限定使用星间链路实现整个星座的最优设计，降低卫星星间链路天线APT机构的复杂度，并可避免背景噪声的大幅波动。（5）建议采用LEO/GEO中继型星间链路方式，由LEO卫星通过星间链路与GEO卫星建立中继关系，再通过GEO卫星向中低纬度区域进行数据覆盖传输，实现LEO卫星在地面站视场外的通信服务，而LEO卫星侧重负责高纬度地区的通信工作。
本文刊登于《卫星与网络》杂志2018年8月刊