Starlink星座覆盖与时延分析
作者
刘帅军徐帆江刘立祥王大鹏
中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室
概述年4月23日，SpaceX发射第七批共计60颗星链（Starlink）卫星，也使得星链星座在轨卫星达到颗。Starlink星座定位是全球卫星互联网，据马斯克所说是要实现50ms以内的时延，与地面光纤网络相当。那么，当前颗卫星所能提供的互联网服务时延能达到多少呢？完成部署第一阶段颗卫星时，所能提供的服务时延能降低到多少？
针对这些问题，项目组基于自研“天智网络仿真测试床”对Starlink星座的覆盖特性、业务时延进行分析。初步的结论是，当前在轨颗Starlink卫星在南北纬30-55度之间可形成较好覆盖，但仍无法提供连续无缝覆盖。以美国纽约到西雅图的端到端通信，仅可保证59%的端到端链路，平均端到端往返时延（roundtriptime,RTT）为51.8ms。
本文第二部分详细分析了覆盖能力，第三部分对端到端往返时延RTT进行了分析。如无特别说明，本文所有仿真图均出自天智网络仿真测试床。
Starlink星座全球覆盖能力分析当前，Starlink在轨颗卫星空间段分布如图1左图所示（数据的参考时间为.05.17-12:00）。作为对比，第一阶段完整的颗卫星星座如图1右图所示。
图1Starlink星座在轨卫星及第一阶段卫星分布（红点-Starlink卫星，绿x-全球分布采样点）
对Starlink星座覆盖特性的分析，以全球分布的终端为采样点，以2纬度*2经度的方式进行部署，即图1中地球表面分布的绿色x所示。覆盖特性分析取1天的仿真周期，步长60秒，当前在轨颗Starlink卫星全球覆盖特性如图2所示。
图2当前在轨颗Starlink卫星覆盖特性—可见卫星个数在全球范围的分布
由图2可看出，Starlink星座在南北纬53度附近可形成最优的覆盖（平均覆盖重数为4左右），这是由于其采用了53度的轨道倾角。而对于高纬度区域（高于60度），无法提供覆盖，该部分区域将由后续规划的较大倾角（包括74/70/81度）卫星提供覆盖服务；对于中低纬度区域（低于30度），基本上可提供平均1.5-2重覆盖。
图2中覆盖特性呈现典型的纬度相关特性，即全球同一纬度的区域在覆盖上具有强相关性。为此，进一步分析了Starlink星座在各纬度上的覆盖特性，如图3所示。
图3当前在轨颗Starlink卫星覆盖特性—可见卫星个数随纬度变化
由图3可以更清晰的看出当前Starlink星座在南北纬30-55度之间覆盖较好。由图3可看出，不同纬度上最大覆盖重数波动较大，如在北纬30度处最大覆盖重数在11~15之间波动，这时同一纬度的不同经度上最大覆盖重数有较大差异。同时，当前Starlink星座对地覆盖最小重数为0，也表明未能实现连续覆盖，这是由于当前Starlink卫星分布不够均匀而导致，通过图1左图在轨分布也可看出。（关于Starlink在轨卫星跟进与分析已在前述文章《Starlink星座卫星在轨实时跟进与分析》提及，感兴趣的读者
