我们所熟悉的通信卫星大多在地球同步轨道运行，地球同步轨道（Geo Stationary Orbit，GSO）高度距离地面约36000公里；地球同步轨道上的卫星多数是大型通信卫星（总数约数百颗）。SpaceX的星链计划（Starlink）将由四万颗近地轨道（Low Earth Orbit，LEO）的小型通信卫星组成。

▲SpaceX的星链计划

星链计划要在距地面高度540-570公里间，建立起5个不同倾角轨道面的通信“壳层”（shell），地球同步轨道高度是星链卫星轨道高度的60倍，可知使用GSO轨道的通信卫星的信号延迟（latency）要比运行在LEO轨道上的星链卫星大的多（星链卫星轨道离地面较近，信号延迟可以降低到20毫秒）。星链卫星也因为离地面近，每颗卫星的地面覆盖范围较小，因此需要分布大数量的卫星在不同轨道及不同平面上，才能够达到全球网络覆盖要求。

▲地球同步轨道高度是星链卫星轨道高度的60倍，图中给出了GEO、MEO、LEO轨道高度、覆盖范围、信号延迟等主要特征。

一、第一代星链卫星

第一代星链卫星（1.0版本、1.5版本）重量小于250公斤，每颗卫星造价约25万美金，由SpaceX猎鹰9号自行发射、分批次运送到440公里高度的近地轨道上，连同发射费用每颗卫星总成本约60万美金。星链卫星装有霍尔推进器（Hall thruster），这是一种利用电磁场将氪气加速的离子推进器。这个离子推进器可以在星链卫星太阳能帆板展开后，将卫星推高至预定运行轨道，或是当卫星使用寿命终止前，降低卫星高度，使其冲入大气层烧毁。星链卫星也有能力跟据由控制中心上传的美国防部的“太空碎片追踪系统”数据，自动启动防撞系统。目前已有2300颗星链卫星在轨道上运行。

▲第一代星链卫星天线和霍尔推进器

▲星链卫星霍尔推进器

▲星链卫星自主防撞系统

星链网络服务对象起初是设定在没有基站的偏远地区，或是海洋中的舰船及空中飞行的飞机；要达到这个目标，星链卫星之间必需能够互相通信，即所谓的星间通信（inter-satellite communication）。早期的星链卫星没有这项功能，当时的解决方法是，在陆地上建立地面接收站（Ground Station）——除了装在自家的圆盘天线或方盘天线外，还得依靠附近的地面接收站，以及既有的地面光纤网络才能联网。一般一个400平方米围篱的地面接收站设有9个直径2.86米的收发天线。

▲地面接收站9个直径2.86米的收发天线

以美国地区为例，共有32个地面接收站，又称为Gateways，其工作原理是，每一个接收站方圆800公里的用户，利用自家圆盘天线或方盘天线与经过上空的星链卫星和邻近的地面接收站连接，换句话说，地面接收站和自家天线必需锁住同一颗卫星，因为第一代星链卫星没有星间通信功能——用户上传或下载的信号都通过现有的地面/海底光纤网络传输，只有在靠近住家时（800公里内）经由地面站的Ka-band电磁波，传送到正在通过上空的某个星链卫星，这颗星链卫星再将信号传送到用户天线上，这也是为什么在海洋上没有星链网络的原因。

▲星链地面接收站（美国）

▲星链网络架构

星链卫星的功能不断提升，从1.5版本开始就有星间通信能力。这种星间通信是利用激光传输信号（Laser Inter Satellite Link，LISL），光在太空中传播速度比在光纤中更快（大约快30%）。2021年后，SpaceX开始发射星链1.5版本卫星，至今已经发射超过1800颗。由于在真空中以光速直接传输，比经由地面站、光纤网络，信号延迟可降低50%，而且由于当前技术可以有效控制激光束精度，更可以大大的增加通信带宽。

二、第二代星链卫星

第二代星链卫星在2022年出现，卫星本体长度为7米，重量1250公斤，是1.5版本的5倍重。马斯克指出第二代星链卫星的功能比第一代多了一个数量级，至少也有5倍强。考虑到SpaceX新的发射系统“星舰”（Starship）的直径为9米，2.0版本的星链卫星长度7米，刚好可以躺平叠放在星舰舱内，星舰前端有一窗口，可以把星链卫星像银行卡一样一片一片的推入轨道。

▲星舰将第二代星链卫星从舱内一片一片推入轨道

星舰可运载150吨载荷到近地轨道，一次可运载110-120颗星链二代卫星。这个数目的卫星刚好可以一次布满一个轨道面，而星链星座（Constellation）在53度倾角，550千米高度的“壳层”共有72个轨道面。根据SpaceX说法：当星链二代卫星开始量产，加上星舰的巨大运载能力，星链二代卫星的成本将比1.5版本还低。

▲第二代星链卫星及其激光通信装置

星链系统中除了星链卫星、地面接收站之外，另一个重要组件就是用户的天线。SpaceX为了成本效益及提高产量，2021年底将天线外形从原来的圆形改成方形。星链2022年推出的钻石级服务（Premium Service），天线尺寸几乎是标准形的两倍大，信号传输速度也快一倍，而且受气候影响较小，不过费用比标准形贵五倍。最近星链还推出海上星链（Starlink Maritime），其客户群针对大型船只、豪华游轮等，在浩瀚的大海上也可以享受350Mbps速度在互联网上遨游。因此可以确定星链不再依靠地面站（Gateways）了，而是利用星间激光链路，直接与用户通信。

▲星链用户天线