低轨星座（LEO）中，卫星高速运动、覆盖范围广、轨道复杂多变，对地面终端的自动对星能力提出了极高要求。
星链（Starlink）作为全球最大的低轨卫星通信系统，已经部署超过数千颗卫星。通过分析公开信息和技术资料，我们能够相对准确地还原其地面终端的对星原理和工作流程。
在本文中，我们将以星链地面终端天线为典型案例，介绍以下的几个问题：
星链终端天线组成：为什么它既有机动伺服，又用相控阵？
对星分几步？冷启动、盲捕获、建立初始链路，再到高速连接，背后的技术逻辑是怎样的？
星历数据从哪里来？终端是如何在“盲目”状态下快速锁定信号的？
信标信号的作用、频段和波束特性是什么？为何它如此关键？
国内垣信的千帆星座和星网的GW星座正在如火如荼的发展中，关于千帆星座和GW星座的相关公开的技术资料很少。通过对星链卫星终端对星流程的梳理，也能够对加深对国产星座（如“千帆”“GW”）终端天线对星的理解。
星链地面终端天线的组成
网上流传的星链地面终端如下图：
星链地面终端
从图上我们可以看出星链的地面终端天线有一个伺服机构，能够控制平板天线的俯仰角和方位角的转动。上面的平板是一个相控阵天线，在平板上集成了几千个微小的天线单元，采用电子扫描的方式，精确控制每个单元发射/接收信号的相位差，相控阵天线可以在不进行任何物理移动的情况下，将天线波束合成并指向天空中的特定方向。
可以这么理解：星链的终端天线是同时具备机械伺服和相控阵电子扫描两种工作模式的。
星链终端天线的对星过程
星链终端天线的对星过程分为3个阶段：
• 冷启动和盲捕获
• 建立初始链路和下载星历
• 进入正常工作模式
冷启动和盲捕获
• 获取自身位置与卫星信息：
Starlink终端启动后，内置的GPS接收机首先会确定终端自身的精确经纬度。然后，终端将开始下载当前所有可见Starlink卫星的最新星历数据。
• 计算最佳指向范围：
基于自身位置和卫星轨道数据，终端的处理器会计算出卫星最密集、最适合建立通信连接的天空区域。
• 机械调整天线物理指向：
终端内置的电机会根据计算结果，自动调整天线的俯仰角和方位角，将天线阵列的法向中心对准这个最佳的天空区域。
这是一个一次性的、粗略的对准过程，目的是让相控阵天线能以最佳姿态进行电子扫描。
机械调整仅在初始阶段使用一次，后续完全依靠相控阵天线电子扫描。
建立初始链路和下载星历
在完成物理指向后，相控阵天线开始工作。
天线发射一个或多个波束，在预定的天空区域内快速扫描，用来接收来自该天空区域内的卫星的信标信号。
一旦锁定了一个信标信号，终端会立即与这颗卫星建立一个临时的、低带宽的“控制链路”。通过这条初始链路，终端的首要任务是下载完整的、实时的卫星星历数据库（Ephemeris）。
进入正常工作模式：
终端获取完整的星历后，立即切换到用于高速数据通信的Ku波段，根据星历和一系列优化算法，从众多可见卫星中选择一颗信号最强、仰角最高、连接最稳定的卫星。相控阵天线将一个高增益的窄波束（<0.5°）精确地指向该卫星，建立起高速数据链路。
终端天线对星的流程图如下所示：
天线对星流程图
流程图说明如下：
流程图说明
星历怎么获得？
首先确定热点区域
初始定位中，我们提到过星链终端利用内置GPS接收机获得本机位置，还需要获得卫星的星历。
初始化的阶段，终端还没有跟卫星建立数据链接，此时星历从哪里来？作为独立运行的设备，终端肯定不能够依靠其他地面网络获得星历。
终端内部会存储一套卫星轨道的基本物理信息，主要包括：
• 轨道倾角：比如53°、43°、33°等。这个参数决定了卫星轨迹覆盖的纬度范围。
• 轨道高度：卫星运行的大致高度层，例如550km。
• 轨道平面数量：星座由多少个轨道面构成
• 每个平面的卫星数：每个轨道面大致有多少颗卫星
学习过GPS卫星导航的朋友应该知道，在GPS导航卫星存在星历和历书。历书是粗略的卫星轨道参数，通过历书也可以计算出卫星的粗略位置。
星链卫星终端中存储的卫星基本信息，跟GPS卫星的历书非常类似。通过这些粗略的的参数，可以计算出星链卫星的粗略位置，从而知道该时刻卫星在天空的大致位置。
终端内部的预测算法根据GPS坐标和内置的卫星轨道基本参数，能够预测出：
对于当前这个地理位置，哪个方向的天空将会是卫星飞过最频繁、仰角最高的“热点区域”。终端并不需要知道某个具体的卫星当前的确切位置，而是基于轨道规则，从概率上讲，所有符合条件的卫星很可能会集中在某一特定天空区域。
物理指向热点区域
终端伺服电机根据这个计算出的“大概率”的天空方向，进行一次性的物理指向，此时天线的波束中心指向该热点区域的中心。
相控阵天线大范围扫描
物理姿态固定后，相控阵天线开始工作。
天线把将接收频率调整为37.5-37.75 GHz的信标频率，并以天线中心法线为基准（0°），开始进行高速的大范围的电子扫描。
这个扫描范围为一个顶角约为100度的锥形空间（即从中心向四周各偏转约50°）。在这个广阔的锥形“视场”内，天线快速搜寻着来自上方卫星的信标信号。
由于信标波束很宽，终端很快就能在这个区域内捕获到一个信号，完成“盲捕获”。
建立初始链路与下载星历
终端一旦锁定了某个卫星的信标信号。天线会把频率调整到Ku频段，终端向卫星发射请求信号，卫星响应之后，终端会立即与这颗卫星建立一个临时的、低带宽的“控制链路”。这被称为Control Plane链路。这是一个临时的数据传输通道，专门用于下发系统级的指令和数据，其中最重要的就是星历这种KB级别的数据。
通过这条初始的数据链路，终端首先要做的就是从卫星上下载完整的、实时的卫星星历数据库（Ephemeris）。通过这个卫星星历数据库，终端能够实时计算出所有所有Starlink卫星当前和未来一段时间内的精确轨道参数、位置和速度。
星链卫星的信标信号
根据SpaceX公司向**美国联邦通信委员会（FCC）**提交的、用于申请其卫星网络运营许可的官方技术文件《SpaceX Non-Geostationary Satellite System - Technical Information to Supplement Schedule S》中介绍：
所有第二代（Gen2）星座的卫星将在 37.5-37.75 GHz 频段使用下行链路信标，以辅助用户终端快速捕获卫星并实现卫星间的平滑切换。
在这份文件中，我们可以归纳出信标信号的关键信息：
• 信标信号的频率是37.5 GHz - 37.75 GHz。这个频段属于Q波段（Q-band），它与Starlink用于用户数据传输的频段——**Ku波段（约10.7-12.7 GHz）**是完全分开的。
• 极低数据率。信标信号的主要目的不是传输业务信息，而是作为一个稳定的射频“锚点”。让终端在“盲”状态下能发现并定位到一颗卫星。
• 波束宽度 (Beam Width): 星链卫星用于传输数据的波束是是高增益窄波束（波束宽度是0.5°左右）。而信标信号的波束能够覆盖更广的地面区域。 根据推算，一颗在550公里高空运行的卫星，其信号要覆盖地面直径约200-400公里的有效范围，才能保证服务的可用性和初始接入的成功率。Starlink卫星信标信号的 -3dB波束宽度很可能在 10° 到 30° 的范围之间，甚至可能更宽。
总结
通过分析星链地面终端天线的对星过程，我们可以总结出以下几点核心：
结构设计：采用机械伺服+相控阵电子扫描的混合模式，兼顾快速盲扫和高精度跟踪；
对星流程分三步：冷启动与盲捕获 → 建立初始链路并下载星历 → 进入正常通信模式；
星历获得方式：终端先用内置模型预测，再通过信标同步更新实时数据；
信标信号重要性：为终端提供了精确搜星、卫星识别、链路建立、波束切换的关键支撑；
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