4. 星间链路信道特性与传播模型

星间链路（Inter-Satellite Link, ISL）与地面无线链路最大的区别在于：收发两端都在高速运动，传播路径几乎全程位于真空或稀薄大气之外，而信号又可能在特定几何条件下掠过大气层边缘。因此，星间信道既包含自由空间传播的确定性损耗，也包含多普勒、大气折射、雨衰与闪烁等随时间和几何关系变化的动态效应。理解这些效应的物理来源与量级，是后续链路预算、调制编码选择和网络拓扑建模的基础。

4.1 自由空间损耗：星间链路的基准衰减

自由空间损耗（FSPL）描述理想无损耗介质中球面波扩散造成的功率密度下降，是星间链路预算的起点。其表达式为：

FSPL(dB) = 20·log10(d) + 20·log10(f) + 92.45
其中 d 为传播距离(km)，f 为频率(GHz)

以典型低轨（LEO）星座为例，轨道高度约 550 km，同轨道面相邻卫星间距约 1000 km，星间链路距离通常在 1000～5000 km 之间。取 f = 23 GHz（Ka 频段）、d = 2000 km，则 FSPL ≈ 20·log10(2000) + 20·log10(23) + 92.45 ≈ 66.0 + 27.2 + 92.45 ≈ 185.7 dB。若距离增加到 5000 km，FSPL 增加约 8 dB。可见星间距离变化对链路余量的影响非常直接，这也是星座构型设计中必须控制星间距离上限的原因。

需要强调的是，FSPL 只与距离和频率有关，与天线增益、发射功率无关。实际接收功率还需叠加发射功率、收发天线增益、馈线损耗和指向损耗。星间链路通常使用高增益定向天线，波束宽度窄，指向误差会带来额外衰减，这部分在工程上常单独列为指向损耗项。

4.2 多普勒频移：高速相对运动带来的频率偏移

星间链路的多普勒频移由收发两端相对运动引起。设相对径向速度为 v_r（接近为正、远离为负），载波频率为 f_c，光速为 c，则多普勒频移为：

f_d = (v_r / c) · f_c

LEO 卫星轨道速度约 7.6 km/s，两颗卫星相对速度的径向分量在 0～±15 km/s 量级。取 f_c = 23 GHz、v_r = 10 km/s，则 f_d ≈ (10/3×10^5)×23×10^9 ≈ 766 kHz。若载波提高到 60 GHz，同样相对速度下多普勒可达约 2 MHz。对于符号速率较低的链路，这一偏移可能超过符号带宽的若干分之一，必须进行多普勒预补偿或接收端频率跟踪。

多普勒频移的变化率（多普勒率）同样重要。它决定载波跟踪环路的带宽和捕获时间。在星间链路中，多普勒率可达数百 Hz/s 至数十 kHz/s，具体取决于轨道几何和相对运动方向。工程上通常采用开环预补偿：根据星历计算相对速度和径向分量，在发射端或接收端本振中预先扣除预测的多普勒频移，残余偏移由载波环跟踪。

4.3 大气衰减、雨衰与闪烁

星间链路大部分路径在真空中，但当波束以低仰角掠过地球边缘时，会穿过对流层和平流层的一部分。此时需要考虑三类效应：

• 大气气体衰减：主要由水汽和氧气吸收引起，在 22 GHz 和 60 GHz 附近有吸收峰。对于星间链路，若路径不穿过大气层，该项可忽略；若掠地路径穿过大气，需按仰角和高度积分计算。
• 雨衰：降雨粒子对微波的散射和吸收。星间链路通常不直接穿过降雨区，但若地面站参与馈电链路，或星间链路在低仰角下穿过雨区，雨衰可达数 dB 至数十 dB。雨衰与频率、降雨率、路径长度和极化方式有关。
• 闪烁：大气湍流引起折射率随机起伏，导致接收信号幅度和相位快速波动。星间链路中，闪烁主要出现在穿过大气层的路径段，幅度通常在 0.5～3 dB 之间，频率越高越明显。

对于纯星间链路（两端均在太空、路径不穿过大气），大气衰减、雨衰和闪烁通常可以忽略，信道近似为自由空间加多普勒。但对于“星—星—地”混合链路或低仰角掠地链路，这些效应必须纳入链路预算。

4.4 适用于星间场景的简化信道模型

综合上述效应，星间链路在工程仿真中常采用如下简化信道模型：

接收功率 P_rx(dBm) = P_tx + G_tx + G_rx - FSPL - L_point - L_atm - L_rain - L_scint
其中：
  P_tx   : 发射功率(dBm)
  G_tx   : 发射天线增益(dBi)
  G_rx   : 接收天线增益(dBi)
  FSPL   : 自由空间损耗(dB)
  L_point: 指向损耗(dB)
  L_atm  : 大气气体衰减(dB)
  L_rain : 雨衰(dB)
  L_scint: 闪烁余量(dB)

对于纯星间链路，L_atm、L_rain、L_scint 可取 0，模型退化为自由空间加指向损耗。多普勒频移不直接改变接收功率，但影响载波同步和符号定时，因此在仿真中通常作为独立参数注入：在发射信号上乘以 exp(j2πf_d t)，或在接收端进行频率补偿。

一个可用于教学仿真的参数示例如下：

按上述参数计算：FSPL ≈ 185.7 dB，接收功率 P_rx ≈ 30 + 35 + 35 - 185.7 - 1.5 ≈ -87.2 dBm。若接收机灵敏度为 -100 dBm，则链路余量约 12.8 dB，可以支持较高阶调制。若距离增加到 5000 km，FSPL 增加约 8 dB，余量降至约 4.8 dB，此时需要降低调制阶数或提高发射功率。

4.5 信道特性对网络建模的影响

星间信道特性直接影响网络层建模。自由空间损耗决定链路是否可用以及可支持的数据速率；多普勒频移决定载波同步和频率规划策略；大气与雨衰决定混合链路的可用度。在星座网络仿真中，通常将星间链路抽象为“距离相关的速率—误码率曲线”，再叠加多普勒和指向损耗的随机扰动。这样既保留了物理层的核心约束，又不会使网络层仿真过于复杂。

在实际仿真中，建议将上述模型实现为可配置的链路预算函数：输入星历、频率、天线增益和接收灵敏度，输出每一时刻的接收功率、多普勒频移和链路余量。这样既可用于单条链路的可用性判断，也可作为网络层路由和资源分配的输入约束。对于纯星间链路，重点是多普勒预补偿和指向损耗控制；对于混合链路，还需叠加大气、雨衰和闪烁余量，并按可用度要求留出足够的衰落余量。