2. 卫星星座与星间链路基础
要理解星间链路路由与动态拓扑管理，必须先建立“星座几何—链路能力—约束边界”这条认知主线。卫星不是静止的基站，它们在轨道上高速运动，链路能否建立、能维持多久、带宽和时延如何变化，都由轨道类型、星座构型和ISL类型共同决定。本节从这四个基础维度展开，为后续路由算法和拓扑管理打下物理层与几何层的基础。
一、轨道类型：决定卫星“怎么动”
按轨道高度，卫星通常分为低地球轨道（LEO，约500～2000 km）、中地球轨道（MEO，约2000～20000 km）和地球静止轨道（GEO，约35786 km）。LEO单星覆盖小、时延低（单跳约2～10 ms）、相对地面高速运动，适合大规模星座组网；MEO覆盖与数量折中，常用于导航与部分通信星座；GEO相对地面静止、覆盖大，但单跳时延约120 ms，且极区覆盖差。
按轨道倾角，可分为赤道轨道（0°）、倾斜轨道（0°～90°）和极轨道（约90°）。倾角决定卫星能覆盖的纬度范围：极轨道可实现全球覆盖，倾斜轨道则集中服务中低纬区域。按偏心率，又分为圆轨道和椭圆轨道，通信星座多采用近圆轨道，以保证链路几何和时延相对稳定。
一个关键参数是轨道周期。以高度h的圆轨道为例，周期近似为：
T ≈ 2π√((R+h)³/μ)
其中 R = 6378 km（地球半径），μ = 398600 km³/s²
示例：h = 1200 km 时，T ≈ 6560 s ≈ 109 min周期直接决定卫星过顶时间和链路可维持时长。周期越短，卫星相对地面和相邻卫星的角速度越大，拓扑变化越快，路由收敛压力也越大。
二、星座构型：决定“怎么组网”
星座构型描述多颗卫星在轨道面上的分布方式。常见类型包括：
- Walker Delta星座：P个轨道面，每面S颗卫星，相位因子F。轨道面均匀分布，倾角相同，适合中低纬连续覆盖。典型如Walker 72/6/2，即6个轨道面、每面12颗、相位因子2。
- Walker Star星座：采用近极轨道，轨道面在极区交汇，适合全球覆盖，但极区卫星密度高、链路竞争强。
- 混合星座：结合LEO、MEO、GEO多层，兼顾覆盖、容量和时延，但层间链路和路由更复杂。
构型参数直接影响ISL的几何关系。以Walker Delta为例，同轨道面内相邻卫星间距固定，链路方向沿轨道切向；相邻轨道面之间卫星相对位置随时间变化，链路方向存在周期性摆动。若轨道面数为P、每面卫星数为S，则同面相邻卫星的角间距约为360°/S，面间角间距约为360°/P。这些角度关系决定了ISL的方位角范围和天线跟踪需求。
三、ISL类型：决定“怎么连”
星间链路按连接对象可分为三类：
- 同轨道面ISL：同一轨道面内前后卫星相连。由于卫星相对位置稳定，链路方向基本固定，多采用固定天线或简单跟踪，链路持续时间长，适合承载稳定骨干流量。
- 异轨道面ISL：相邻轨道面卫星相连。卫星相对运动导致方位角和俯仰角持续变化，需要可转动天线或相控阵跟踪，链路持续时间较短，切换频繁。
- 层间ISL：LEO与MEO/GEO之间的链路。距离远、时延大，但可提供跨层备份和广域汇聚。
按链路介质，又可分为射频ISL和激光ISL。射频链路技术成熟、捕获容易，但波束宽、易受干扰、速率相对低；激光链路波束窄、速率高、抗干扰强，但需要高精度捕获、跟踪和瞄准（ATP），对卫星姿态和振动敏感。工程中常采用“激光骨干+射频备份”的混合方案。
四、链路特性与约束：决定“能不能用、好不好用”
ISL能否建立和维持，受以下约束共同作用：
- 几何可见性：两星之间不能被地球遮挡。对于高度h₁、h₂的两颗卫星，地心角θ需满足θ < arccos(R/(R+h₁)) + arccos(R/(R+h₂))。超过该角度即进入遮挡区，链路中断。
- 距离与自由空间损耗：链路距离d决定传播时延和损耗。自由空间损耗FSPL(dB) = 92.45 + 20lg(f_GHz) + 20lg(d_km)。距离越远，信噪比越低，可用速率下降。
- 多普勒频移：卫星相对速度可达数km/s，导致载波频率偏移。LEO间最大多普勒可达±几十kHz（射频）甚至GHz级（激光），接收端必须进行频率补偿。
- 天线跟踪能力：异面ISL要求天线在方位和俯仰上快速跟踪，跟踪角速度受机械或相控阵扫描速度限制。跟踪跟不上，链路就会失锁。
- 功率与热约束：发射功率、天线增益和卫星热耗共同限制链路预算，长时间高功率工作可能触发热控降额。
- 切换与中断：当卫星移出可见范围或跟踪失败时，链路中断，路由需快速重收敛。切换频率与轨道高度、构型和ISL类型直接相关。
五、从几何到路由：一个可操作的判断示例
假设某LEO星座采用Walker Delta构型，轨道高度1200 km，每面12颗卫星，同面相邻卫星角间距30°。取地球半径R=6378 km，则轨道半径r=7578 km。同面相邻卫星的直线距离d = 2r·sin(15°) ≈ 2×7578×0.2588 ≈ 3923 km。自由空间损耗在Ka频段（30 GHz）约为：FSPL = 92.45 + 20lg(30) + 20lg(3923) ≈ 92.45 + 29.54 + 71.87 ≈ 193.9 dB。若发射功率10 W（40 dBm）、发射天线增益30 dBi、接收天线增益30 dBi，则接收功率约为40+30+30−193.9 = −93.9 dBm。若接收灵敏度为−100 dBm，则链路余量约6.1 dB，属于可用但余量偏紧的状态。
再看异面ISL。相邻轨道面卫星在赤道附近相对速度最大，多普勒频移可达±50 kHz以上。若天线跟踪角速度上限为1°/s，而卫星相对角速度在切换窗口内可能达到2°/s，则会出现跟踪滞后，链路误码率上升甚至失锁。此时路由协议需要提前感知链路质量下降，在失锁前完成路径切换。