## 低轨卫星终端开机后如何选择接入卫星？
一、背景
低轨卫星（LEO）和我们熟悉的地球同步轨道卫星（GEO）有一个根本差别------LEO 卫星不停在动。以 550 km 轨道高度为例，卫星轨道速度约 7.6 km/s，对地面终端的单星可见时间仅约 8～12 分钟。终端不能像对准高轨卫星那样，只需要一次对准、永远稳定。
我们以洛杉矶地区（北纬 34°）为例，根据当前星链卫星星座的布局，同一时刻仰角高于 15° 的可见卫星约有 30~40 颗。
我们需要明确一个事实，低轨卫星和高轨卫星不同，几何可见 ≠ 可以接入。这 40 颗卫星里，有的信号太弱，有的波束不覆盖当前位置，有的已经容量满员，还有的卫星信号被遮挡------终端需要一套完整的自主决策流程来找到当前应该接入哪一个卫星。
最重要的是，此时终端刚开机，还没有入网，不能接收网络管理系统NOC 的任何指令，所有决策必须在本地完成。 NOC 的卫星调度能力，只在终端入网后才能生效。
本文回答以下2个核心问题：
- 开机时终端手头有哪些本地信息，可以用来做什么？
- 面对同时可见的几十颗卫星，终端如何在不联网的情况下自主筛选？
二、终端开机后可用的本地信息
不联网的终端，凭什么做选星决策？依靠的是3类本地信息，足以支撑整个初始选星流程。
1. TLE 星历（出厂预存或上次入网时缓存）
TLE（Two-Line Element，两行轨道根数）是描述卫星轨道的标准化格式，配合 SGP4/SDP4 动力学传播模型，可在本地预测任意时刻某颗卫星的方位角、仰角、斜距和径向速度（多普勒量）。
TLE 精度有时效性，具体衰减规律如下：
| 时效 | 沿迹方向典型误差 | 对应角度误差（550 km 轨道） |
|---|---|---|
| 历元时刻 | ~1 km | ~0.1° |
| 1 天后 | ~1～3 km | ~0.2°～0.3° |
| 3 天后 | ~5～10 km | ~0.5°～1.0° |
| 7 天后 | ~20～50 km | ~2°～5° |
终端相控阵天线的典型 3dB 波束宽度约为 2°～5°，因此 3 天以内的 TLE 预报误差仍在波束宽度范围内，终端可直接用预测位置完成初始指向，再通过小范围电子扫描完成精确捕获。
星链卫星的 TLE 数据由 SpaceX 和 Space-Track 每 8～12 小时更新一次，终端上次入网时缓存的星历时效通常不超过 12 小时，预报误差远小于 1 km。
需要注意的是，太阳活动高峰期会使高层大气密度增大，TLE 精度衰减速率加快，极端情况下 1 天后误差就可能超出波束宽度，此时终端需要额外扫描来完成捕获。
2. GNSS 定位 + 精确时间
终端通过内置 GNSS 接收机获取本机经纬度和精确时间。这两项是 TLE 传播计算的必要输入：经纬度确定终端位置，时间决定计算的起始时刻。时间误差超过几秒，预测仰角就会出现较大的偏差。
3. 终端自身相控阵天线参数
终端自身相控阵的增益随仰角降低而下降------这是相控阵的基本特性，增益近似正比于 cosθ\cos\thetacosθ（θ\thetaθ 为扫描角）。相控阵天线的方向图决定终端自身在不同仰角的接收能力。
三、两级判决：从 40 颗候选星到 1 颗目标星
第一级：本地静态门限过滤
基于 TLE + 本机位置，在本地对所有几何可见卫星做纯计算过滤。这一级不需要对准任何卫星，不需要接收射频信号。
条件 1：仰角门限
-
要求：仰角 ≥ 最小仰角门限（星链约 15°～25°）
-
工程含义 ：仰角是衡量链路质量最直接的几何指标。仰角越低，信号穿越大气层的路径越长------以 550 km 轨道为例，仰角 15° 时信号穿越大气的路径长度约是仰角 90° 时的 3.8 倍（1/sin15°≈3.861/\sin 15° \approx 3.861/sin15°≈3.86），大气折射、雨衰和多径干扰随之显著加重。
与此同时，终端相控阵天线在低仰角方向自身增益也会下降（增益近似正比于 cosθ\cos\thetacosθ），两种效应叠加，形成链路的双重恶化。因此，设定仰角门限本质上是在划定一条"链路质量可接受"的分界线，低于这条线的卫星，即便几何上可见，链路余量也不足以支撑稳定接入。
条件 2：剩余可见时间门限
- 要求：剩余可见时间 ≥ 门限（工程实践约 2～3分钟）
- 工程含义：完整的切换准备流程包括邻区星历下发、波束预对准、时间提前量（TA）预配置、无线资源控制（RRC）、数据前向转发等步骤，需要一定的准备时间窗口。若终端接入后卫星很快离境，业务时间很短，而且很快就会触发波束切换，浪费宝贵的随机接入资源。
- 门限取值权衡：门限设太高（如 5 分钟），大量剩余时间充足的卫星被过滤，候选星变少；设太低（如 30 秒），切换准备时间不够。
关于波束覆盖校验
理论上还应验证终端是否位于某颗卫星的点波束地面投影内。但是低轨卫星的波束指向、数量、覆盖范围等是网管系统实时调度和重配置的，是动态变化的，终端无法提前预存。
因此第一级判决无法进行波束覆盖校验，这项验证延后到第二级，通过"接收信号强度是否可解调"来完成------如果终端不在任何波束内，终端就接收不到信号，信号强度将低于门限，自然被过滤掉了。
第一级输出：从约 40 颗几何可见卫星过滤到约 15～20 颗有效候选，并按仰角、剩余可见时间等因素加权打分排序，生成有优先级的候选列表。
第二级：按优先级顺序遍历
按第一级的候选列表顺序，从评分最高的卫星开始，对每颗候选星依次执行以下三步。任一步不通过，立即跳到下一候选星；全部通过，立即确定目标星，停止遍历。
步骤 1：波束对准
将相控阵天线电子波束指向该候选卫星的 TLE 预测位置（方位角、仰角）。
步骤 2：测量下行信号强度（物理层）
测量实际接收信号强度（RSRP，Reference Signal Received Power）和信噪比（SINR，Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio）。
- 若低于解调门限 → 信号太弱，无法解调任何内容（同时隐含该卫星波束不覆盖当前位置）→ 标记不可用，跳下一候选卫星
- 若满足解调门限 → 继续步骤 3
步骤 3：接收下行广播，读取接入状态（协议层）
在信号可解调的前提下，接收该卫星下行广播信道（SIB，System Information Block）。
- 读取：该波束是否满员、是否携带接入禁止标志（ACB，Access Class Barring / EAB，Extended Access Barring）
- 若满员或禁止接入 → 标记不可用，跳下一候选卫星
- 若接入允许 → 确定为目标星，立即停止遍历
两步的工程含义对比如下：
| 步骤 2（物理层） | 步骤 3（协议层） | |
|---|---|---|
| 判断对象 | 信号能不能收到 | 网络允不允许接入 |
| 过滤原因 | 波束不覆盖、遮挡、干扰 | 卫星容量满、运营商限制 |
| 依赖关系 | 无前置条件 | 依赖步骤 2 成功 |
| 类比 | 能不能听到声音 | 听到了，内容是欢迎还是谢客 |
第二级输出：1 颗目标卫星。
四、入网：确定目标星后如何完成 RACH 握手
目标星确定后，终端发起随机接入（RACH，Random Access Channel）流程，4 步握手完成控制链路建立：
图1：4步 RACH 握手流程
上行
下行
上行
下行
📡 终端
MSG1: Preamble
随机接入前导
🛰️ 目标卫星
MSG2: RAR
时序对齐TA + 上行资源分配
📡 终端
MSG3: RRC Setup Request
上报终端标识和能力
🛰️ 目标卫星/核心网
MSG4: RRC Setup
卫星RRC配置
📡 终端
RRC Setup Complete
控制链路建立完成
MSG2 中包含关键的时间提前量（TA）配置------由于低轨卫星距地面 550 km，单程传播时延约 1.8 ms（d/c=550 km/(3×105 km/s)≈1.8 msd/c = 550\ \mathrm{km} / (3\times10^5\ \mathrm{km/s}) \approx 1.8\ \mathrm{ms}d/c=550 km/(3×105 km/s)≈1.8 ms），考虑到卫星高速运动，动态延时修正在不断变化，上行信号必须提前发送才能在正确时隙到达卫星，TA 即为这一提前量。
MSG4 完成后，控制链路建立，NOC 正式接管 ：下发精密星历、分配业务信道、制定后续切换计划，终端从自主模式切换为网络调度模式。
五、全流程一览
图2：终端开机选星完整流程
✅ 满足
❌ 不满足
✅ 允许接入
❌ 满员/禁入
🔌 终端上电
📍 GNSS 定位
获取经纬度 + 精确时间
🗂️ TLE 预测
计算所有可见卫星
方位角 / 仰角 / 斜距 / 多普勒
📋 第一级：静态过滤
仰角 ≥ 15°～25°
剩余可见时间 ≥ 2 min
📊 加权评分排序
生成优先级候选列表
~15～20 颗
🎯 波束对准
电子波束指向第 N 候选星
📶 步骤2
RSRP/SINR ≥ 门限？
📨 步骤3
广播显示可接入？
✅ 确定目标星
发起 RACH 握手
4步握手完成
控制链路建立
🌐 NOC 接管
下发精密星历
分配业务信道
制定切换计划
⏭️ 跳至下一候选星
第一，整个选星流程分为两级：第一级纯计算、零射频开销，第二级顺序试探、通常 1～2 次即成功。
第二 ，几何可见 与可以接入是两回事，仰角门限、剩余可见时间门限和信号强度门限共同决定一颗卫星是否真正可用。
第三，NOC 的调度能力在终端入网前完全无法介入，选星全程自主，入网后才切换为网络主导模式。
更多内容，请关注"通信与导航"，主页有技术文章的分类合集，感兴趣的朋友可以查询