Starlink星座衛(wèi)星在軌實時跟進與分析

+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 王大鵬（中國科學(xué)院軟件研究所 天基綜合信息系統(tǒng)重點實驗室）

一、Starlink星座在軌衛(wèi)星現(xiàn)狀

2020年4月23日，SpaceX發(fā)射第七批共計60顆星鏈（Starlink）衛(wèi)星，也使得星鏈星座在軌衛(wèi)星達到420顆。先前馬斯克表示，SpaceX只需要大約400顆衛(wèi)星就能提供初步運營能力，而近日馬斯克透露將在3個月內(nèi)進行私人內(nèi)測。那么，為什么是400顆星？又為什么是3個月？為解開這些謎團，項目組對Starlink星座進行長期跟進和研究，基于自研的“天智網(wǎng)絡(luò)仿真測試床”，對Starlink星座在軌衛(wèi)星運行狀況、進入預(yù)定軌道的推進過程進行了分析。

截止2020年4月30日，Starlink星座在軌衛(wèi)星417顆。當(dāng)前，已有37%（155顆）衛(wèi)星進入預(yù)定軌道，其余63%基本上都處于軌道爬升過程。衛(wèi)星在軌運行軌道高度如圖1所示：

進一步分析各批次發(fā)射衛(wèi)星在軌高度分布，如圖2所示。由圖中可看出，第一批衛(wèi)星都沒有進入預(yù)定軌道高度，2/3的衛(wèi)星處于500～540km軌道高度上。與之對比，第二批已有96.7%（58顆）衛(wèi)星進入預(yù)定軌道，而第三批和第四批有近2/3（39顆）衛(wèi)星進入預(yù)定軌道。第七批衛(wèi)星由于剛發(fā)射，全部處于300～400km高度上。

二、Starlink衛(wèi)星載荷與關(guān)鍵技術(shù)介紹

Starlink衛(wèi)星單星重260kg，通過采用獨特的緊湊平板型設(shè)計可實現(xiàn)一箭60星的發(fā)射，60顆衛(wèi)星組裝方式如圖3所示。

同時，星上配備4副相控陣天線、單太陽能帆板、氪離子推進器、定制的內(nèi)置導(dǎo)航傳感器、自動避撞系統(tǒng)。（參見圖4）

圖1 Starlink衛(wèi)星在軌高度（圖出自“天智網(wǎng)絡(luò)仿真測試床”）

圖2 Starlink衛(wèi)星在軌高度分批次統(tǒng)計（圖出自“天智網(wǎng)絡(luò)仿真測試床”）

圖3 60顆Starlink衛(wèi)星排布

圖4 Starlink衛(wèi)星4副相控陣天線

圖5 Starlink衛(wèi)星氪離子推進器

三、Starlink衛(wèi)星軌道爬升過程分析

Starlink衛(wèi)星由獵鷹9火箭發(fā)射入軌時，并不會直接將其送入預(yù)定的550km軌道，而是送入位于300km左右的軌道，之后通過星上氪離子推進器進行軌道爬升進入預(yù)定軌道。所有衛(wèi)星的軌道爬升過程如圖5所示：

Demo版本衛(wèi)星初始軌道高度較高，約440km，正式版本衛(wèi)星初始軌道高度較低，約300km。Demo版本衛(wèi)星爬升過程不夠平滑，且較多衛(wèi)星在進入預(yù)定軌道后出現(xiàn)軌道下降，猜測可能是入軌后進行變軌能力測試，也可能是能源系統(tǒng)或氪離子推進系統(tǒng)工作不夠穩(wěn)定導(dǎo)致。相比而言，正式版本衛(wèi)星軌道爬升速度更均勻，衛(wèi)星進入預(yù)定軌道后也可穩(wěn)定在550km軌道上，這表明Demo版本中的問題基本解決。

同時，從圖6中也可看出，同一批次發(fā)射的60顆衛(wèi)星進入預(yù)定軌道的過程是分組進行的。且由第二批次60顆衛(wèi)星爬升過程，可看出是分了三組。我們進一步分析第二批次60顆衛(wèi)星爬升過程，如圖7所示：

可以看出，60顆衛(wèi)星軌道爬升過程主要分三組進行，每組20顆左右，即圖中三個平行虛線所示。經(jīng)進一步的分析可知，從軌道高度300km開始爬升至預(yù)定550km高度，用時42.1天，平均爬升速度5.9 km/day。三組衛(wèi)星軌道爬升速度基本一致，也可看出Starlink衛(wèi)星在氪離子推進器及相關(guān)控制系統(tǒng)方面已較為穩(wěn)定。

不同組間軌道爬升間隔期約40天，這使得自發(fā)射之日2019.11.11起，耗時近3個月（87天）后在2020.02.06時有40顆衛(wèi)星進入預(yù)定軌道，耗時近4個月（125天）后在2020.03.18時所有衛(wèi)星基本都進入預(yù)定軌道。并在此之后，維持在軌運行高度相當(dāng)穩(wěn)定。值得注意的是，本批次衛(wèi)星中有2顆尚未進入預(yù)定軌道，目前的猜測可能是電源系統(tǒng)或推進系統(tǒng)故障導(dǎo)致，后續(xù)將基于更多數(shù)據(jù)進行分析和驗證。第三至六批的衛(wèi)星軌道爬升過程與第二批基本一致。

四、總結(jié)與展望

隨著第七批衛(wèi)星在2020.04.23的發(fā)射入軌，已實現(xiàn)在軌衛(wèi)星共計約420顆。按照先前正式版本幾個批次衛(wèi)星的軌道變化過程，預(yù)計三個月后，將有400顆衛(wèi)星進入預(yù)定550km軌道。屆時，Starlink星座或許將如馬斯克所說可以實現(xiàn)400顆衛(wèi)星規(guī)模下的初步運營了。

對Starlink跟進與研究的過程中，我們還發(fā)現(xiàn)很多有意思的現(xiàn)象，比如：1-各批次Starlink衛(wèi)星的編號為什么不連續(xù)，是衛(wèi)星研制/測試過程中出現(xiàn)了問題還是由于其他原因？2-為什么400顆衛(wèi)星就能為北美和加拿大等區(qū)域提供初步運營服務(wù)，這400顆星在空間段是如何分布的？該“初步運營服務(wù)”的能力是提供多少傳輸速率、有多大時延？3-如果第一階段1584顆衛(wèi)星全部入軌，服務(wù)質(zhì)量又能有多大提升？

后續(xù)我們將進行持續(xù)的跟進和研究，更多的內(nèi)容我們下次再見。

圖7 Starlink第二批60顆衛(wèi)星軌道變化過程（圖出自“天智網(wǎng)絡(luò)仿真測試床”）