Starlink第一期星座發(fā)展歷程及性能分析

+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第一期星座的提出與修改歷程

自2016年11月15日SpaceX向FCC提交Starlink星座計劃申請以來，SpaceX公司已先后3次提交修改申請，調(diào)整內(nèi)容涉及星座規(guī)模、軌道高度、星座構(gòu)型等參數(shù)?；仡櫲缦拢?/p>

1.提出

SpaceX向FCC提交申請，發(fā)射和運營共計4425顆星座的Starlink計劃，該申請已于2018年3月29日獲得批準。（詳細可參考FCC 文件SATLOA2016111500118）所提交文件中表明的系統(tǒng)主要參數(shù)如下：

●系統(tǒng)用戶側(cè)頻率為Ku、饋電側(cè)頻率為Ka；

●有星間鏈路；

●軌道高度1110-1325km

空間段星座拓撲如下所示：

2.第一次修改

2018年11月8日，SpaceX提交第一次修改申請，旨在將1150km軌道高度調(diào)整為550km，該修改申請已于2019年4月26日獲得批準（詳細可參考FCC 文件SATMOD2018110800083）。本次修改申請的主要內(nèi)容如下：

●總的星座規(guī)模由4425顆，調(diào)整為4409顆。

●將原1150km的1600顆星，調(diào)整為550km的1584顆星。

同時，為使得本次修改可以被FCC批準，SpaceX在申請文件中也表明了其滿足以下三個內(nèi)容：

1.滿足軌道碎片抑制要求

2.滿足等效功率譜通量密度EPFD約束

3.保護Ka頻段的固定業(yè)務(wù)

3.第二次修改

2019年8月30日，SpaceX提出第二次修改申請。據(jù)其描述是希望實現(xiàn)更為快速的部署，方法則是將軌道面由24個調(diào)整為72個，相應(yīng)的每面衛(wèi)星數(shù)由66降為22，保持總數(shù)不變。結(jié)合一箭60星發(fā)射能力，可實現(xiàn)一次發(fā)射填充3個軌道面（詳細可參考FCC 文件SATMOD2019083000087）。第二次修改申請相較前一次星座的變更如下表所示：

4.第三次修改

2020年4月17日，SpaceX提出第三次修改申請。進一步降低了衛(wèi)星部署的軌道高度，具體而言是將原軌道高度1110-1325km的衛(wèi)星降低至540-570km（詳細可參考FCC 文件SATMOD2020041700037）。調(diào)整后系統(tǒng)主要參數(shù)如下所示：

圖1 空間段星座拓撲

圖2 第二次修改申請相較前一次星座的變更

●衛(wèi)星總數(shù)由4409，調(diào)整為4408

●軌道高度位于：540-570km之間

●共計190個軌道面

修改前后星座的主要區(qū)別如下表所示：

同時，也需注意的是，星間鏈路僅第一次申請文件中提及了，之后3次修改申請中都未提及星間鏈路的事情。

二、當前Starlink星座在軌分布與軌道爬升分析

1.在軌分布

自2019.05.24發(fā)射第一批次Starlink衛(wèi)星以來，截止2020.09.04 SpaceX共計進行了12次發(fā)射。其中，第1～8次和第12次發(fā)射都是一箭60星，第9-11次發(fā)射分別是一箭58、57、58星。關(guān)于歷次發(fā)射時間和衛(wèi)星代號等信息，如下表所示：

第12批衛(wèi)星由于發(fā)射日期較近，尚未獲得公開的在軌數(shù)據(jù)；而前11批共計653顆衛(wèi)星中，已有12顆失效，故本次統(tǒng)計分析的對象為641顆Starlink在軌衛(wèi)星，空間分布如圖1和圖2所示：

其中，圖1中顏色相同的衛(wèi)星表示同一批次發(fā)射。由圖1和圖2可看出，Starlink衛(wèi)星已較為均勻，且已完成首要目標的18個等間隔軌道面，即圖中18條黑色豎直虛線所示。后續(xù)將星座的部署加密，即在18個軌道面之間再加一個軌道面，且當前已完成4/18。至此，Starlink星座已完成約22個面的部署，總計進入預(yù)定軌道的為421顆，衛(wèi)星高度統(tǒng)計如圖3所示：

可看出，已工作在預(yù)定550km軌道高度的衛(wèi)星有421顆，占比66%，其他絕大多數(shù)衛(wèi)星均處于軌道爬升過程，部分衛(wèi)星已低于300km（接近失效）。各批次發(fā)射的衛(wèi)星在軌高度如圖4所示：

圖3 修改前后星座的主要區(qū)別

表1：Starlink衛(wèi)星發(fā)射時間表

由圖4可知，第一批次所有衛(wèi)星均低于540km，多數(shù)衛(wèi)星（36顆）已低于300km，作為該Starlink Demo版本，幾乎所有的衛(wèi)星都無法維持在軌運行了。相比而言，作為正式版本的第2～7批次衛(wèi)星基本已全部進入預(yù)定軌道，由表1可知，該6個批次中最晚的第7批次距今也有134.5天了，誠如先前（05.24發(fā)文）文章中所述，自發(fā)射之日起大約126天便可全部進入預(yù)定軌道，再次印證此點。對于第8～11批次衛(wèi)星而言，遠如第8次發(fā)射距今也僅有92.2天，結(jié)果便是約2/3衛(wèi)星（37顆）進入預(yù)定軌道，而第9次和第10次約1/3衛(wèi)星（18顆、19顆）進入預(yù)定軌道，與先前所分析結(jié)論基本吻合，下一節(jié)進行更為詳細的軌道爬升過程分析。

2.軌道爬升分析

對發(fā)射的共計11批次Starlink衛(wèi)星自發(fā)射之日起至今（時間跨度：469.2天，約為1年零3月14天）的軌道高度變化過程進行分析，結(jié)果如下圖所示：

由圖5可靠出，Starlink星座在部署進度方面明顯加快，同時也可看出各批次衛(wèi)星的軌道爬升過程非常有序（除卻第一批次的Demo版本）。

圖6為第2～11批次衛(wèi)星從各自發(fā)射之日起經(jīng)歷時間與軌道高度的變化關(guān)系，如下所示：

由圖6可知，（1）該10批次衛(wèi)星均分為3組進行爬升，分別于50天、96天、134天后進入預(yù)定軌道；（2）軌道爬升的速度較先前有所變化，慢的如5.9km/day，快的達6.9km/day（爬升較快的衛(wèi)星中包括后續(xù)批次發(fā)射的，也包括早期批次發(fā)射而第三組爬升的）。圖中亦可得出關(guān)于其他方面諸多結(jié)論，歡迎大家交流與討論。

三、Starlink星座在軌全周期端到端時延分析

Starlink星座自發(fā)射之日起，一方面隨著發(fā)射批次增多使得在軌衛(wèi)星數(shù)量增多，另一方面隨著衛(wèi)星爬升進入預(yù)定軌道也使得在軌衛(wèi)星更為均勻的分布。上述兩個因素，均提升了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與服務(wù)能力，也是SpaceX實現(xiàn)2020年內(nèi)對北美區(qū)域提供服務(wù)的必經(jīng)途徑。

本部分通過對自首批發(fā)射至今的所有歷史數(shù)據(jù)為分析對象，分析了北美端到端業(yè)務(wù)時延與可用性隨時間推進的變化趨勢（事實上，除卻時延與通信可用性方面的性能變化，在覆蓋、切換與容量等方面，也可預(yù)期會有諸多規(guī)律可探索，限于篇幅此文不述）。關(guān)于整體仿真場景及流程，與先前文中分析方法基本一致。自首批Starlink發(fā)射之日起，以15天為間隔，分析了距今共計33個離散時間點上的性能，紐約到西雅圖通信端到端可用性如圖7所示：

圖1 Starlink衛(wèi)星在軌分布

圖2 Starlink衛(wèi)星在軌高度及升交點赤經(jīng)RAAN分布

圖3 Starlink衛(wèi)星在軌高度分布

圖4 Starlink衛(wèi)星在軌高度分批次統(tǒng)計

由圖7可看出，隨著歷時1年多的發(fā)展，Starlink星座對于滿足北美端到端通信可用性有了顯著提升。該變化趨勢基本上與歷次發(fā)射時間呈正相關(guān)性，即圖中12條豎直虛線所示的發(fā)射日期。第二批次Starlink 1作為第一個正式版本，將通信可用性由5%左右提升至約20%。自2020.01.06第三批次之后，通信可用性便呈現(xiàn)近乎直線上升階段，再用時5個月時間，至2020.06.03已達到90%。時至今日，已實現(xiàn)98.8%通信可用性。

此處，有必要對在05.20、06.24發(fā)表的兩篇文章中的數(shù)據(jù)進行說明。即，05.17時間點得出的59%通信可用性、06.22時間點得出的77.6%通信可用性，與本次仿真中通信可用性（由圖7可知約為85%、95%）有出入。原因在于，前兩次端到端通信可用性并未優(yōu)化站星接入策略，而本次是采用優(yōu)化的站星接入策略后所做的。優(yōu)化站星接入策略的目的是，最大程度保障端到端的業(yè)務(wù)。

端到端往返時延（Round Trip Time,RTT）的分析結(jié)果如圖8所示。

由圖8可看出，北美紐約到西雅圖之間平均RTT由42.0 ms降為39.5 ms，時延方面的性能也有所提升。前文中已做過分析，Starlink在軌衛(wèi)星數(shù)量增加及更為均勻分布，第一目標不再是降低時延，而是提升可建立通信服務(wù)的時間占比，即保證100%可用度才是第一目標。而這個方面性能也確實獲得了明顯提升，在分析圖7時已指出。

四、總結(jié)與展望

本文對Starlink第一期星座為研究對象，對該星座的提出、修改進行整理和概述，并對在軌衛(wèi)星分布及歷史軌道爬升過程進行分析，最后也通過時間線的方式給出1年多來的性能提升過程?？偨Y(jié)而言，大致有如下結(jié)論：

（1）SpaceX于2016.11.15提交Starlink第一期星座申請，由軌道高度位于1110-1325km的4425顆衛(wèi)星組成；其后SpaceX提交了三次修改申請，對星座規(guī)模、軌道高度、星座構(gòu)型等進行修改，最終確定為軌道高度位于540-570km共計4408顆衛(wèi)星。

（2）分析Starlink在軌分布及軌道爬升過程，通過結(jié)合共計6個批次正式版本的軌道爬升過程分析，發(fā)現(xiàn)軌道爬升速度由先前5.9km/day，提升至現(xiàn)在的6.9km/day。

（3）結(jié)合Starlink星座在軌衛(wèi)星自發(fā)射至今的歷史數(shù)據(jù)，分析了北美端到端業(yè)務(wù)時延與可用性隨時間的變化趨勢，時至今日已可實現(xiàn)特定區(qū)域端到端98.8%通信可用性、39.5 ms往返時延，與地面光纖網(wǎng)絡(luò)時延相當。

圖5 Starlink衛(wèi)星軌道變化過程

圖6 第2～11批次Starlink衛(wèi)星自發(fā)射之日其軌道變化過程

圖7 Starlink星座全周期端到端通信可用性分析

圖8 Starlink星座全周期端到端往返時延RTT分析