基于STK的Starlink星座覆蓋仿真分析

李元龍,李志強(qiáng)

(1.國防大學(xué)研究生院,北京 100091;2.國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院,北京 100091)

美國太空探索計(jì)劃公司(SpaceX)于2015年提出“星鏈計(jì)劃”,計(jì)劃向太空近地軌道發(fā)射1.2萬顆通信衛(wèi)星,從而組成星鏈網(wǎng)絡(luò)，提供高質(zhì)量互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),其中，第一階段1 584顆星鏈衛(wèi)星將首先部署于高550 km處的近地軌道上。2019年，SpaceX公司又提交申請,準(zhǔn)備追加3萬顆星鏈衛(wèi)星,“星鏈計(jì)劃”衛(wèi)星數(shù)量總計(jì)約4.2萬顆[1]。

為研究目前星鏈星座對地球的覆蓋情況,本文利用衛(wèi)星仿真工具包(STK)的衛(wèi)星仿真和覆蓋分析模塊功能,根據(jù)公布的星鏈衛(wèi)星軌道參數(shù),模擬建立星鏈星座,對地球北緯70°至南緯70°之間區(qū)域的覆蓋情況進(jìn)行仿真分析。

1 STK軟件簡介

STK(Satellite Toolkit,衛(wèi)星仿真工具包)是美國通用人工智能AGI公司開發(fā)的、世界航天領(lǐng)域最先進(jìn)的商品化仿真分析軟件,雖然是從基礎(chǔ)的航天與衛(wèi)星領(lǐng)域起步,但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展和完善,現(xiàn)在已能夠全面支持對復(fù)雜陸、海、空、天、電一體,覆蓋航天宇航飛行控制、空間環(huán)境、衛(wèi)星、雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子對抗、導(dǎo)彈、空間飛行器、深空探測等與基礎(chǔ)航天動力學(xué)相關(guān)的所有領(lǐng)域仿真分析與評估。除了基本航天衛(wèi)星領(lǐng)域應(yīng)用外,STK軟件也能夠全面支持航空航天、雷達(dá)、通信、電子對抗、紅外光電、導(dǎo)彈設(shè)計(jì)與分析以及體系級的信息對抗的仿真分析等,且能夠?yàn)楦鞣N仿真結(jié)果提供各種形式的分析報(bào)表,并可以在多維空間中根據(jù)用戶需要進(jìn)行直觀可視化顯示。因此，STK是一款十分適用于星鏈星座仿真分析的強(qiáng)大系統(tǒng)分析軟件，已有眾多學(xué)者基于STK對各星座系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析。徐志勇[2]利用STK對航天器霍曼轉(zhuǎn)移做了透徹分析;王欣蕊[3]利用STK對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座設(shè)計(jì)以及衛(wèi)星可見性等方面進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析;倪育德[4]等人利用STK對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS星座的可見星數(shù)及幾何精度衰減因子進(jìn)行了仿真研究;徐俊[5]等人利用STK對不同Walker星座進(jìn)行了仿真分析,形成了偵察衛(wèi)星星座與軌道方案。

2 “星鏈計(jì)劃”設(shè)計(jì)與部署

2.1 “星鏈計(jì)劃”部署情況

“星鏈計(jì)劃”是2015年SpaceX公司提出的互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目,目的是提供高質(zhì)量的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),建設(shè)計(jì)劃分為兩步,即首先實(shí)現(xiàn)覆蓋美國本土全境后，再實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,建設(shè)工期初步分為三期。表1是“星鏈計(jì)劃”建設(shè)計(jì)劃表。

表1 “星鏈計(jì)劃”建設(shè)計(jì)劃表[6]

第一階段將1 584顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星部署于22個(gè)550 km、傾角53°的軌道面上;第二階段分四步部署2 825顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng),第一步將1 600顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星部署于32條1 100 km、傾角53.8°的軌道面上,第二步將400顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星部署于8條1 130 km、傾角74°的軌道面上,第三步將375顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星部署于5條1 275 km、傾角81°的軌道面上,第四步將450顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星部署于6條1 325 km、傾角70°的軌道面上;第三階段分三步部署7 518顆V頻段衛(wèi)星,第一步將2 493顆衛(wèi)星部署于335.9 km、傾角42°的軌道面上,第二步將2 478顆衛(wèi)星部署于340.8 km、傾角48°的軌道面上,第三步將2 547顆衛(wèi)星部署于345.6 km、傾角53°的軌道面上[8]。在2019年SpaceX公司又提交申請準(zhǔn)備為“星鏈計(jì)劃”追加3萬顆第二代星鏈衛(wèi)星,部署于328 km～580 km軌道上,最終數(shù)量總計(jì)約4.2萬。

截至2022年4月21日,SpaceX公司累計(jì)發(fā)射1批測試星2顆、1批0.9版星鏈衛(wèi)星60顆、28批1.0版星鏈衛(wèi)星1 678顆(包括2批極地軌道衛(wèi)星)、13批1.5版星鏈衛(wèi)星651顆(包括3顆1.5版原型衛(wèi)星),共計(jì)發(fā)射2 388顆星鏈衛(wèi)星,目前在軌2 150顆，空間操作2 120顆，正式運(yùn)營1 683顆，脫軌32顆,失效主動再入238顆。

2.2 星鏈衛(wèi)星參數(shù)

星鏈衛(wèi)星屬于小衛(wèi)星,單顆衛(wèi)星重量僅約260 kg,防輻射結(jié)構(gòu)較差,衛(wèi)星壽命僅5～7年,因其本身質(zhì)量小，只能搭載約100 kg的有效載荷,采用獨(dú)特緊湊平板型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一箭60星發(fā)射[9]。星鏈衛(wèi)星底部攜帶4套相控陣天線系統(tǒng),采用單個(gè)太陽能電池陣設(shè)計(jì),利用內(nèi)部定制的導(dǎo)航傳感器測量自身姿態(tài)。星鏈衛(wèi)星是第一個(gè)采用氪離子推進(jìn)系統(tǒng)的航天器,為了減少與其他航天器發(fā)生碰撞事故,星鏈衛(wèi)星搭載自主碰撞規(guī)避系統(tǒng),能夠讀取太空航天器及在軌碎片運(yùn)行數(shù)據(jù),利用自身攜帶的四個(gè)動量輪系統(tǒng)，配合氪離子推進(jìn)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)自主避碰。根據(jù)官方給出的星鏈衛(wèi)星Ku波段天線覆蓋角度,部署初期可能僅有25°,但最終會提高到40°半錐角[10]。圖1為星鏈衛(wèi)星在軌道高度550 km、覆蓋角度40°的覆蓋示意圖。

圖1 星鏈VLEO星座與LEO星座覆蓋示意圖[11]

3 星鏈星座覆蓋仿真與分析

從2018年2月22日發(fā)射兩顆測試衛(wèi)星至2022年4月21日發(fā)射第13批1.5版星鏈衛(wèi)星,“星鏈計(jì)劃”以年均約1 000顆衛(wèi)星正在部署中,星鏈衛(wèi)星版本也從0.9版、1.0版發(fā)展至1.5版,因此，以部分選定地點(diǎn)地域作為研究重點(diǎn),仿真研究目前星鏈星座整體覆蓋情況,有利于認(rèn)識當(dāng)前“星鏈計(jì)劃”發(fā)展情況,評估當(dāng)前“星鏈計(jì)劃”應(yīng)用能力,預(yù)測未來“星鏈計(jì)劃”應(yīng)用潛力。

3.1 星鏈星座仿真建模

3.1.1 建立場景

根據(jù)星鏈衛(wèi)星軌道高度特點(diǎn),仿真時(shí)長設(shè)置為一天可以保證每顆衛(wèi)星基本實(shí)現(xiàn)回歸的效果。故設(shè)置Analysis Period(仿真時(shí)間)為“25 Apr 2022 04:00:00.000 UTCG”至“26 Apr 2022 04:00:00.000 UTCG”,如圖2所示。

圖2 仿真時(shí)間設(shè)置

3.1.2 添加星鏈衛(wèi)星對象

根據(jù)AGI官方網(wǎng)站公開數(shù)據(jù),下載公開的星鏈衛(wèi)星.TLE 文件,插入仿真場景中,構(gòu)建星鏈星座運(yùn)行模型,如圖3所示。因星鏈衛(wèi)星壽命較短,且防輻射能力較低,例如，2022年2月3日，從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射的49顆星鏈衛(wèi)星中,有40顆受到地磁暴影響于次日墜毀,故仿真中僅考慮公開且正常運(yùn)行的星鏈衛(wèi)星(包括尚未正式運(yùn)營的星鏈衛(wèi)星),共計(jì)2 090顆。

圖3 星鏈星座覆蓋模型

根據(jù)官方給出的星鏈衛(wèi)星Ku波段天線覆蓋角度,部署初期僅有25°,但最終會提高到40°半錐角,考慮仿真分析的前瞻性和預(yù)測性,故在仿真中將所有星鏈衛(wèi)星天線覆蓋角度均設(shè)置為40°。給所有星鏈衛(wèi)星添加傳感器,設(shè)置Sensor Type(傳感器類型)為 “Simple Conic(簡單錐體)”、Cone Half Angle(圓錐角定義)為“44.85deg”,如圖4所示。

圖4 星鏈衛(wèi)星天線覆蓋模型

3.1.3 添加覆蓋定義對象

添加覆蓋定義對象,設(shè)置覆蓋分析的邊界為“Latitude Bounds(維度邊界)”,數(shù)值為北緯70°至南緯70°,設(shè)置覆蓋計(jì)算的點(diǎn)的精度為“Lat/Lon(經(jīng)緯度)”,數(shù)值為“2deg”,在Assets(資源)中利用Assign(關(guān)聯(lián))功能按鈕建立所選對象與覆蓋分析對象的關(guān)聯(lián),將所有衛(wèi)星的傳感器狀態(tài)設(shè)置為“Active(活動)”。最后，進(jìn)行訪問計(jì)算,計(jì)算完成后，北緯70°至南緯70°之間產(chǎn)生可供分析的參考區(qū)域和參考點(diǎn),如圖5所示。

圖5 覆蓋定義對象模型

3.1.4 添加覆蓋品質(zhì)參數(shù)對象

為覆蓋定義對象添加覆蓋品質(zhì)參數(shù)對象,將其類型設(shè)置為“N ASSET COVERAGE”,并將覆蓋品質(zhì)參數(shù)對象的“滿足條件”的“Enable(有效性)”設(shè)置為“ON”。

3.1.5 設(shè)置選定地點(diǎn)地域

利用柵格檢查器,選定指定參考區(qū)域及參考點(diǎn)作為仿真分析研究重點(diǎn)。

本研究選定北緯51.53°～35.97°和34.03°～18.47°兩個(gè)維度范圍的四個(gè)區(qū)域,以及四個(gè)具有代表性的地點(diǎn)作為具體分析的對象,圖6為美國東部(RegionID:111)、中國東北部(RegionID:105)、黑海地區(qū)(RegionID: 102)、第一島鏈區(qū)域(RegionID:89)四個(gè)仿真研究區(qū)域,以及華盛頓附近(37.92°,281.43°)、北京附近(39.86°,115.71°)、基輔附近(49.58°,30.00°)、中國臺灣(24.31°,121.11°)分別位于四個(gè)仿真研究區(qū)域內(nèi)的地點(diǎn)(經(jīng)緯度按照STK中格式書寫)。

圖6 仿真區(qū)域

3.2 覆蓋仿真結(jié)果分析

3.2.1 全球覆蓋情況

本文將星鏈星座分為三個(gè)階段進(jìn)行覆蓋仿真研究。第一階段為2021年前的星鏈星座,第二階段為發(fā)射1.5版星鏈衛(wèi)星前的星鏈星座,第三階段為目前的星鏈星座。

從圖7覆蓋模型能夠發(fā)現(xiàn),0.9版、1.0版星鏈衛(wèi)星覆蓋區(qū)域在北緯60°至南緯60°之間,1.5版星鏈衛(wèi)星逐漸開始覆蓋兩極地區(qū),星鏈星座覆蓋密度逐漸提高。

圖7 星鏈星座全球覆蓋模型

從圖8Coverage By Latitude(緯度覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對仿真區(qū)域內(nèi)不同緯度的覆蓋時(shí)間比例。2021年之前星鏈星座在北緯30°～53°和南緯30°～53°兩個(gè)區(qū)域覆蓋率可達(dá)90%以上,而在1 678顆1.0版星鏈衛(wèi)星全部部署之后,星鏈星座在北緯53°至南緯53°之間覆蓋率明顯提升,達(dá)到100%的覆蓋效果,但兩極地區(qū)無法覆蓋。1.5版星鏈衛(wèi)星開始部署之后，星鏈星座覆蓋區(qū)域開始向兩極拓展,覆蓋率逐步提升。

圖9Value By Latitude(緯度報(bào)告)分析了星鏈星座對不同緯度覆蓋的星鏈衛(wèi)星數(shù)量的最小值、最大值和平均值。

圖9 星鏈星座覆蓋重?cái)?shù)隨維度變化曲線

星鏈星座在南北緯53°左右實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)覆蓋,最大覆蓋重?cái)?shù)從13增加到18，再增加到33,平均覆蓋重?cái)?shù)從11左右增加到16左右，再增加到26左右;中低緯度地區(qū)(南北緯30°之間)覆蓋重?cái)?shù)明顯小于其他緯度地區(qū),其最小覆蓋數(shù)量從4增加到5，再增加到8,平均覆蓋重?cái)?shù)由5左右增加到7左右，再增加到目前的13左右,星鏈星座在北緯53°至南緯53°之間整體覆蓋重?cái)?shù)提升明顯。

3.2.2 選定地點(diǎn)地域覆蓋情況

1)美國東部地區(qū)覆蓋情況

從圖10GI Region Full Coverage(完全區(qū)域覆蓋圖表)可以分析，得出星鏈星座對美國東部地區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)完全覆蓋的時(shí)刻。在2021年之前,星鏈星座已經(jīng)在一天中不少時(shí)刻能夠?qū)崿F(xiàn)對于美國東部地區(qū)所有點(diǎn)完全覆蓋,但完全覆蓋時(shí)間不連續(xù)。在部署完成所有1.0版星鏈衛(wèi)星之后,星鏈星座一天中僅有部分較短時(shí)刻無法實(shí)現(xiàn)完全覆蓋,整體完全覆蓋時(shí)間連續(xù),在1.5版星鏈衛(wèi)星部署之后,星鏈星座對美國東部地區(qū)完全覆蓋時(shí)間更長，更加連續(xù)。

圖10 美國東部地區(qū)完全覆蓋時(shí)刻表

從圖11GI Region FOM(區(qū)域覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以進(jìn)一步分析，得到星鏈星座對美國東部地區(qū)內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值,可評估其對該區(qū)域整體覆蓋能力。2021年之前,星鏈星座對該區(qū)域內(nèi)的部分地區(qū)常常出現(xiàn)無法覆蓋的時(shí)刻,對部分地區(qū)最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)為11顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量僅在3顆左右。在1.0版星鏈衛(wèi)星部署完成之后,星鏈星座已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)全覆蓋,對部分地區(qū)最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)為16顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量6顆左右。在1.5版星鏈衛(wèi)星部署之后,星鏈星座對部分地區(qū)最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)達(dá)24顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量8顆左右。

圖11 美國東部地區(qū)覆蓋衛(wèi)星數(shù)

從圖12GI Point Coverage(點(diǎn)覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對華盛頓附近覆蓋的時(shí)刻,評估其對該點(diǎn)整體覆蓋能力。2021年前，星鏈星座已經(jīng)有不少時(shí)刻能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋,但還沒達(dá)到24小時(shí)全覆蓋。在1.0版星鏈衛(wèi)星部署完成之后,星鏈星座已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對華盛頓附近24小時(shí)完全覆蓋。

從圖13GI Point FOM(點(diǎn)覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以進(jìn)一步分析星鏈星座對華盛頓附近覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值,評估其對該點(diǎn)覆蓋能力。2021年前，星鏈星座對華盛頓附近最大衛(wèi)星覆蓋數(shù)是6顆,有無法覆蓋情況,平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)在2顆左右。1.0版星鏈衛(wèi)星部署之后,星鏈星座對華盛頓附近最大衛(wèi)星覆蓋數(shù)是7顆,最小衛(wèi)星覆蓋數(shù)1顆,平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)在4顆左右。在1.5版星鏈衛(wèi)星部署之后,星鏈星座對華盛頓附近最大衛(wèi)星覆蓋數(shù)是14顆,最小衛(wèi)星覆蓋數(shù)1顆,平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)在5顆左右。

2)中國東北部地區(qū)覆蓋情況

從圖14GI Region Full Coverage(完全區(qū)域覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對中國東北部地區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)完全覆蓋的時(shí)刻。

圖14 中國東北部地區(qū)完全覆蓋時(shí)刻表

從圖15GI Region FOM(區(qū)域覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以分析星鏈星座對中國東北部地區(qū)內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值,評估其對該區(qū)域整體覆蓋能力。中國東北地區(qū)與美國東部地區(qū)屬于同一緯度范圍,覆蓋情況基本相同。

圖15 中國東北部地區(qū)覆蓋衛(wèi)星數(shù)

從圖16GI Point Coverage(點(diǎn)覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對北京附近覆蓋的時(shí)刻。從圖17 GI Point FOM(點(diǎn)覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以分析星鏈星座對北京附近覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值,評估其對該點(diǎn)覆蓋能力。北京附近與華盛頓附近緯度接近,星鏈星座對于北京附近覆蓋情況同華盛頓附近覆蓋情況相似。

圖17 北京附近覆蓋衛(wèi)星數(shù)

3)第一島鏈地區(qū)覆蓋情況

從圖18GI Region Full Coverage(完全區(qū)域覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對第一島鏈地區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)完全覆蓋的時(shí)刻,評估其對該區(qū)域整體覆蓋能力。該區(qū)域比美國東部區(qū)域緯度低,星鏈星座在2021年之前僅有部分時(shí)刻能夠?qū)崿F(xiàn)對于該區(qū)域全覆蓋,但在1.0版星鏈衛(wèi)星全部部署之后,星鏈星座實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域全覆蓋的時(shí)刻大大增加。1.5版星鏈衛(wèi)星開始部署之后,星鏈星座對該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋的能力進(jìn)一步增加。

圖18 第一島鏈地區(qū)完全覆蓋時(shí)刻表

從圖19GI Region FOM(區(qū)域覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以進(jìn)一步分析星鏈星座對第一島鏈地區(qū)內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值。2021年之前,星鏈星座對第一島鏈地區(qū)常常出現(xiàn)無法覆蓋的時(shí)刻,對部分地區(qū)最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)為6顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量僅在1.5顆左右。在1.0版星鏈衛(wèi)星部署完成之后,星鏈星座無法覆蓋部分地區(qū)的時(shí)刻大大減少,對部分地區(qū)最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)為9顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量3顆左右。在1.5版星鏈衛(wèi)星部署之后,星鏈星座覆蓋能力進(jìn)一步提升,對部分地區(qū)最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)可達(dá)17顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量4顆左右。

圖19 第一島鏈地區(qū)覆蓋衛(wèi)星數(shù)

從圖20GI Point Coverage(點(diǎn)覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對中國臺灣覆蓋的時(shí)刻,評估其對該點(diǎn)整體覆蓋能力。星鏈星座在2021年之前有較多時(shí)刻無法覆蓋該點(diǎn),但在1.0版星鏈衛(wèi)星部署完成、1.5版星鏈衛(wèi)星開始部署之后,星鏈星座基本能夠?qū)崿F(xiàn)對該點(diǎn)的24小時(shí)全覆蓋。

圖20 中國臺灣覆蓋時(shí)刻表

從圖21GI Point FOM(點(diǎn)覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以進(jìn)一步分析星鏈星座對中國臺灣覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值,評估其對該點(diǎn)覆蓋能力。2021年之前,星鏈星座對該點(diǎn)常常出現(xiàn)無法覆蓋的時(shí)刻,最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)僅為5顆,平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量僅1.5顆左右。在1.0版星鏈衛(wèi)星部署完成之后,星鏈星座基本對該點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)全覆蓋,最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)為7顆,平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量3顆左右。在1.5版星鏈衛(wèi)星部署之后,星鏈星座覆蓋能力進(jìn)一步提升,最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)達(dá)13顆,平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量4顆左右。

圖21 中國臺灣覆蓋衛(wèi)星數(shù)

4)黑海地區(qū)覆蓋情況

從圖22GI Region Full Coverage(完全區(qū)域覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對黑海地區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)完全覆蓋的時(shí)刻。

圖22 黑海地區(qū)完全覆蓋時(shí)刻表

從圖23GI Region FOM(區(qū)域覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以進(jìn)一步分析星鏈星座對黑海地區(qū)內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值,評估其對該區(qū)域整體覆蓋能力。黑海地區(qū)與美國東部地區(qū)屬于同一緯度范圍,覆蓋情況基本相同。

圖23 黑海地區(qū)覆蓋衛(wèi)星數(shù)

從圖24GI Point Coverage(點(diǎn)覆蓋圖表)可以分析星鏈星座對基輔附近覆蓋的時(shí)刻,評估其對該點(diǎn)整體覆蓋能力,星鏈星座在2021年之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對該點(diǎn)的24小時(shí)全覆蓋。

圖24 基輔附近覆蓋時(shí)刻表

從圖25GI Point FOM(點(diǎn)覆蓋品質(zhì)參數(shù)圖表)可以進(jìn)一步分析星鏈星座對基輔附近覆蓋衛(wèi)星個(gè)數(shù)的最小值、最大值和平均值,評估其對該點(diǎn)覆蓋能力。2021年之前,星鏈星座雖然實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全覆蓋,但對部分地區(qū)最小覆蓋衛(wèi)星數(shù)僅為2顆,最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)為9顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量在5顆左右。在1.0版星鏈衛(wèi)星部署完成之后,星鏈星座對該點(diǎn)的覆蓋能力大大提升,對部分地區(qū)最小覆蓋衛(wèi)星數(shù)為5顆,最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)提高到15顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量9顆左右。在1.5版星鏈衛(wèi)星部署之后,星鏈星座覆蓋能力進(jìn)一步提升,對部分地區(qū)最小覆蓋衛(wèi)星數(shù)為6顆,最大覆蓋衛(wèi)星數(shù)達(dá)22顆,全天平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)量12顆左右。

4 展望與啟示

從第一批0.9版星鏈衛(wèi)星發(fā)射部署開始,“星鏈計(jì)劃”憑借其技術(shù)和成本的優(yōu)勢成為唯一正在快速部署的巨型星座。根據(jù)對已有星鏈衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行建模仿真研究發(fā)現(xiàn),星鏈星座在南北緯60°之間整體的覆蓋能力穩(wěn)步提升,并有逐步向兩極覆蓋的趨勢。目前，星鏈星座在南北緯60°之間已經(jīng)有100%覆蓋的能力,覆蓋重?cái)?shù)在南北緯53°左右最大,可達(dá)33;低緯度地區(qū)覆蓋重?cái)?shù)低于高緯度地區(qū),但也有大幅提升,平均覆蓋重?cái)?shù)提高到13左右。隨著星鏈星座繼續(xù)部署,南北緯60°以上地區(qū)覆蓋率會逐步提升,各緯度覆蓋重?cái)?shù)會進(jìn)一步提高,這意味著星鏈星座覆蓋更加穩(wěn)定,星鏈星座彈性也將穩(wěn)步提升。

具體分析星鏈星座對四個(gè)區(qū)域的覆蓋情況。如圖26,星鏈星座對同一緯度范圍的美國東部、中國東北部和黑海地區(qū)的覆蓋情況基本相近,平均覆蓋重?cái)?shù)基本相同;而對處于較低緯度的第一島鏈區(qū)域的覆蓋能力則較低,平均覆蓋重?cái)?shù)也明顯更小。

圖26 平均覆蓋衛(wèi)星數(shù)

下面具體分析星鏈星座對四個(gè)地點(diǎn)的覆蓋情況。如圖27,北京附近與華盛頓附近緯度基本相同,星鏈星座覆蓋能力也基本相同,能夠?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)全覆蓋;基輔附近緯度較高,在50°左右,星鏈星座覆蓋能力明顯較高,也能實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全覆蓋;中國臺灣緯度較低,在24°左右,星鏈星座覆蓋能力明顯較低,部分時(shí)刻無法覆蓋。整體來看,雖然星鏈星座還有部分時(shí)刻無法實(shí)現(xiàn)對部分地區(qū)的覆蓋,但覆蓋能力相比初期已經(jīng)有了極大提升,隨著星鏈星座繼續(xù)建設(shè),星鏈星座實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全區(qū)域覆蓋，將會成為現(xiàn)實(shí)。

圖27 四點(diǎn)覆蓋衛(wèi)星數(shù)對比

從目前星鏈星座覆蓋情況不難判斷,星鏈星座不久將會實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全區(qū)域覆蓋,對低緯度地區(qū)覆蓋的能力將會隨著星鏈星座規(guī)模增大而逐步提升,整個(gè)星鏈星座體系的彈性也將穩(wěn)步提升。基于星鏈星座覆蓋能力判斷可知,星鏈星座的軍事應(yīng)用潛力巨大：一是星鏈星座搶占大量軍用衛(wèi)星軌道資源,國際電信聯(lián)盟對待軌道和頻譜獲取的原則是“先到先得”[12],充分展現(xiàn)出了搶占低地球軌道和頻率資源的戰(zhàn)略意義,未來其他國家無論是向低地球軌道還是更高軌道發(fā)射軍用衛(wèi)星時(shí),很可能會受到“星鏈計(jì)劃”的制約,從而喪失太空資源爭奪的主動權(quán),這也意味著失去了太空領(lǐng)域作戰(zhàn)的主動權(quán);二是星鏈星座可構(gòu)建更強(qiáng)大的指揮通信網(wǎng)絡(luò)體系,基于全球覆蓋的能力,在星鏈衛(wèi)星配備激光通信功能后,星鏈星座將會在地球近地軌道構(gòu)建起一張覆蓋全球的通信“網(wǎng)”,擺脫通信依賴地面基站的限制,從而可建立通量更大、時(shí)延更低的軍用通信網(wǎng)絡(luò);三是星鏈星座可構(gòu)建全球全天候無縫偵察探測體系,一旦星鏈衛(wèi)星搭載光學(xué)、紅外等載荷,就可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷地對全球任意地區(qū)實(shí)施偵察探測,構(gòu)建起全球全天候天基偵察探測預(yù)警體系,天基偵察探測能夠打破傳統(tǒng)物理空間限制,從另一維度實(shí)現(xiàn)24小時(shí)對情報(bào)的收集;四是星鏈星座能構(gòu)建更加精確穩(wěn)定的導(dǎo)航定位系統(tǒng),隨著覆蓋重?cái)?shù)的增加,星鏈星座組網(wǎng)后基于每顆星鏈衛(wèi)星自身定時(shí)定位系統(tǒng),憑借其數(shù)量龐大、軌道更低的優(yōu)勢,能夠建立更低延遲、更高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng);五是星鏈星座能夠形成高效的太空“無人蜂群”反衛(wèi)作戰(zhàn)體系,星鏈衛(wèi)星倘若搭載武器系統(tǒng),那星鏈星座就會成為一個(gè)數(shù)量龐大，反制難度高，抗打擊能力強(qiáng)的武器系統(tǒng),成為制霸太空的“無人巡航蜂群艦隊(duì)”,他國重要衛(wèi)星例如導(dǎo)航定位、通信中繼、預(yù)警探測、偵察監(jiān)視等衛(wèi)星將在戰(zhàn)爭爆發(fā)之初就可能遭受毀癱,美軍從而在太空建立太空霸權(quán)。但星鏈衛(wèi)星軌道高度較低,運(yùn)行速度快,一天中對同一地點(diǎn)覆蓋的星鏈衛(wèi)星切換非常頻繁,對其收發(fā)終端的要求較高,終端穩(wěn)定性有待檢驗(yàn)。