【前沿】Starlink星座卫星在轨实时跟进与分析
Starlink星座卫星在轨实时跟进与分析
文 | 刘帅军，徐帆江，刘立祥，王大鹏（中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室）
2020年4月23日，SpaceX发射第七批共计60颗星链（Starlink）卫星，也使得星链星座在轨卫星达到420颗。先前马斯克表示，SpaceX只需要大约400颗卫星就能提供初步运营能力，而近日马斯克透露将在3个月内进行私人内测。那么，为什么是400颗星？又为什么是3个月？为解开这些谜团，项目组对Starlink星座进行长期跟进和研究，基于自研的“天智网络仿真测试床”，对Starlink星座在轨卫星运行状况、进入预定轨道的推进过程进行了分析。
截止2020年4月30日，Starlink星座在轨卫星417颗。当前，已有37%（155颗）卫星进入预定轨道，其余63%基本上都处于轨道爬升过程。卫星在轨运行轨道高度如下图所示：
图1Starlink卫星在轨高度（图出自“天智网络仿真测试床”）
图2 Starlink卫星在轨高度分批次统计（图出自“天智网络仿真测试床”）
进一步分析各批次发射卫星在轨高度分布，如下图所示。由图中可看出，第一批卫星都没有进入预定轨道高度，2/3的卫星处于500~540km轨道高度上。与之对比，第二批已有96.7%（58颗）卫星进入预定轨道，而第三批和第四批有近2/3（39颗）卫星进入预定轨道。第七批卫星由于刚发射，全部处于300~400km高度上。
Starlink卫星单星重260kg，通过采用独特的紧凑平板型设计可实现一箭60星的发射，60颗卫星组装方式如下图所示：
图3 60颗Starlink卫星排布（图来自Starlink官方资料）
同时，星上配备4副相控阵天线、单太阳能帆板、氪离子推进器、定制的内置导航传感器、自动避撞系统。
图4 Starlink卫星4副相控阵天线（图来自Starlink官方资料）
图5 Starlink卫星氪离子推进器（图来自Starlink官方资料）
Starlink卫星由猎鹰9火箭发射入轨时，并不会直接将其送入预定的550km轨道，而是送入位于300km左右的轨道，之后通过星上氪离子推进器进行轨道爬升进入预定轨道。所有卫星的轨道爬升过程如下图所示：
图6 Starlink卫星轨道变化过程（图出自“天智网络仿真测试床”）
Demo版本卫星初始轨道高度较高，约440km，正式版本卫星初始轨道高度较低，约300km。Demo版本卫星爬升过程不够平滑，且较多卫星在进入预定轨道后出现轨道下降，猜测可能是入轨后进行变轨能力测试，也可能是能源系统或氪离子推进系统工作不够稳定导致。相比而言，正式版本卫星轨道爬升速度更均匀，卫星进入预定轨道后也可稳定在550km轨道上，这表明Demo版本中的问题基本解决。
同时，从上图中也可看出，同一批次发射的60颗卫星进入预定轨道的过程是分组进行的。且由第二批次60颗卫星爬升过程，可看出是分了三组。我们进一步分析第二批次60颗卫星爬升过程，如下所示：
图7 Starlink第二批60颗卫星轨道变化过程（图出自“天智网络仿真测试床”）
可看出，60颗卫星轨道爬升过程主要分三组进行，每组20颗左右，即图中三个平行虚线所示。经进一步的分析可知，从轨道高度300km开始爬升至预定550km高度，用时42.1天，平均爬升速度5.9km/day。三组卫星轨道爬升速度基本一致，也可看出Starlink卫星在氪离子推进器及相关控制系统方面已较为稳定。
不同组间轨道爬升间隔期约40天，这使得自发射之日2019.11.11起，耗时近3个月（87天）后在2020.02.06时有40颗卫星进入预定轨道，耗时近4个月（125天）后在2020.03.18时所有卫星基本都进入预定轨道。并在此之后，维持在轨运行高度相当稳定。值得注意的是，本批次卫星中有2颗尚未进入预定轨道，目前的猜测可能是电源系统或推进系统故障导致，后续将基于更多数据进行分析和验证。第三至六批的卫星轨道爬升过程与第二批基本一致。
随着第七批卫星在2020.04.23的发射入轨，已实现在轨卫星共计约420颗。按照先前正式版本几个批次卫星的轨道变化过程，预计三个月后，将有400颗卫星进入预定550km轨道。届时，Starlink星座或许将如马斯克所说可以实现400颗卫星规模下的初步运营了。
对Starlink跟进与研究的过程中，我们还发现很多有意思的现象，比如：
1、各批次Starlink卫星的编号为什么不连续，是卫星研制/测试过程中出现了问题还是由于其他原因？
2、为什么400颗卫星就能为北美和加拿大等区域提供初步运营服务，这400颗星在空间段是如何分布的？该“初步运营服务”的能力是提供多少传输速率、有多大时延？
3、如果第一阶段1584颗卫星全部入轨，服务质量又能有多大提升？
后续我们将进行持续的跟进和研究，更多的内容我们下次再见。