Starlink星座衛星在軌實時跟進與分析

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

一、Starlink星座在軌衛星現狀

2020年4月23日，SpaceX發射第七批共計60顆星鏈（Starlink）衛星，也使得星鏈星座在軌衛星達到420顆。先前馬斯克表示，SpaceX只需要大約400顆衛星就能提供初步運營能力，而近日馬斯克透露將在3個月內進行私人內測。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“天智網絡仿真測試床”，對Starlink星座在軌衛星運行狀況、進入預定軌道的推進過程進行了分析。

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

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

二、Starlink衛星載荷與關鍵技術介紹

Starlink衛星單星重260kg，通過采用獨特的緊湊平板型設計可實現一箭60星的發射，60顆衛星組裝方式如圖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、定制的內置導航傳感器、自動避撞系統。（參見圖4）

圖1 Starlink衛星在軌高度（圖出自“天智網絡仿真測試床”）

圖2 Starlink衛星在軌高度分批次統計（圖出自“天智網絡仿真測試床”）

圖3 60顆Starlink衛星排布

圖4 Starlink衛星4副相控陣天線

圖5 Starlink衛星氪離子推進器

三、Starlink衛星軌道爬升過程分析

Starlink衛星由獵鷹9火箭發射入軌時，并不會直接將其送入預定的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定軌道。所有衛星的軌道爬升過程如圖5所示：

Demo版本衛星初始軌道高度較高，約440km，正式版本衛星初始軌道高度較低，約300km。Demo版本衛星爬升過程不夠平滑，且較多衛星在進入預定軌道后出現軌道下降，猜測可能是入軌后進行變軌能力測試，也可能是能源系統或氪離子推進系統工作不夠穩定導致。相比而言，正式版本衛星軌道爬升速度更均勻，衛星進入預定軌道后也可穩定在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，同一批次發射的60顆衛星進入預定軌道的過程是分組進行的。且由第二批次60顆衛星爬升過程，可看出是分了三組。我們進一步分析第二批次60顆衛星爬升過程，如圖7所示：

可以看出，60顆衛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。經進一步的分析可知，從軌道高度300km開始爬升至預定550km高度，用時42.1天，平均爬升速度5.9 km/day。三組衛星軌道爬升速度基本一致，也可看出Starlink衛星在氪離子推進器及相關控制系統方面已較為穩定。

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

四、總結與展望

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

對Starlink跟進與研究的過程中，我們還發現很多有意思的現象，比如：1-各批次Starlink衛星的編號為什么不連續，是衛星研制/測試過程中出現了問題還是由于其他原因？2-為什么400顆衛星就能為北美和加拿大等區域提供初步運營服務，這400顆星在空間段是如何分布的？該“初步運營服務”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顆衛星全部入軌，服務質量又能有多大提升？

后續我們將進行持續的跟進和研究，更多的內容我們下次再見。

圖7 Starlink第二批60顆衛星軌道變化過程（圖出自“天智網絡仿真測試床”）