Starlink第一期星座發展歷程及性能分析

+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，調整內容涉及星座規模、軌道高度、星座構型等參數。回顧如下：

1.提出

SpaceX向FCC提交申請，發射和運營共計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主要參數如下：

●系統用戶側頻率為Ku、饋電側頻率為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容如下：

●總的星座規模由4425顆，調整為4409顆。

●將原1150km的1600顆星，調整為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頻段的固定業務

3.第二次修改

2019年8月30日，SpaceX提出第二次修改申請。據其描述是希望實現更為快速的部署，方法則是將軌道面由24個調整為72個，相應的每面衛星數由66降為22，保持總數不變。結合一箭60星發射能力，可實現一次發射填充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。進一步降低了衛星部署的軌道高度，具體而言是將原軌道高度1110-1325km的衛星降低至540-570km（詳細可參考FCC 文件SATMOD2020041700037）。調整后系統主要參數如下所示：

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

●衛星總數由4409，調整為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發射第一批次Starlink衛星以來，截止2020.09.04 SpaceX共計進行了12次發射。其中，第1～8次和第12次發射都是一箭60星，第9-11次發射分別是一箭58、57、58星。關于歷次發射時間和衛星代號等信息，如下表所示：

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

其中，圖1中顏色相同的衛星表示同一批次發射。由圖1和圖2可看出，Starlink衛星已較為均勻，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，總計進入預定軌道的為421顆，衛星高度統計如圖3所示：

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

圖3 修改前后星座的主要區別

表1：Starlink衛星發射時間表

由圖4可知，第一批次所有衛星均低于540km，多數衛星（36顆）已低于300km，作為該Starlink Demo版本，幾乎所有的衛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批次衛星基本已全部進入預定軌道，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發文）文章中所述，自發射之日起大約126天便可全部進入預定軌道，再次印證此點。對于第8～11批次衛星而言，遠如第8次發射距今也僅有92.2天，結果便是約2/3衛星（37顆）進入預定軌道，而第9次和第10次約1/3衛星（18顆、19顆）進入預定軌道，與先前所分析結論基本吻合，下一節進行更為詳細的軌道爬升過程分析。

2.軌道爬升分析

對發射的共計11批次Starlink衛星自發射之日起至今（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批次衛星從各自發射之日起經歷時間與軌道高度的變化關系，如下所示：

由圖6可知，（1）該10批次衛星均分為3組進行爬升，分別于50天、96天、134天后進入預定軌道；（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（爬升較快的衛星中包括后續批次發射的，也包括早期批次發射而第三組爬升的）。圖中亦可得出關于其他方面諸多結論，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星座自發射之日起，一方面隨著發射批次增多使得在軌衛星數量增多，另一方面隨著衛星爬升進入預定軌道也使得在軌衛星更為均勻的分布。上述兩個因素，均提升了網絡的覆蓋與服務能力，也是SpaceX實現2020年內對北美區域提供服務的必經途徑。

本部分通過對自首批發射至今的所有歷史數據為分析對象，分析了北美端到端業務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，也可預期會有諸多規律可探索，限于篇幅此文不述）。關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衛星在軌分布

圖2 Starlink衛星在軌高度及升交點赤經RAAN分布

圖3 Starlink衛星在軌高度分布

圖4 Starlink衛星在軌高度分批次統計

由圖7可看出，隨著歷時1年多的發展，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射時間呈正相關性，即圖中12條豎直虛線所示的發射日期。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98.8%通信可用性。

此處，有必要對在05.20、06.24發表的兩篇文章中的數據進行說明。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化站星接入策略，而本次是采用優化的站星接入策略后所做的。優化站星接入策略的目的是，最大程度保障端到端的業務。

端到端往返時延（Round Trip Time,RTT）的分析結果如圖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在軌衛星數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。總結而言，大致有如下結論：

（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顆衛星組成；其后SpaceX提交了三次修改申請，對星座規模、軌道高度、星座構型等進行修改，最終確定為軌道高度位于540-570km共計4408顆衛星。

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

（3）結合Starlink星座在軌衛星自發射至今的歷史數據，分析了北美端到端業務時延與可用性隨時間的變化趨勢，時至今日已可實現特定區域端到端98.8%通信可用性、39.5 ms往返時延，與地面光纖網絡時延相當。

圖5 Starlink衛星軌道變化過程

圖6 第2～11批次Starlink衛星自發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