從專利看“星鏈”衛星星座構型及星箭分離方案

王琦 陸峰

（1北京跟蹤與通信技術研究所 2航空工業信息中心）

太空探索技術公司（SpaceX）“星鏈”（Starlink）計劃組網發射啟動以來，已成功發射“星鏈”衛星千余顆。本文通過分析SpaceX公司在低軌通信衛星星座領域申請的專利文獻，對“星鏈”星座構型技術方案和星箭分離核心技術理念進行解析，形成低軌通信衛星星座的相關技術啟示；同時闡述宏觀專利技術分析和深度專利技術分析的方法和價值。

1 引言

SpaceX公司“星鏈”計劃已獲批的衛星星座分三期構建：I期發射1584顆衛星完成初步覆蓋；II期發射2825顆衛星完成全球組網；III期發射7518顆衛星組成極軌衛星星座，提供信號增強和更有針對性的服務。

“星鏈”衛星星座軌道數據表

由于“星鏈”計劃III期7518顆衛星的軌道申請參數僅包含軌道高度、傾角和數量分布，“一箭60星”星箭分離信息也僅限于公開報道的衛星組合體照片和星箭分離實況錄像，通過檢索分析SpaceX公司在該領域申請的專利文獻，可另辟蹊徑地了解“星鏈”衛星星座構型更多技術細節以及星箭分離基本方案，啟發國內相關技術研發。

2 從專利看衛星星座構型方案

2020年11月24日，SpaceX公司取得一項名為“衛星星座”（Satellite Constellations）的專利，其說明書列出一個衛星星座實施案例，其軌道高度、傾角及相應衛星數量信息與已獲批的7518顆衛星精確一致，該方案與“星鏈”III期極軌衛星星座構型方案一致的可能性較高。

低軌通信衛星星座通常采用數個近極地軌道平面、傾斜軌道平面衛星族組合的方案，以滿足全球覆蓋和中低緯度區域重點覆蓋的需求。“星鏈”計劃已公開的軌道申請信息表明，其I期和II期星座構建采用此方案。在III期星座構建上，該專利提供了一種對地覆蓋更為高效的低軌通信衛星星座構型方案[1]：改變基于衛星軌道平面設計星座的傳統思路，轉為針對衛星地面軌跡進行星座設計；星座由數個同步地面軌跡衛星族組成；衛星族中每個衛星位于不同的離散軌道平面，但其地面軌跡相同，且第一顆衛星與最后一顆衛星首尾相鄰接，形成圍繞地球運動的“蛇形（波浪形）”連續閉環路徑；各衛星族升交點對赤道以相同速率漂移，從星座看向地球，各衛星族彼此鎖定、整體相對地球不動或以固定速度轉動。

此方案對2000km高度以下衛星星座均可應用。專利說明書列出335～346km高度的7518顆衛星星座對地通信覆蓋分析顯示，美國本土通信可用衛星平均數量除少數區域優于4顆外，其余均優于6顆[1]（衛星天線張角±40.5°，地面天線張角±46.8°）。

方案主要具備以下優勢：①通信覆蓋性能更好。各衛星族的軌道傾角、回歸周期、交錯關系可按需靈活設計和組合，使用較少數量的衛星可實現相同或更好的地面覆蓋性能。②軌道申請易于通過。支持在軌道高度差200km范圍內，構建巨型低軌通信衛星星座，軌道申請更易于通過美國聯邦通信委員會（FCC）的審批。③衛星設計易于統一。軌道高度相近的衛星空間運行環境較為一致，衛星設計易于統一，批產成本易于降低。④星間鏈路運行管理簡單。每顆衛星與四個方向相鄰衛星間的位置關系確定且呈周期性變化，可推斷其星間鏈路建鏈、路由規則簡單明確，更適合實現巨型衛星星座星間鏈路自主網絡規劃管理。

此外，2019年10月SpaceX公司補充申請30000顆衛星，根據其軌道高度、傾角的公開數據判斷，采用這一方案的可能性較大。

3 從專利看星箭分離基本方案

2020年11月19日，SpaceX公司取得一項名為“航天器供配電系統自主激活”（Pre-deployment Battery Power Conservation for Spacecraft）的專利，專利說明書列出一個實施案例，結合星間分離過程說明了航天器供配電系統自主激活的方法，可作為“星鏈”衛星星箭分離方案的參考信息。

在星箭分離方案方面，該專利文件提供的以下信息值得關注[2]：扁平形狀的衛星分成兩堆，沿著一種豎直的特殊鎖定裝置分層堆疊排列；衛星不再通過包帶與火箭連接以獲得供電，而是使用極低功耗的低成本真空檢測裝置，當檢測到衛星到達120km高度時，衛星供配電系統自主激活，由節電狀態轉入正常供電狀態；火箭到達衛星分離位置后，由特殊鎖定裝置釋放衛星，各衛星靠自旋的微小速度差自然分離并逐漸散開。

方案具備以下優勢：①箭內空間利用率高。采用新型鎖定結構，分層堆疊排列衛星，相比于傳統筒形衛星適配器壁掛衛星的方式，充分利用了整流罩內的空間。②星箭電氣接口充分簡化。取消星箭間的供電包帶，利用低成本真空檢測裝置實現衛星供配電系統的自主激活，降低了射前衛星測試組裝的成本和復雜性，也降低了多星分離相互干擾的風險。③多星分離碰撞風險小。不使用分離機構，靠微小速度差被動式分離衛星，降低了多星分離碰撞的風險。

4 啟示

關注巨型低軌星座設計思想和技術方案

“星鏈”衛星堆疊裝載入整流罩

“星鏈”巨型低軌通信衛星星座的建設目標是將地面高速通信網絡映射至空間，其設計思想并不是基于傳統低軌通信星座方案進行量的累加，而是充分考慮星座覆蓋性能的確定性、軌道申請的可行性、設計成本的最小化、網絡運行的簡單化、服務對象的多樣性等因素，放棄傳統星座構型技術理論，面向解決巨型低軌通信星座的服務效果、經濟成本、軌道資源、運行管理等實際問題進行新型星座構型設計。其頂層設計拋棄傳統軌道設計技術、面向實效進行技術創新的理念值得借鑒，該星座構型方案值得進行專業分析。

借鑒“一箭多星”發射核心設計理念

“獵鷹”（Falcon）系列運載火箭出色的運載能力和低廉的成本，是保障“星鏈”衛星軌道部署的重要條件。雖然當前運載火箭的技術水平和商業化運用處于加速發展中，但尚未激發服務于一箭數十星發射的技術革新。“星鏈”衛星“一箭60星”發射中，衛星堆疊放置、星箭電氣接口簡化、多星被動式分離的設計理念，值得相關技術領域借鑒。

5 專利技術分析的價值及其在航天領域的運用建議

專利信息分析以專利文獻為依據，采用各種定量及定性的分析方法，對分立的專利信息進行分析，挖掘專利信息中的客觀真相和規律性內容，從而對特定技術、特定領域或者行業做出趨勢預測等，生成指導決策的重要依據[3]。

宏觀專利技術分析采用以專利分析人員為主、技術人員為支撐的合作模式，按技術特征歸并專利文獻并使其有序化，實現對技術路線和發展方向的研判。深度專利技術分析是正在探索中的新型專利技術分析方式，采用以技術人員為主、專利分析人員為輔的合作模式，注重專利的精準選擇和技術內容的深度分析，發掘技術研發核心方案。深度專利技術分析基于某一技術方向宏觀專利技術分析的結果，在情報人員和專利分析人員的支撐下，由專業技術人員判斷核心專利發明人的重點專利，對專利文獻中技術背景、技術方案、解決問題、實施案例等進行理解分析、初步驗證和應用轉化，為相關技術難題提供技術解決方案參考。對SpaceX公司的核心專利進行技術分析，提煉低軌通信衛星星座構型及星箭分離的技術方案，是深度專利技術分析在航天領域的實踐。

專利技術分析在高新技術集中的航天領域有顯著價值。宏觀和深度專利技術分析在航天關鍵技術領域需結合運用和推廣。宏觀專利技術分析提供航天關鍵技術路線和發展態勢信息，對頂層規劃者進行技術發展路線決策有支撐價值。深度專利技術分析提供航天先進技術解決思路和技術方案信息，對啟發實施層研發人員進行二次開發或自主研發，有更為直接的促進作用。