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StarLink星座卫星入轨预测与仿真分析

StarLink星座卫星入轨预测与仿真分析

科技



摘要:近日,SpaceX公司发射星链二代星座卫星,开启了星链二代星座的部署进程。然而,一期LEO系统中壳层4多批次卫星发射较晚,尚未进入预定轨道。本文首先对StarLink星座在轨分布进行仿真分析,结果表明,壳层4卫星的72个轨道面中已基本完成69个面的部署;进而,对壳层4后续卫星入轨进行了预测:壳层4的72个轨道面最早将在2023年6月底完成全部部署。


StarLink星座卫星入轨预测与仿真分析

文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、严文励、胡海龙、王大鹏、庄锦山(中国科学院软件研究所 天基综合信息系统重点实验室)


1 StarLink星座当前状态分析


截至2023年1月29日零时,SpaceX公司累计发射71次共3771颗StarLink卫星,当天活跃卫星3367颗,活跃率89.29%。其中,处于工作轨位卫星2686颗,处于备份轨位卫星402颗,其余轨位卫星279颗。各壳层总体分布如下表:

下文首先对一期LEO系统、二代Gen2系统进行介绍,而后对当前主力部署的一期LEO系统壳层1、壳层4在轨分布进行分析。

(1)一期LEO系统简要介绍

2016年11月15日SpaceX公司向FCC提交StarLink星座一期LEO计划,并于2018-2020年间先后3次提交修改申请,调整内容涉及星座规模、轨道高度、星座构型等(详细请参考:《StarLink第一期星座发展历程及性能分析》)。

最终调整确定的LEO系统(4408颗星)整体参数如下所示:

(2)二代Gen2系统简要介绍

StarLink Gen2是SpaceX于2020年5月份提交至FCC申请的新一代大型低轨星座,也就是我们常说的30000颗星的那个系统(详细请参考:《StarLink当前在轨简要分析及第二代系统介绍》)。2021年8月,SpaceX对第二代星链系统Gen2的星座构型进行修改申请,调整后的系统构型包含两套候选方案。其中,第一套系统构型由9个星座构成,作为公司的主选方案,具体如下:

(3)一期LEO系统壳层1分布

壳层1在StarLink星座一期LEO系统中部署最早开始和也最早完成,据FCC申报资料得知其参数为:1584颗星、550km轨道高度、53度倾角、72个轨道面、每面22颗星(详细参考《StarLink第一期星座发展历程及性能分析》)。

该壳层首批星和末批星分别发射于2019年5月24日、2021年5月27日,历时2年完成。共计发射29批次1725颗卫星,截至2023年1月29日零时活跃卫星1510颗,工作轨位卫星1268颗,星座构型为Walker 1296/72/45,构型填充完成度97.84%(实际星座构型与FCC申报资料中有所差异,详细参考《StarLink实际星座构型研判与仿真分析》)。

壳层1卫星在轨RAAN和相位分布如下:

图StarLink壳层1在轨分布及星座构型研判


壳层1的72个轨道面中,填充18颗卫星为55个轨道面(占比:76.4%),轨道面17颗星的有9个(占比:12.5%),16颗星的有6个(8.3%),15及14颗星各1个(占比2.8%)。需知,StarLink一期LEO系统实际构型并非一成不变,在2020.11.25至2021.01.25的两个月间SpaceX公司便对壳层1进行构型调整,调整后即为当前构型。同样,其构型随着时间推移,也可能在后续发生调整(该内容本文暂不细表,另见跟研报告)。

各轨道面上工作轨位卫星及备份轨位卫星数量分布如下:

图StarLink壳层1各轨道面内工作及备份轨位卫星数量分布


(4)一期LEO系统壳层4分布

壳层4是当前StarLink星座一期LEO系统中主力部署的星座,据FCC申报资料得知其参数为:1584颗星、540km轨道高度、53.2度倾角、72个轨道面、每面22颗星。

截至2023年1月29日零时,该壳层首批星和末批星分别发射于2021年11月13日、2022年12月18日,累计发射32批次1637颗卫星,活跃卫星1517颗,工作轨位卫星1225颗,星座构型为Walker 1296/72/45,构型填充完成度94.52%。

壳层4总体分布如下:

图StarLink壳层4在轨分布及星座构型研判


壳层4的72个轨道面中,填充18颗卫星为54个轨道面(占比:75.0%),轨道面17颗星的有12个(占比:16.7%),16颗星的有3个(4.2%),1颗星的有1个(占比1.4%),0颗星的有2个(占比:2.8%)。各轨道面上工作轨位卫星及备份轨位卫星数量分布如下:

图StarLink壳层4各轨道面内工作及备份轨位卫星数量分布


2 StarLink LEO系统壳层4卫星入轨预判


由前述StarLink星座壳层4在轨整体分布可看出,72个目标轨道面中已基本完成69面部署,剩余3个面待部署(轨道面号:5、63、65)。本节将给出该3个轨道面后续将由哪些星于何时进入工作轨位。

壳层4的1517颗活跃卫星中,位于目标轨道高度542km的共1424颗,均为工作轨位卫星或备份轨位卫星;高于该目标轨道高度卫星共6颗;低于该目标轨道高度卫星共86颗,多数处于发射初期爬升入轨阶段,将主要用于完成剩余轨道面的部署填充。

为更直观展现星链壳层4卫星轨道高度的分布,特定义如下卫星轨道高度及面内相位分布图:

图StarLink壳层4轨道高度与面内相位分布图


上图中,各点-原点间的距离为轨道高度(单位km),各点-原点连线与正X轴的夹角为相位(0-360度)。

后续简要介绍较高轨道高度卫星情况,然后重点介绍较低轨道高度卫星情况。

(1)较高轨道高度卫星分析

22025P、22101K等6颗卫星处于较高轨道高度。其中,22119G、22125AD、22141AJ、22141X爬升入轨后持续以较高轨道高度运行;22101K卫星于2023年1月27日开始主动降低轨道高度,预计将于1-2天后回落至目标轨道高度542km,进入备份轨位(轨道面号9、相位号17);22025P卫星于2023年1月21日开始主动升高轨道高度,已历时8天,预计将在近期内(几天~十几天不等)替换同轨道面内某工作轨位卫星。

图StarLink壳层4当前轨道高度较高的5颗卫星历史高度变化


(2)较低轨道高度卫星分析

低于该轨道高度卫星共86颗,涉及16个批次,主要为22175批次卫星(共53颗,占比61.6%),卫星在各批次分布如下:

图StarLink壳层4当前轨道高度较低的86颗卫星批次分布


该86颗卫星中,21125AJ、22001AG等10颗卫星为入轨后轨道高度降低,21125G、22025M等4颗卫星未入轨便呈现轨道降低离轨趋势,22016K、22017BB共2颗卫星持续长时间低轨停泊(上述16颗卫星详细跟踪研判本文暂不细表,另见跟研报告),其余70颗卫星处于爬升入轨或低轨临泊,为本次重点跟踪对象。该86颗卫星轨道高度变化过程如下图所示:

图StarLink壳层4当前轨道高度较低的86颗卫星历史高度变化


(3)较低轨道高度卫星入轨预测分析

至此可推知,22107V、22114BA等70颗星,主要用于完成轨道面号5、63、65等轨道面的部署填充。结合卫星当前轨道状态、历史变动状态、目标轨位等多维信息,对22175AC等共56颗星做如下预测:

  • 22175AC、22175AF等共20颗星,预计2023.02.01-2023.02.03期间进入目标工作轨位,轨道面号为5。

  • 22141BB、22141BD等共5颗星,预计2023.02.26进入目标工作轨位,轨道面号为65。

  • 22175A、22175AK、22175B共3颗星,预计2023.02.16、2023.03.03进入目标工作轨位,轨道面号为4。

  • 22175AA、22175AB等共28颗星,去往目标轨道面号65和63都有可能,所需时间不同。去往轨道面号65,预计最早于2023.06.01完成;去往轨道面号63,预计最早于2023.06.23完成。


详细信息如下表所示:

StarLink壳层4部分卫星入轨预测表


3 总结


本文基于StarLink在轨分布及实际星座构型研判的结果,结合卫星当前轨道状态、历史变动状态、目标轨位等多维信息,实现了对StarLink星座卫星入轨的预测分析。后续将保持持续跟踪研判,揭露其部署进程的面纱。

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