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StarLink星座系统壳层1与4的“新旧接替”

StarLink星座系统壳层1与4的“新旧接替”

科技


摘要:

进入2023年以来,美国SpaceX公司进一步加快了StarLink(星链)卫星的发射部署进程,在过去8个月内即超越了2022年全年的发射批次。作为最早部署的壳层1星座,曾在系统内测、公测、初步运营阶段发挥了核心作用。时至今日,壳层4已接替壳层1的而成为主力星座。

本文首先对星链当前总体在轨状态进行分析,进而对各壳层最新状况进行描述,并对星链壳层1与4在轨工作卫星数量变化进行分析,最后分析了当前星链各壳层的覆盖能力。



StarLink星座系统壳层1与4的“新旧接替”

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


1 星链卫星发射部署概述


截至2023年9月16日,SpaceX公司累计发射108次共5111颗StarLink卫星。进入2023年以来,SpaceX公司明显加快了星链的发射部署进程,由2022年平均每10.74天发射一批,缩短仅6.62天。星链卫星历年发射频度如下:

图 历年星链卫星发射频次


累计发射5111颗卫星中,已陨落卫星347颗,新发射调整入轨中卫星43颗,在轨活跃卫星4721颗。当前,已部署共计7个壳层,主要信息如下:

表 星链卫星总体情况表


2 星链各壳层最新状况分析


  • 2.1 壳层1近况分析

壳层1卫星累计发射1725颗,当前在轨活跃1478颗,陨落247颗(占比:14.32%)。壳层1在轨星座构型为Walker星座,轨道高度550km、倾角53度,由72个轨道面、每面18颗星共计1296颗卫星组成。

当前,工作轨位卫星共1258颗。72个轨道面上,面内填充18颗卫星的轨道面有52个,占比72.2%;面内填充17颗卫星的轨道面有9个,占比12.5%。轨道面内填充卫星最少的为14颗,有2个轨道面,分别为轨道面号8、36。壳层1轨道面内工作轨位卫星数分布如下:

图 壳层1轨道面内填充工作轨位卫星数分布


图 壳层1的72个轨道面各面卫星数量分布


由于星链壳层1已超过2年未发新的卫星,而部分卫星已运行近4年,已不再具备整个星座维持能力。进一步对各轨道面内工作轨位卫星分析发现,卫星离开原工作轨位后都呈现缓慢离轨趋势。如当前工作轨位卫星最少的两个轨道面8与36,各自轨道面内都有4颗卫星离开工作轨位。

如轨道面号8,该面的18个工作轨位卫星于2021年3月22日全部就位。其中,17颗卫星属20035批次,1颗卫星属21005批次。自2022年8月18日起至今,陆续有4颗卫星离开工作轨位,轨道高度持续降低,预计将进入大气层回收轨道。信息如下:

  1. 2022年8月18日,卫星20035AH离开工作轨位01-08/08W;

  2. 2023年3月23日,卫星20035AD离开工作轨位01-08/03W;

  3. 2023年4月19日,卫星20035AE离开工作轨位01-08/04W;

  4. 2023年6月24日,卫星20035AA离开工作轨位01-08/12W。


卫星轨道高度变化如下:

图 壳层1轨道面号8内离开共工作轨位卫星的轨道高度变化


对壳层1轨道面号8面内事件进行梳理如下表:

表 壳层1轨道面号8面内卫星随时间变化


  • 2.2 其余壳层近况分析

壳层2累计发射卫星408颗,工作轨位卫星共229颗。该壳层卫星轨道高度570km、倾角70度,由36个面、每面16颗星共576星组成。当前,12个面已部署完成,4个面正在部署,其余20个面尚未开始。

壳层3累计发射卫星243颗,工作轨位卫星177颗。该壳层卫星轨道高度560km、倾角97.6度,由6个面、每面36颗星共216星组成。当前,5个面已部署完成,1个面尚未开始。

壳层4累计发射卫星1637颗,工作轨位卫星1294颗。该壳层卫星轨道高度540km、倾角53.2度,由72个面、每面18颗星共1296星组成。当前,72个面已部署完成。

壳层5累计发射卫星699颗,多数已稳定运行在43度倾角、568km轨道高度。结合当前在轨数据分析,其星座构型为28个面、每面23颗星共644星,Walker星座相位因子27。

壳层6累计发射卫星292颗,多数处于轨道爬升中,后续结合更多数据进行分析。

壳层7累计发射卫星21颗,由于新发射,卫星尚处于发射入轨调整中,尚未公布卫星的TLE星历数据。


3 星链壳层1与4的接替


壳层1自2019年5月24日发射首批卫星以来,于2021年9月基本部署完成,是星链系统早期提供服务的主要星座。由于自2021年5月26日后,该壳层不再发星,该壳层在轨工作轨位卫星数量呈缓慢下降趋势。

与之对比,壳层4自2021年11月发射后,于2023年3月份基本实现全星座部署,成为星链系统提供服务的主要星座。

图 星链壳层1、4累计发射卫星、工作轨位卫星随时间变化


4 星链各壳层覆盖分析


星链系统当前可实现对全球任意区域的连续无缝覆盖。

壳层1与壳层4均采用53度倾角,对中低纬度区域形成重点覆盖,尤其是在南北纬50度以内区域,可提供平均10重以上的覆盖。在南北纬50度区域形成最优覆盖,单壳层的覆盖重数便可达到25重。

壳层2采用70度倾角,对高纬度区域形成重点覆盖,在南北纬70度区域形成最优覆盖;壳层3采用97.6度倾角,则是在南北极区附近形成最优覆盖;壳层5与6,由于轨道倾角更小,所形成的最优覆盖相较其他壳层更偏向低纬度。

如下为星链各壳层和所有壳层星链卫星的对地覆盖性:

图 星链各壳层的覆盖性分析


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