Starlink二代GEN2系统混合组网与分阶段部署探讨

1、星链卫星发射部署概述

截至2023年11月28日，SpaceX公司累计发射126次共5511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，缩短至仅5.81天。值得注意的是，7月20日以来发射的星链卫星均为V2.0 Mini版本，发射频次更是提升到平均4.1天一次。

星链卫星历年发射批次数及卫星数如图1：

图1历年星链卫星发射频次数及卫星数

星链卫星历年发射频次统计如图2：

图2历年星链卫星发射频次

星链卫星发射数量的增加，其版本也在不断演进，主要可分为三个阶段：

（1）V1.0版本卫星发射部署阶段：2019.05-2021.07。星链于2019年5月至2021年7月，主要发射星链壳层1的V1.0版本卫星；其中，穿插着壳层3的少量V1.5版本卫星，用于星间激光链路测试。

（2）V1.5版本卫星发射部署阶段：2021.09-2023.07。2021年9月至2022年底，主要发射星链壳层4的V1.5版本卫星；壳层2、3、5的V1.5版本卫星主要于2023年上半年发射。期间，穿插着有少量V2.0 Mini版本的卫星发射，主要用于先期测试。

（3）V2.0 Mini版本卫星发射部署阶段：2023.07-至今。自2023年7月至今，发射的星链卫星均为V2.0 Mini版本，用以填充壳层6与壳层7。

2、星链一期LEO系统在轨构型分析

壳层1至壳层4属于星链一期LEO系统，经研究发现，星链实际在轨运行星座构型与其所宣称的不一致。后文将SpaceX公司提交至FCC资料中的星座构型，记为“FCC标称”；而将我们基于自研天智网络仿真测试床研判得出的星座构型，记为“天智研判”。结果对比如表1：

表1 FCC标称与天智研判的星链星座构型参数对比

更多详细信息已在下面文章中进行分析，不再赘述。

（1）《Starlink第一期星座发展历程及性能分析》；

（2）《Starlink星间激光链路应用的仿真分析》；

（3）《Starlink实际星座构型研判与仿真分析》；

（4）《Starlink星座壳层2近期构型调整的分析》。

3、星链二代GEN2系统简介

星链二代GEN2系统是2020年5月份，SpaceX公司提交至美国联邦通信委员会FCC的星座方案，总计30000颗卫星。其后，SpaceX公司对二代系统方案进行多次修改，主要如下：

（1）2021年8月，SpaceX公司对星座构型方案进行了调整修改，由30000颗调整为29988颗卫星，在高度、壳层、轨道面数等方面均有调整。

（2）2022年11月，FCC授权星链二代GEN2系统的7500颗星，部署在525、530和535 km，轨道倾角为53、43和33度，使用Ku频段和Ka频段。

（3）2023年2月，SpaceX提交请求授权操作其直接到蜂窝的有效载荷，以便在1910-1915 MHz上行链路（地对空E-S）和1990-1995 MHz下行链路（空对地S-E）频段实现手机（支持现有的蜂窝移动设备）直连星链卫星。

根据最新可掌握到的FCC标称GEN2构型方案，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，具体如表2：

表2星链GEN2系统的空间星座构型

可知，星链二代GEN2系统由轨道高度位于340~614 km共9个子星座（共计288个轨道面）组成。与一期LEO系统相比，二代GEN2系统轨道面数较少，而面内卫星数较多，主要因为星链卫星原计划采用运载能力更强的星舰搭载发射。

4、星链二代GEN2系统在轨构型分析

壳层5卫星至今累计发射699颗卫星，已入轨卫星轨道高度稳定在566.3km，倾角43度。壳层6与7发射时间较晚，当前数据尚不足以支撑构型研判。

基于壳层5在轨卫星的数据，经研判，其星座构型参数如下：

经与表2星链GEN2系统空间星座构型参数进行比对，壳层5与表内“星座6”较为相似，体现在倾角均为43度、轨道面数均为28个。但轨道高度差异较大，星座6的FCC标称值530km，壳层5卫星实际在轨高度566.3km，待后续研判分析。

壳层6卫星至今累计发射535颗卫星，较早发射的卫星已入轨，高度稳定在567.6km，倾角43度。

值得注意的是，壳层5和6均为43度倾角，但也存在如下区别：

（1）壳层5卫星为V1.5版本，壳层6卫星为V2.0 Mini版本；

（2）壳层5卫星轨道高度566.3km，壳层6轨道高度567.6km。

两壳层的卫星在同一天的轨道高度分布对比如下：

图3壳层5与6各星链卫星的轨道高度（时间：2023.11.28）

两个壳层倾角相同、轨道高度相近（仅相差1.3km），此两壳层卫星有可能实际同属一个星座。此时，应结合轨道面RAAN等分布进行进一步分析。

将两个壳层的卫星在右旋升交点赤经RAAN与面内相位的分布图中进行绘制，如下：

图4星链壳层5与6在轨卫星RAAN&相位的二维分布

由图，壳层5、6虽卫星版本（V1.5与V2.0Mini版本）不同，但两个壳层在轨卫星其轨道高度相近、倾角相同，通过对壳层5与6更多轨道面内卫星进行分析，可发现该两个壳层混合组网共同组成星链二代GEN2系统的星座6。

对壳层5多个轨道面与面内较为接近的壳层6卫星进一步分析，发现两个壳层的卫星随时间推移始终在一个轨道面上（高度相近、倾角相同、RAAN相同）。以该壳层的28个轨道面中面27、面4为分析对象；同时，选取壳层6中轨道高度较为稳定且RAAN相近的。对比两个壳层的相关数据，如下图所示：

图5星链壳层5与6轨道面与卫星的RAAN随时间变化

可看出，壳层6卫星23056C与壳层5轨道面号27的RAAN值保持一致，卫星23067E与轨道面号4的RAAN值保持一致。由于两个壳层卫星版本差异，故受轨道摄动程度不同，猜测两壳层轨道高度差异更多用于保持相对构型的稳定。

壳层5与6混合组成的星座构型，也与表2中星座6参数更为相近，即“每轨道面内120颗卫星”。随着后续更多壳层6卫星的发射入轨，可得到验证。

5、星链系统的分阶段部署方式分析

星链不管是LEO系统还是GEN2系统，均由多个星座大量卫星组成，完整的星座系统部署必然需要分阶段实施。结合前期对一期LEO系统的长期跟踪研判，发现其分阶段部署方式为“少量轨道面部署->轨道面逐层加密->所有轨道面部署完成”。以一期壳层1为例，其部署进程如下图所示：

图6星链一期LEO系统星座分阶段部署方案示意图

星链一期LEO系统现已部署的4个壳层，多数都是轨道面多而面内卫星少，如壳层1与4均为72轨道面、面内18颗星。这两个壳层基本上都是优先实现18个轨道面部署、进一步加密形成36个轨道面、最终形成72个轨道面。

与之对比，二代GEN2系统星座方案中大多为轨道面数少而面内卫星多，如表2中星座6为28轨道面、面内120颗星。结合前述分析已知，该星座6将由两个不同卫星版本的壳层组成，且已实现了全部轨道面的部署，只是面内卫星较为稀疏。故其后续将采用对面内卫星逐步加密的方式，如下图所示：

图7星链二代GEN2系统星座6分阶段部署方案示意图

6、总结与分析

本文对星链二代GEN2系统现有在轨构型进行分析，发现壳层5与6不同版本卫星共同填充同一星座，且分阶段部署方案与一期有较大差别。具体而言：

（1）二代GEN2系统采用了V1.5与V2.0Mini两个不同版本的卫星，共同构建同一个星座，实现不同版本卫星的混合组网；

（2）二代GEN2系统采用了优先所有轨道面内少量卫星部署，进而加密各面内卫星的分阶段部署方案。

后续，将结合星链二代系统更多卫星的发射入轨数据进行分析与复核。

· 《卫星与网络》创始人：刘雨菲

· 《卫星与网络》副社长：袁鸿翼，王俊峰