StarLink首批60颗卫星功能详解

发布日期：2019-05-30　　　　作者：南南　亮亮

　　北京时间5月25日，SpaceX猎鹰9号火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的40号台发射，成功将星链计划(Starlink)宽带卫星舰队的前60名成员送到了轨道。
　　60颗小型卫星，每颗都采用平板、单太阳帆板设计，与之后今年和明年将发射的数百颗Starlink卫星组成该网络的初步星座。最终，SpaceX可能会推出数千颗Starlink卫星，为全球消费者提供高速互联网服务。
　　宏宇公司太空网(ViaSpace.cn)将通过本文对Starlink的小卫星及其功能特点和由它组成的星座网络进行几个方面的分析和展示。
　　一个庞大系统的能力通常可以分为两个部分，第一是组成系统单元的能力，也就是卫星本身的载荷和性能；第二是系统整体的能力，也就是整个卫星网络的能力和性能。识别下方二维码在太空网上快速查看卫星各个分系统的介绍以及整个Starlink网络系统的实时运行情况。

　　　　　　

　　　　首先我们先介绍一下卫星系统本身，每颗卫星总重量227kg，采用高度集成化的平板设计，能够适应高容量集群发射。卫星有几个极为先进的系统部件，如下所示：

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一、卫星天线系统

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　　星链卫星底部安装4套相控阵天线系统，可以实现极高的数据量发送和转发，比常规容量通信卫星成本低一个数量级。

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二、单个太阳能电池阵

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　　星链卫星采用单个太阳能电池阵设计，极大的简化了系统，太阳能电池采用标准部件，简化了制造和集成过程。

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三、氪离子推进系统

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　　星链卫星配备一套高效的氪离子推进系统，此推进系统能够在运营期间进行抬升轨道高度、维持轨道形状等轨道机动，并能在寿命末期进行降低轨道、完成离轨操作的机动。星链卫星是第一个采用氪离子推进系统的航天器。

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四、星敏感器

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　　利用内部定制的导航传感器测量卫星姿态，有助于稳定姿态，实现宽带吞吐量的精确设定。

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五、自主碰撞规避系统

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　　星链卫星使用从地面传输的空间碎片威胁信息数据以及自身携带的四个动量轮系统配合离子推进系统来实现自动规避空间碎片和其他航天器的功能。这种自主规避防撞功能能够最大限度的降低人工出错的机率，让卫星在一个可靠的无碰撞的空间环境中稳定运行。

　　宏宇公司太空网同样拥有这样的系统来支持国内星座系统来实现自主太空碰撞规避。具体技术流程如下图所示：

　　地面系统预报星座卫星轨道，并检索空间目标数据库（在轨大约20000个目标），筛选潜在碰撞目标，计算碰撞概率，将高预警碰撞时刻和轨道控制上注卫星。卫星利用四个互相垂直的动量轮加速或减速运动改变卫星姿态，配合离子推进发动机抬高或降低卫星轨道，完成规避。规避完成后再次机动返回标称轨道。地面碰撞检测完全由计算机自动化完成，定时计算，自动上注，完成主动规避。
　　基于空间碎片规避，太空网也正在研究更先进的规避技术。目前激光点云技术运用在地面场景识别和重建、无人机碰撞检测等方面已经比较成熟。我们正在研究在卫星上使用激光点云技术，通过星上计算机实时解算模块实现卫星在轨主动规避。

　　接下来说一说星链卫星的轨道高度的设计理念。

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通信延迟

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　　首先需要考虑的是高带宽通信卫星的通信延迟问题，对于延时要求高的卫星都不能采用高轨道设计。如果采用地球同步轨道，~36000km高度，地面通信不考虑转发器延时，信号来回就是72000/光速=240毫秒。这样的延时在实时通信中是不能被接受的。带宽越大、实时性要求越高，轨道高度就要越低。此批星链60颗目前卫星轨道高度大概为440km，不考虑转发器延时，信号传播延时为6毫秒。所以低轨设计对通信十分有利。

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减少空间垃圾

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　　太空网(ViaSpace)收录全球在轨所有在轨航天器和碎片数据，包括废弃、失效卫星。这些空间目标经过太空网(ViaSpace)目前在线数据库查询共计19638个。为满足空间环境监管以及行业标准，需要将寿命终止的卫星离轨再入、防止增加更多的太空垃圾。

　　宏宇公司太空网去年曾成功计算和预测天宫一号的再入时间。针对星链卫星轨道高度太空网也做了相应计算和分析，在考虑不同姿态和太阳光压辐射影响下，星链卫星在寿命终止后将通过1-5年的时间再入大气层，如果在寿命终止之前使用氪离子发动机协助离轨，将更快的再入大气层。如果采用1000km以上的轨道想要数量如此多的卫星都再入大气层则需要几百年甚至上千年的时间。

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星座组网情况

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　　太空网(ViaSpace)天基轨道数据服务实时跟踪星链卫星轨道情况。一共60颗星链卫星，编号分别为A~Z、AA~AZ、BA~BM。这些星链卫星由火箭上面级缓慢自旋释放。卫星通过氪离子发动机推动逐渐分布在轨道面指定位置。标称轨道为550km高度，倾角53°的圆轨道。截至作者发稿时，部分卫星轨道高度还维持在450km左右，还需要调整到550km高度，此过程需要几天时间完成卫星的就位。随时登录太空网(ViaSpace)查看星链卫星实时位置和轨道部署情况。目前太空网(ViaSpace)收录并支持实时查看如下5G通信星座卫星信息：

　　另外太空网手机APP看卫星VSAT®也支持手机端查看这些低轨5G通信星座查看功能，通过AR功能查看低轨通信星座实时位置、方位、过顶等信息。

　　最后再分析一下星链卫星的通信覆盖。

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通信覆盖分析

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　　星链卫星将支持四种波段的通信模式，Ku波段，Ka波段，V波段和激光通信。Ku波段频率范围12-18GHz，Ka波段频率范围26.5-40GHz，V波段50-75GHz。此次60颗卫星仅支持Ku波段通信覆盖，后续卫星会陆续支持Ka，V波段和星间链路的激光通信。
　　星链卫星根据官方给出的Ku波段天线覆盖角度是40.46°半锥角，标称550km轨道高度。

　　在太空网(ViaSpace)平台中查找编号为BE的星链卫星，设置天线范围半锥角，可以计算得出天线覆盖范围是64万平方公里。

　　而河北省面积是18.7万平方公里，所以一颗星链卫星的覆盖面积基本上相当于三个半河北省面积。如下图所示。

　　此次发射的60颗卫星位于同一个轨道面内，数天后会均匀分布在此轨道面，形成对地面的连续覆盖，保障通信的不间断。另外SpaceX将发射6组共计360颗星链卫星，完成特定区域的最小通信覆盖，这样势必就会对星间链路提出要求。星链卫星的激光通信是联系轨道面内相邻两颗卫星和垂直轨道面的两颗卫星，确保任意两个方向上的通信不中断。如下图所示：

　　通信天线如果采用Ka或V波段，在整星功率一定的情况下，单颗星覆盖范围会更小，因此会需要更多的卫星组网。登录太空网(ViaSpace)可以查看不同波段天线对地覆盖的情况，进而了解星链计划在未来如果采用Ka或V波段通信需要增加卫星来满足覆盖的需求。