Starlink实际星座构型研判与仿真分析

摘要：先前在《Starlink星间激光链路应用的仿真分析》一文中指出，星链壳层3的每轨道面46颗星并非均匀等间隔分布，而是其中36颗星间隔10度均匀分布，其余10颗卫星更多用于备份。在此基础上，本文进一步探索关于壳层1与壳层4的实际分布，探究壳层1与4实际星座构型，具体包括卫星数、轨道面数、相位因子。基于在轨数据的研判，Starlink壳层1与4实际星座构型为：1296颗星、72个轨道面、每面18星、相位因子45的Walker星座（1296/72/45）；进一步，结合对星座运行过程中碰撞风险、星间链动态范围两个因素考虑与仿真分析，给出了具体选用相位因子45的原因。

1 Starlink发射与在轨部署

截止2022年10月15日，SpaceX公司已累计发射64批共计3417颗Starlink卫星，在轨运行3177颗，良好率93.0%。

所发射卫星均属于Starlink一期LEO星座，当前主要实现壳层1、3、4的部署，具体如下：

在轨卫星的轨道面（RAAN）及面内相位（Phase）分布，如下所示：

在轨3177颗Starlink卫星的轨道位置分布

2 壳层1构型研判

轨道壳层1为Starlink首个部署完成的星座，根据提交至FCC文档，该星座主要参数为：卫星数量1584、轨道高度550km、轨道倾角53度、轨道面72个。

基于2022年10月15日，13:00的壳层1实际在轨卫星的TLE，为便于查看该壳层的轨道分布情况，将卫星的RAAN当做横坐标（理论上，同一轨道面卫星的RAAN相同），平近点角为纵坐标（理论上，同一轨道面内卫星的相位在0-360度均匀分布），如下所示：

壳层1的1517颗卫星在轨道面和相位上分布都较为均匀，然部分也存在杂乱。该壳层卫星部署在多少个轨道面？每面内多少颗卫星？多少颗备份卫星？相邻轨道面间卫星相位差如何？这些内容不得而知。

以在轨TLE为基础，推算各卫星的轨道高度、升交点赤经RAAN、平近点角（相位），对壳层1在轨1517颗卫星做如下区分标识：

• 非工作卫星：卫星轨道高度小于530km、或大于560km的卫星。

• 组网卫星：轨道高度在530-560km内，且根据Walker星座构型研判得出，属于具体轨道面相位号的卫星。

• 备份卫星：轨道高度在530-560km内，且根据Walker星座构型研判得出，不在某具体轨道面相位号。

如下为经过仿真分析后的研判结果：

Starlink壳层1在轨分布及星座构型研判

基于上图对壳层1的仿真分析，主要结论如下：

（1）研判其采用的星座构型为，轨道高度550km、倾角53度、1296颗卫星、72个轨道面、每面18颗星、Walker星座相位因子45。轨道面RAAN间隔5度，面内相位间隔20度。如上图中Walker星座:1296/72/45的分布所示。

（2）就研判星座构型而言，72个轨道面（每面18颗星），已实现64个轨道面部署，剩余8个轨道面基本填充满（实际每面17星）。研判与实际卫星位置的误差方面非常小，具体为星均RAAN差值1.85度，相位差值0.74度。

Starlink壳层1在轨分布及星座构型研判

（3）备份卫星184颗，多数为每轨道面内2颗备份星，备份位置上因轨道面而差异，总体趋向于使整个星座备份卫星较为均匀分布，如下为典型两组轨道面上组网卫星与备份卫星的分布，如下所示：

Starlink壳层1典型两组轨道面上组网星与备份星分布

3 壳层4构型研判

轨道壳层4为Starlink第二个主要部署的星座，根据提交至FCC文档，该星座主要参数为：卫星数量1584、轨道高度540km、轨道倾角53.2度、轨道面72个。

基于2022年10月15日，13:00的壳层4实际在轨卫星的TLE，各卫星面内相位与轨道面RAAN分布如下所示：

Starlink壳层4在轨分布及星座构型研判

基于上图对壳层4的仿真分析，主要结论如下：

（1）研判其采用的星座构型为，与壳层1基本一致，仅在高度和倾角有差异。具体为，轨道高度540km、倾角53.2度、1296颗卫星、72个轨道面、每面18颗星、Walker星座相位因子45。轨道面RAAN间隔5度，面内相位间隔20度。图上Walker星座:1296/72/45的分布所示。

（2）就研判星座构型而言，72个轨道面（每面18颗星），已实现46个轨道面部署，正在部署中的轨道面有9个，其余17个轨道面尚未开始部署。已完成部署的轨道面中可看出，已完成间隔一个轨道面的部署（即图中奇数轨道面均已部署完成），后续将补齐后一半轨道面部署。

Starlink壳层4在轨分布及星座构型研判

4 星座构型影响分析

对于Walker星座而言，星座构型参数（轨道面、相位因子等）如何配置，决定了该星座的分布特性、相对运动特性。如Starlink壳层1与4，在确定由1296颗星、72轨道面情况下，不同的相位因子对如下两方面因素有重要影响：

（1）星座运行过程中，任意星间最小的距离。相位因子设置不合理，将导致星座运行过程中两颗星间距过小，甚至运行轨迹重合，增大了碰撞风险。

（2）星座运行过程中，异轨星间链路的动态范围。相位因子设置不合理，将使得异轨星间链建链时角度调整动态性太大，对星载激光载荷转动与对准提出了较高要求。

基于上述两点考虑，首先仿真分析Starlink壳层1（由于壳层4参数与壳层1区别很小，结论基本适用）在不同相位因子下，任意星间最小距离，如下所示：

Starlink壳层1星座在不同相位因子下的任意星间最小距离

可看出，较好的几组相位因子如下：

• 相位因子57，可实现任意星间最小距离80.2km；

• 相位因子53，可实现任意星间最小距离57.0km；

• 相位因子45，可实现任意星间最小距离57.0km；

进一步，对相位因子57、53、45三组星座构型下，异轨道星间建链时相对运动速度进行仿真分析，如下：

• 相位因子57，异轨星间链最大相对运动速度0.4 km/s；

• 相位因子53，异轨星间链最大相对运动速度0.31 km/s；

• 相位因子45，异轨星间链最大相对运动速度0.20 km/s；

相位因子45的参数配置下详细异轨星间链运动特性如下：

结合上述数据分析，Starlink轨道壳层1和壳层4，之所以采用相位因子45，主要考虑了卫星运行过程中任意星间最小安全距离，降低碰撞风险；同时考虑了异轨星间建链的动态性，最小化动态范围以降低对星间激光载荷的约束。

5 总结

本文主要对Starlink实际星座构型进行研判与仿真分析，结果表明，壳层1与壳层4均为Walker星座，具体构型为1296/72/45（1296颗星，72个轨道面，相位因子为45）。在该星座配置下，可实现运行过程中任意星间最小距离不小于57km，降低了碰撞风险；同时，异轨星间建链动态性小于0.20km/s，相比其他星座配置模式，降低了对星间激光载荷建链动态对准的约束。

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