北京時(shí)間5月25日，SpaceX獵鷹9號(hào)火箭從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地的40號(hào)臺(tái)發(fā)射，成功將星鏈計(jì)劃(Starlink)寬帶衛(wèi)星艦隊(duì)的前60名成員送到了軌道。

　　60顆小型衛(wèi)星，每顆都采用平板、單太陽(yáng)帆板設(shè)計(jì)，與之后今年和明年將發(fā)射的數(shù)百顆Starlink衛(wèi)星組成該網(wǎng)絡(luò)的初步星座。最終，SpaceX可能會(huì)推出數(shù)千顆Starlink衛(wèi)星，為全球消費(fèi)者提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

　　宏宇公司太空網(wǎng)(ViaSpace.cn)將通過(guò)本文對(duì)Starlink的小衛(wèi)星及其功能特點(diǎn)和由它組成的星座網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幾個(gè)方面的分析和展示。

　　一個(gè)龐大系統(tǒng)的能力通常可以分為兩個(gè)部分，第一是組成系統(tǒng)單元的能力，也就是衛(wèi)星本身的載荷和性能；第二是系統(tǒng)整體的能力，也就是整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的能力和性能。識(shí)別下方二維碼在太空網(wǎng)上快速查看衛(wèi)星各個(gè)分系統(tǒng)的介紹以及整個(gè)Starlink網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。

　　首先我們先介紹一下衛(wèi)星系統(tǒng)本身，每顆衛(wèi)星總重量227kg，采用高度集成化的平板設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)高容量集群發(fā)射。衛(wèi)星有幾個(gè)極為先進(jìn)的系統(tǒng)部件，如下所示：

一、衛(wèi)星天線系統(tǒng)：

　　星鏈衛(wèi)星底部安裝4套相控陣天線系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)量發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)，比常規(guī)容量通信衛(wèi)星成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

二、單個(gè)太陽(yáng)能電池陣

　　星鏈衛(wèi)星采用單個(gè)太陽(yáng)能電池陣設(shè)計(jì)，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，太陽(yáng)能電池采用標(biāo)準(zhǔn)部件，簡(jiǎn)化了制造和集成過(guò)程。

三、氪離子推進(jìn)系統(tǒng)

　　星鏈衛(wèi)星配備一套高效的氪離子推進(jìn)系統(tǒng)，此推進(jìn)系統(tǒng)能夠在運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行抬升軌道高度、維持軌道形狀等軌道機(jī)動(dòng)，并能在壽命末期進(jìn)行降低軌道、完成離軌操作的機(jī)動(dòng)。星鏈衛(wèi)星是第一個(gè)采用氪離子推進(jìn)系統(tǒng)的航天器。

四、星敏感器

　　利用內(nèi)部定制的導(dǎo)航傳感器測(cè)量衛(wèi)星姿態(tài)，有助于穩(wěn)定姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)寬帶吞吐量的精確設(shè)定。 

五、自主碰撞規(guī)避系統(tǒng)

　　星鏈衛(wèi)星使用從地面?zhèn)鬏數(shù)目臻g碎片威脅信息數(shù)據(jù)以及自身攜帶的四個(gè)動(dòng)量輪系統(tǒng)配合離子推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)避空間碎片和其他航天器的功能。這種自主規(guī)避防撞功能能夠最大限度的降低人工出錯(cuò)的機(jī)率，讓衛(wèi)星在一個(gè)可靠的無(wú)碰撞的空間環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

　　宏宇公司太空網(wǎng)同樣擁有這樣的系統(tǒng)來(lái)支持國(guó)內(nèi)星座系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自主太空碰撞規(guī)避。具體技術(shù)流程如下圖所示：

　　地面系統(tǒng)預(yù)報(bào)星座衛(wèi)星軌道，并檢索空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)（在軌大約20000個(gè)目標(biāo)），篩選潛在碰撞目標(biāo)，計(jì)算碰撞概率，將高預(yù)警碰撞時(shí)刻和軌道控制上注衛(wèi)星。衛(wèi)星利用四個(gè)互相垂直的動(dòng)量輪加速或減速運(yùn)動(dòng)改變衛(wèi)星姿態(tài)，配合離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)抬高或降低衛(wèi)星軌道，完成規(guī)避。規(guī)避完成后再次機(jī)動(dòng)返回標(biāo)稱(chēng)軌道。地面碰撞檢測(cè)完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)化完成，定時(shí)計(jì)算，自動(dòng)上注，完成主動(dòng)規(guī)避。

 　　基于空間碎片規(guī)避，太空網(wǎng)也正在研究更先進(jìn)的規(guī)避技術(shù)。目前激光點(diǎn)云技術(shù)運(yùn)用在地面場(chǎng)景識(shí)別和重建、無(wú)人機(jī)碰撞檢測(cè)等方面已經(jīng)比較成熟。我們正在研究在衛(wèi)星上使用激光點(diǎn)云技術(shù)，通過(guò)星上計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算模塊實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌主動(dòng)規(guī)避。 

 　　接下來(lái)說(shuō)一說(shuō)星鏈衛(wèi)星的軌道高度的設(shè)計(jì)理念。

通信延遲

 　　首先需要考慮的是高帶寬通信衛(wèi)星的通信延遲問(wèn)題，對(duì)于延時(shí)要求高的衛(wèi)星都不能采用高軌道設(shè)計(jì)。如果采用地球同步軌道，~36000km高度，地面通信不考慮轉(zhuǎn)發(fā)器延時(shí)，信號(hào)來(lái)回就是72000/光速=240毫秒。這樣的延時(shí)在實(shí)時(shí)通信中是不能被接受的。帶寬越大、實(shí)時(shí)性要求越高，軌道高度就要越低。此批星鏈60顆目前衛(wèi)星軌道高度大概為440km，不考慮轉(zhuǎn)發(fā)器延時(shí)，信號(hào)傳播延時(shí)為6毫秒。所以低軌設(shè)計(jì)對(duì)通信十分有利。

減少空間垃圾

 　　太空網(wǎng)(ViaSpace)收錄全球在軌所有在軌航天器和碎片數(shù)據(jù)，包括廢棄、失效衛(wèi)星。這些空間目標(biāo)經(jīng)過(guò)太空網(wǎng)(ViaSpace)目前在線數(shù)據(jù)庫(kù)查詢共計(jì)19638個(gè)。為滿足空間環(huán)境監(jiān)管以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要將壽命終止的衛(wèi)星離軌再入、防止增加更多的太空垃圾。 

 　　宏宇公司太空網(wǎng)去年曾成功計(jì)算和預(yù)測(cè)天宮一號(hào)的再入時(shí)間。針對(duì)星鏈衛(wèi)星軌道高度太空網(wǎng)也做了相應(yīng)計(jì)算和分析，在考慮不同姿態(tài)和太陽(yáng)光壓輻射影響下，星鏈衛(wèi)星在壽命終止后將通過(guò)1-5年的時(shí)間再入大氣層，如果在壽命終止之前使用氪離子發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)助離軌，將更快的再入大氣層。如果采用1000km以上的軌道想要數(shù)量如此多的衛(wèi)星都再入大氣層則需要幾百年甚至上千年的時(shí)間。

星座組網(wǎng)情況

 　　太空網(wǎng)(ViaSpace)天基軌道數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)時(shí)跟蹤星鏈衛(wèi)星軌道情況。一共60顆星鏈衛(wèi)星，編號(hào)分別為A~Z、AA~AZ、BA~BM。這些星鏈衛(wèi)星由火箭上面級(jí)緩慢自旋釋放。衛(wèi)星通過(guò)氪離子發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)逐漸分布在軌道面指定位置。標(biāo)稱(chēng)軌道為550km高度，傾角53°的圓軌道。截至作者發(fā)稿時(shí)，部分衛(wèi)星軌道高度還維持在450km左右，還需要調(diào)整到550km高度，此過(guò)程需要幾天時(shí)間完成衛(wèi)星的就位。隨時(shí)登錄太空網(wǎng)(ViaSpace)查看星鏈衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置和軌道部署情況。目前太空網(wǎng)(ViaSpace)收錄并支持實(shí)時(shí)查看如下5G通信星座衛(wèi)星信息：

　　另外太空網(wǎng)手機(jī)APP看衛(wèi)星VSAT^?也支持手機(jī)端查看這些低軌5G通信星座查看功能，通過(guò)AR功能查看低軌通信星座實(shí)時(shí)位置、方位、過(guò)頂?shù)刃畔ⅰ?/span>

　　最后再分析一下星鏈衛(wèi)星的通信覆蓋。

通信覆蓋分析

　　星鏈衛(wèi)星將支持四種波段的通信模式，Ku波段，Ka波段，V波段和激光通信。Ku波段頻率范圍12-18GHz，Ka波段頻率范圍26.5-40GHz，V波段50-75GHz。此次60顆衛(wèi)星僅支持Ku波段通信覆蓋，后續(xù)衛(wèi)星會(huì)陸續(xù)支持Ka，V波段和星間鏈路的激光通信。

　　星鏈衛(wèi)星根據(jù)官方給出的Ku波段天線覆蓋角度是40.46°半錐角，標(biāo)稱(chēng)550km軌道高度。

　　在太空網(wǎng)(ViaSpace)平臺(tái)中查找編號(hào)為BE的星鏈衛(wèi)星，設(shè)置天線范圍半錐角，可以計(jì)算得出天線覆蓋范圍是64萬(wàn)平方公里。

　　而河北省面積是18.7萬(wàn)平方公里，所以一顆星鏈衛(wèi)星的覆蓋面積基本上相當(dāng)于三個(gè)半河北省面積。如下圖所示。

　　此次發(fā)射的60顆衛(wèi)星位于同一個(gè)軌道面內(nèi)，數(shù)天后會(huì)均勻分布在此軌道面，形成對(duì)地面的連續(xù)覆蓋，保障通信的不間斷。另外SpaceX將發(fā)射6組共計(jì)360顆星鏈衛(wèi)星，完成特定區(qū)域的最小通信覆蓋，這樣勢(shì)必就會(huì)對(duì)星間鏈路提出要求。星鏈衛(wèi)星的激光通信是聯(lián)系軌道面內(nèi)相鄰兩顆衛(wèi)星和垂直軌道面的兩顆衛(wèi)星，確保任意兩個(gè)方向上的通信不中斷。如下圖所示：

　　通信天線如果采用Ka或V波段，在整星功率一定的情況下，單顆星覆蓋范圍會(huì)更小，因此會(huì)需要更多的衛(wèi)星組網(wǎng)。登錄太空網(wǎng)(ViaSpace)可以查看不同波段天線對(duì)地覆蓋的情況，進(jìn)而了解星鏈計(jì)劃在未來(lái)如果采用Ka或V波段通信需要增加衛(wèi)星來(lái)滿足覆蓋的需求。

　　如需了解更多5G通信星座內(nèi)容、星座設(shè)計(jì)分析及設(shè)計(jì)驗(yàn)證等精彩資訊請(qǐng)?jiān)L問(wèn)太空網(wǎng)(ViaSpace.cn)查看。