StarLink星座卫星入轨预测与仿真分析

摘要：近日，SpaceX公司发射星链二代星座卫星，开启了星链二代星座的部署进程。然而，一期LEO系统中壳层4多批次卫星发射较晚，尚未进入预定轨道。本文首先对StarLink星座在轨分布进行仿真分析，结果表明，壳层4卫星的72个轨道面中已基本完成69个面的部署；进而，对壳层4后续卫星入轨进行了预测：壳层4的72个轨道面最早将在2023年6月底完成全部部署。

StarLink星座卫星入轨预测与仿真分析

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

1 StarLink星座当前状态分析

截至2023年1月29日零时，SpaceX公司累计发射71次共3771颗StarLink卫星，当天活跃卫星3367颗，活跃率89.29%。其中，处于工作轨位卫星2686颗，处于备份轨位卫星402颗，其余轨位卫星279颗。各壳层总体分布如下表：

下文首先对一期LEO系统、二代Gen2系统进行介绍，而后对当前主力部署的一期LEO系统壳层1、壳层4在轨分布进行分析。

（1）一期LEO系统简要介绍

2016年11月15日SpaceX公司向FCC提交StarLink星座一期LEO计划，并于2018-2020年间先后3次提交修改申请，调整内容涉及星座规模、轨道高度、星座构型等（详细请参考：《 StarLink第一期星座发展历程及性能分析 》）。

最终调整确定的LEO系统（4408颗星）整体参数如下所示：

（2）二代Gen2系统简要介绍

StarLink Gen2是SpaceX于2020年5月份提交至FCC申请的新一代大型低轨星座，也就是我们常说的30000颗星的那个系统（详细请参考：《 StarLink当前在轨简要分析及第二代系统介绍 》）。2021年8月，SpaceX对第二代星链系统Gen2的星座构型进行修改申请，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，具体如下：

（3）一期LEO系统壳层1分布

壳层1在StarLink星座一期LEO系统中部署最早开始和也最早完成，据FCC申报资料得知其参数为：1584颗星、550km轨道高度、53度倾角、72个轨道面、每面22颗星（详细参考《 StarLink第一期星座发展历程及性能分析 》）。

该壳层首批星和末批星分别发射于2019年5月24日、2021年5月27日，历时2年完成。共计发射29批次1725颗卫星，截至2023年1月29日零时活跃卫星1510颗，工作轨位卫星1268颗，星座构型为Walker 1296/72/45，构型填充完成度97.84%（实际星座构型与FCC申报资料中有所差异，详细参考《 StarLink实际星座构型研判与仿真分析 》）。

壳层1卫星在轨RAAN和相位分布如下：

图StarLink壳层1在轨分布及星座构型研判

壳层1的72个轨道面中，填充18颗卫星为55个轨道面（占比：76.4%），轨道面17颗星的有9个（占比：12.5%），16颗星的有6个（8.3%），15及14颗星各1个（占比2.8%）。需知，StarLink一期LEO系统实际构型并非一成不变，在2020.11.25至2021.01.25的两个月间SpaceX公司便对壳层1进行构型调整，调整后即为当前构型。同样，其构型随着时间推移，也可能在后续发生调整（该内容本文暂不细表，另见跟研报告）。

各轨道面上工作轨位卫星及备份轨位卫星数量分布如下：

图StarLink壳层1各轨道面内工作及备份轨位卫星数量分布

（4）一期LEO系统壳层4分布

壳层4是当前StarLink星座一期LEO系统中主力部署的星座，据FCC申报资料得知其参数为：1584颗星、540km轨道高度、53.2度倾角、72个轨道面、每面22颗星。

截至2023年1月29日零时，该壳层首批星和末批星分别发射于2021年11月13日、2022年12月18日，累计发射32批次1637颗卫星，活跃卫星1517颗，工作轨位卫星1225颗，星座构型为Walker 1296/72/45，构型填充完成度94.52%。

壳层4总体分布如下：

图StarLink壳层4在轨分布及星座构型研判

壳层4的72个轨道面中，填充18颗卫星为54个轨道面（占比：75.0%），轨道面17颗星的有12个（占比：16.7%），16颗星的有3个（4.2%），1颗星的有1个（占比1.4%），0颗星的有2个（占比：2.8%）。各轨道面上工作轨位卫星及备份轨位卫星数量分布如下：

图StarLink壳层4各轨道面内工作及备份轨位卫星数量分布

2 StarLink LEO系统壳层4卫星入轨预判

由前述StarLink星座壳层4在轨整体分布可看出，72个目标轨道面中已基本完成69面部署，剩余3个面待部署（轨道面号：5、63、65）。本节将给出该3个轨道面后续将由哪些星于何时进入工作轨位。

壳层4的1517颗活跃卫星中，位于目标轨道高度542km的共1424颗，均为工作轨位卫星或备份轨位卫星；高于该目标轨道高度卫星共6颗；低于该目标轨道高度卫星共86颗，多数处于发射初期爬升入轨阶段，将主要用于完成剩余轨道面的部署填充。

为更直观展现星链壳层4卫星轨道高度的分布，特定义如下卫星轨道高度及面内相位分布图：

图StarLink壳层4轨道高度与面内相位分布图

上图中，各点-原点间的距离为轨道高度（单位km），各点-原点连线与正X轴的夹角为相位（0-360度）。

后续简要介绍较高轨道高度卫星情况，然后重点介绍较低轨道高度卫星情况。

（1）较高轨道高度卫星分析

22025P、22101K等6颗卫星处于较高轨道高度。其中，22119G、22125AD、22141AJ、22141X爬升入轨后持续以较高轨道高度运行；22101K卫星于2023年1月27日开始主动降低轨道高度，预计将于1-2天后回落至目标轨道高度542km，进入备份轨位（轨道面号9、相位号17）；22025P卫星于2023年1月21日开始主动升高轨道高度，已历时8天，预计将在近期内（几天~十几天不等）替换同轨道面内某工作轨位卫星。

图StarLink壳层4当前轨道高度较高的5颗卫星历史高度变化

（2）较低轨道高度卫星分析

低于该轨道高度卫星共86颗，涉及16个批次，主要为22175批次卫星（共53颗，占比61.6%），卫星在各批次分布如下：

图StarLink壳层4当前轨道高度较低的86颗卫星批次分布

该86颗卫星中，21125AJ、22001AG等10颗卫星为入轨后轨道高度降低，21125G、22025M等4颗卫星未入轨便呈现轨道降低离轨趋势，22016K、22017BB共2颗卫星持续长时间低轨停泊（上述16颗卫星详细跟踪研判本文暂不细表，另见跟研报告），其余70颗卫星处于爬升入轨或低轨临泊，为本次重点跟踪对象。该86颗卫星轨道高度变化过程如下图所示：

图StarLink壳层4当前轨道高度较低的86颗卫星历史高度变化

（3）较低轨道高度卫星入轨预测分析

至此可推知，22107V、22114BA等70颗星，主要用于完成轨道面号5、63、65等轨道面的部署填充。结合卫星当前轨道状态、历史变动状态、目标轨位等多维信息，对22175AC等共56颗星做如下预测：

22175AC、22175AF等共20颗星，预计2023.02.01-2023.02.03期间进入目标工作轨位，轨道面号为5。

22141BB、22141BD等共5颗星，预计2023.02.26进入目标工作轨位，轨道面号为65。

22175A、22175AK、22175B共3颗星，预计2023.02.16、2023.03.03进入目标工作轨位，轨道面号为4。

22175AA、22175AB等共28颗星，去往目标轨道面号65和63都有可能，所需时间不同。去往轨道面号65，预计最早于2023.06.01完成；去往轨道面号63，预计最早于2023.06.23完成。

详细信息如下表所示：

StarLink壳层4部分卫星入轨预测表

3 总结

本文基于StarLink在轨分布及实际星座构型研判的结果，结合卫星当前轨道状态、历史变动状态、目标轨位等多维信息，实现了对StarLink星座卫星入轨的预测分析。后续将保持持续跟踪研判，揭露其部署进程的面纱。

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