已发射2301颗，星链系统部署情况与在轨能源分析
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已发射2301颗，星链系统部署情况与在轨能源分析
文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、胡海龙、王大鹏（中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室）
摘要：本文主要对星链系统发射历程进行梳理，并对当前星链在轨卫星、信关站分布及终端进行分析，最后结合星链卫星轨道、太阳能帆板等分析其星上能源与通信功耗。
自2019年5月24日星链（Starlink）卫星首次发射，SpaceX已实现43批次共计2301颗卫星发射入轨，历次发射时间及卫星数等信息如下：
表1 Starlink卫星历次发射信息统计（截止2022.04.17）
批次 | 发射时间 | 卫星代号 | 个数 | 总数 |
1 | 2019-05-24 10:30 | Starlink Demo (0.9) | 60 | 60 |
2 | 2019-11-11 22:56 | Starlink 1 | 60 | 120 |
3 | 2020-01-07 10:19 | Starlink 2 | 60 | 180 |
4 | 2020-01-29 22:06 | Starlink 3 | 60 | 240 |
5 | 2020-02-17 23:05 | Starlink 4 | 60 | 300 |
6 | 2020-03-18 20:16 | Starlink 5 | 60 | 360 |
7 | 2020-04-23 03:30 | Starlink 6 | 60 | 420 |
8 | 2020-06-04 09:25 | Starlink 7 | 60 | 480 |
9 | 2020-06-13 17:21 | Starlink 8 | 58 | 538 |
10 | 2020-08-07 13:12 | StarLink 9 | 57 | 595 |
11 | 2020-08-18 22:31 | StarLink 10 | 58 | 653 |
12 | 2020-09-03 20:46 | StarLink 11 | 60 | 713 |
13 | 2020-10-06 19:29 | StarLink 12 | 60 | 773 |
14 | 2020-10-18 20:25 | StarLink 13 | 60 | 833 |
15 | 2020-10-24 23:31 | StarLink 14 | 60 | 893 |
16 | 2020-11-25 10:13 | StarLink 15 | 60 | 953 |
17 | 2021-01-20 21:02 | StarLink 16 | 60 | 1013 |
18 | 2021-01-24 23:00 | Transporter 1 (Dedicated SSO Rideshare) | 10 | 1023 |
19 | 2021-02-04 14:19 | StarLink 18 | 60 | 1083 |
20 | 2021-02-16 11:59 | StarLink 19 | 60 | 1143 |
21 | 2021-03-04 16:24 | StarLink 17 | 60 | 1203 |
22 | 2021-03-11 16:13 | StarLink 20 | 60 | 1263 |
23 | 2021-03-14 18:01 | StarLink 21 | 60 | 1323 |
24 | 2021-03-24 16:28 | StarLink 22 | 60 | 1383 |
25 | 2021-04-08 00:34 | StarLink 23 | 60 | 1443 |
26 | 2021-04-29 11:44 | StarLink 24 | 60 | 1503 |
27 | 2021-05-05 03:01 | StarLink 25 | 60 | 1563 |
28 | 2021-05-09 14:42 | StarLink 27 | 60 | 1623 |
29 | 2021-05-16 06:56 | StarLink 26 | 52 | 1675 |
30 | 2021-05-27 02:59 | StarLink 28 | 60 | 1735 |
31 | 2021-07-01 03:31 | Transporter 2 (Dedicated SSO Rideshare) | 3 | 1738 |
32 | 2021-09-14 11:55 | Starlink Group 2-1 | 51 | 1789 |
33 | 2021-11-13 20:19 | Starlink Group 4-1 | 53 | 1842 |
34 | 2021-12-03 07:12 | Starlink Group 4-3 | 48 | 1890 |
35 | 2021-12-18 20:41 | Starlink Group 4-4 | 52 | 1942 |
36 | 2022-01-07 05:49 | Starlink Group 4-5 | 49 | 1991 |
37 | 2022-01-19 10:02 | Starlink Group 4-6 | 49 | 2040 |
38 | 2022-02-04 02:13 | Starlink Group 4-7 | 17 | 2057 |
39 | 2022-02-21 22:44 | Starlink Group 4-8 | 46 | 2103 |
40 | 2022-02-26 01:12 | Starlink Group 4-11 | 50 | 2153 |
41 | 2022-03-03 22:25 | Starlink Group 4-9 | 47 | 2200 |
42 | 2022-03-09 21:45 | Starlink Group 4-10 | 48 | 2248 |
43 | 2022-03-19 12:42 | Starlink Group 4-12 | 53 | 2301 |
历次发射时间及累计发射卫星数变化如下：
图 1 星链卫星发射时间与累计发射数随时间变化
可看出，星链系统自2021年起明显加快了卫星部署进程，尤以2021年上半年为甚。其中，自2021年1月20日至5月27日的127天内，累计完成14批次（第17批至第30批）共计782颗星发射，相当于平均每9.1天发射1次、日均发射卫星6.2颗。
各批次发射卫星的主要特征如下：
第1批次发射卫星为0.9版本，质量227kg，结构采用独特的平板设计，搭载了1副太阳能电池阵列、4副高通量天线、霍尔推力器、恒星敏感器和自主避撞系统，仅支持Ku频段通信，且没有搭载星间链路载荷，需要通过地面站连接。
第2~17、19~30批次卫星为1.0版本，每颗卫星重260kg，增加了Ka频段天线，并对生产材料进行了改进，使其在重返大气层时能够100%烧毁，但1.0版本星链系统仍然没有配置星间激光通信。至此，星链系统已基本完成LEO系统中星座1（由轨道高度为550km的1584颗星组成）的发射部署，下一阶段将开启星座2（由轨道高度为540km的1584颗星组成）的发射部署进程。
第18和31批次为极轨道卫星，倾角为97.5度，属于太阳同步轨道。第18批次的10颗卫星（于2021年1月24日由猎鹰9搭载发射）同时也首次配备了激光链路载荷，以验证星间激光链路的在轨性能。
第32~43批次卫星，增加了星间激光链路载荷，单星重量由1.0版本的260kg增至290kg。同时，自第32批次卫星开始，星链系统已开启第一期LEO系统星座2的部署进程。
2.1 卫星
截止2022年4月17日，已发射的2301颗星链卫星中在轨正常运行2097颗，失效204颗，良好率91.13%。在轨卫星空间分布如下：
图 2 在轨运行2097颗星链卫星空间分布
82%（1716颗）卫星已进入预定轨道（550km），其余（381颗）卫星大多处于轨道爬升过程中。轨道高度的分布如下：
图 3 在轨运行的2097颗星链卫星高度分布
2.2 信关站
截至2022年4月17日，星链系统已在全球部署共计150个信关站，主要分布在南北美洲、澳洲及欧洲，具体位置分布如下：
图 4 星链网络地面信关站部署分布图
由于当前星链网络并未实际开启星间链路服务，故该网络可服务范围以信关站附近区域为主。
2.3 终端
自2020年10月SpaceX开启星链互联网服务以来，至2021年11月，用户数增长至14万，用户月均增长量1.1万。据官网报道，2021年底，受硅芯片短缺的影响，SpaceX推迟了星链用户终端的生产，用户增长速度缓慢。2022年1月，SpaceX工程师杰西·安德森（Jessie Anderson）在网络广播中表示，星链服务在全世界25个国家拥有超14.5万名用户。2022年2月15日，星链公司总裁埃隆·马斯克在推特上公开发布，星链用户终端数量增长至25万。
在终端套件售价及服务费用方面，星链套件的现货价格已从499美元涨到549美元，而预约订单的价格则升至599美元。而星链每月服务价格从99美元涨到110美元。以此推算，SpaceX公司在现有用户基础上，可获得每年约3.3亿美元的服务营收，如市场接入客户不能在未来12个月超过200万（约合每个月增加12万到18万用户，显然，这存在不小的难度），距离达到公司运营的盈亏平衡还有较大差距。这也是星链公司积极向美国防部靠拢的主要动机之一，努力尝试各种提供战场信息链路保障服务的应用场景，以获得更多来自美国国防部的订单和资金。
星链卫星在轨运行，会使得卫星在阳照区与背阴区间不断穿梭。我们对轨道倾角为53度、97.5度、70度选择了三颗星链卫星（STARLINK-2143、STARLINK-3004、STARLINK-3090），针对其日照时间进行分析，如下所示：
图 5 星链在轨卫星接收光照时间分析
在2022年4月10日至17日的168h内，星链卫星STARLINK-2143的总日照时长为119.38h，比例为71.06%，平均每次日照时长为1.14h。倾角97.5度和70度的星链卫星总体日照比例略有差异，分别为65.21%、79.38%。值得注意的是，轨道倾角为70度的卫星STARLINK-3090其光照时长明显更大，很大原因在于其轨道高度为570km，而其余卫星均位于550km。
星链卫星单翼太阳能帆板展开尺寸为4×15米，如下所示：
图 6 星链在轨运行太阳能帆板图
经测算，在阳照区太阳直射时（即太阳入射角与帆板面垂直时）充电功率为12~15kW，考虑到星链卫星没有对日定向，在轨道运行过程中每圈光照角变化很大，预计平均充电功率为5 kW。
当前已发射星链卫星中以1.0版本为主，星上采用Ku、Ka载荷，1.5版本则增加了星间激光载荷。对1.0版星链卫星而言，在满负荷工作时用户链路和馈电链路总耗电1 kW来测算，则占据整星能源的14.21%（以STARLINK-2143测算）。较为充裕的星上能源，可为后续星间激光载荷及搭载光学、合成孔径雷达等载荷提供余量。星链卫星的星间激光载荷更多数据还有待跟踪、分析与研判。
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