StarLink卫星在轨生命周期的阶段划分探讨

摘要：

本文首先对星链卫星发射及在轨情况进行简要介绍，并对各壳层标称与实际构型进行总结分析；进而，对StarLink卫星在轨生命周期进行阶段划分，并结合19074AU等卫星进行实例分析；重点介绍了卫星爬升入轨、低轨临泊、工作备份备接替等过程。

StarLink卫星在轨生命周期的阶段划分探讨

文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、庄锦山、严文励、李志成（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在轨进展概览

1.1发射历程回顾

截止2023年7月22日，SpaceX公司已发射95批次共计4835颗StarLink卫星，历年发射批次及卫星数如下：

图1 StarLink卫星历年发射批次及卫星数统计

进入2023年以来的7个多月内，便实现了26批次卫星的发射，即平均每月发射3.9次（相当于每7.8天发射一批）。进一步对星链卫星发射部署速度进行分析，从2019年的每110天发射1次 提升至 2023年每7.8天发射一次，如下所示：

图2 StarLink卫星历年发射频次统计

1.2当前在轨分布

当前，在轨活跃卫星4428颗（不含最近发射两批次共69颗卫星），活跃率91.58%。

基于对在轨星链卫星长期跟踪和研判，已实现对星链现有壳层1至4的构型研判及编目能力，除却壳层1之外均具有星间链路；壳层5与6由于当前在轨数据尚不充足，待后续跟踪研判得出。

在轨活跃4428颗卫星，空间运行整体态势如下所示：

【视频：星链整体运行态势-20230722-1000.mp4】

各壳层发射卫星和在轨活跃卫星，及各壳层标称构型与研判分析对比，总结所示：

图3 StarLink卫星发射/活跃卫星数统计及构型标称研判对比

结合上表及研判信息，有如下结论：

（1）壳层1、4已实现星链整个星座的发射部署。相比标称的星座构型，结合对星链在轨卫星的研判分析，发现这两个壳层构型完全一致，均为1296颗星、72个轨道面、每面18颗星、相位因子45。

（2）壳层2与壳层3是当前一代LEO系统正在部署的星座。对于壳层2而言，已实现12个轨道面部署；对于壳层3而言，已实现5个轨道面的部署。据2023年7月16日报道，SpaceX公司发射了最后一批一代星链卫星，此处存疑，问题在于至少壳层3还差一个轨道面尚未补齐，后续将如何处理，待进一步跟踪研判。

（3）壳层5当前星座构型为：644颗星、28轨道面、每面23颗星、相位因子1，在轨运行高度568km。经与星链二代星座中标称的9个星座方案进行比对，尚未发现符合的参数，待进一步跟踪研判。

（4）壳层6发射的6批次共计123颗卫星，均为V2 Mini版本，尚不清楚其目标轨道和构型，待进一步跟踪研判。

2 Starlink在轨生命周期划分

2.1 在轨生命周期划分依据

星链卫星自星箭分离入轨至坠入大气层销毁，整个过程中会进行轨道爬升、低轨临泊、工作运行、工作备份接替等轨道变化历程。基于所有星链卫星至今发布的570余万条TLE数据，经持跟踪分析，对星链卫星轨道在轨生命周期进行阶段划分，主要如下：

• A阶段： 入轨调整，指星链卫星发射至首条发布TLE的时间段
  

• B阶段：轨道爬升，指星链卫星持续轨道高度升高的时间段

• C阶段：升轨临泊，指星链卫星在较低轨道高度持续稳定运行的时间段

• D阶段：工作运行，指星链卫星在预定工作轨道高度持续稳定运行的时间段

• E阶段：变轨调整，指星链卫星离开原工作轨道高度至再次回到工作轨道高度的时间段

• F阶段：轨道衰减，指星链卫星轨道高度持续降低的时间段

• G阶段：降轨临泊，指星链卫星在轨道衰减过程中，位于较低轨道高度持续稳定运行的时间段

• H阶段： 坠入大气层，指星链卫星末条TLE至该卫星decay的时间段

2.2 卫星19074AU轨道阶段划分

卫星19074AU，于2019年11月11日14时56分（国际协调时UTC时间）发射，是星链发射1.0版本的第一批卫星。基于该卫星所有历史TLE数据，其轨道高度变化如下：

图4卫星19074AU在轨生命周期的阶段划分

基于上图和在轨生命周期阶段划分方法，19074AU在轨阶段划分如下：

• A阶段：2019.11.11至2019.11.14
  

• B阶段：2019.11.14至2019.12.28

• C阶段：无

• D阶段：2019.12.28至2021.08.23、2021.09.01至2022.01.09

• E阶段：2021.08.23至2021.09.01

• F阶段：2022.01.09至2022.03.27

• G阶段：无

• H阶段：2022.03.27至2022.03.27

如下，对重点的B阶段、D阶段和E阶段进行详细分析。

（1）B阶段

该卫星自2019年11月14日至12月28日持续轨道升高，用时44天由299.6km爬升至552.6km，平均爬升速度5.8 km/day。此内容在前述文章中已有分析，不再详述。

（2）D阶段

自2019年12月28日至2022年1月9日，在轨运行743天（即2年零1周5天），期间值得关注的是在2020年12月轨道高度有调整，即由552km降低至550km。该事件在先前发文（《StarLink星座卫星入轨预测与仿真分析》）中已有涉及，此处不再赘述。

（3）E阶段

在上述长时间工作轨道运行期间，有一段非常小的变轨期，即E阶段。对该阶段轨道高度进行详细查看如下：

图5卫星19074AU与19074Q于2021年8月间的轨道高度变化分析

可看出，19074AU卫星在2021年8月23日开始主动升轨，轨道高度抬升超过2km，而后再次降轨，并于2021年9月1日重回550km轨道高度。

经查，该卫星于2020年12月13日进入壳层1轨道面号42相位号09的工作轨位（编目为：01-42/09W），于2021年8月23日轨道高度升高离开该工作轨位。通过升轨，轨道面内相位后移，重新调整至同轨道面内相位号08的备份轨位（编目为：01-42/08B）。

原相位号09的工作轨位，由卫星19074Q接替。经查，19074Q卫星原位于01-42/07B轨位，于2021年8月11日降低轨道高度，离开原备份轨位。通过降轨，轨道面内相位前超，于8月26日调整至01-42/09W轨位。

壳层1轨道面号42的星链卫星，2021年8月11日的轨道面内分布如下图：

图6 StarLink星座壳层1轨道面号42的卫星分布图（2021年8月11日）

壳层1轨道面号42的星链卫星，2021年8月31日的轨道面内分布如下图：

图7 StarLink星座壳层1轨道面号42的卫星分布图（2021年8月31日）

由上前后两个时间对比可看出：

• 19074Q：由01-42/07B备份轨位转为01-42/09W工作轨位；
  

• 19074AU：由01-42/09W工作轨位转为01-42/08B备份轨位。

需知，不同壳层的备份策略、备份位置及主备切换方案均不同，且不同批次间主备切换方案、不同时间段内主备切换频度也有差异。早前2022年4月份有关俄罗斯对星链实时电磁干扰事件，可通过2022年5月、6月内的主备切换频度远高于其余时间而得到佐证（该内容本文暂不细表，另见跟研报告）。

2.3 卫星19074AB轨道阶段划分

卫星19074AB，与19074AU卫星同一批次发射。该卫星整体轨道高度变化如下：

图8卫星19074AB在轨生命周期的阶段划分

针对典型的B、D、E等阶段，已结合19074AU卫星进行说明。本节重点针对19074AB卫星的C阶段展开分析。

C阶段：2019.11.23至2020.01.02

19074AB卫星于2019年11月23日不再爬升，而是停留在352.5km轨道高度进行临时停泊，整个期间持续40天。该内容，在首篇文章中即进行了说明，详见《Starlink星座卫星在轨实时跟进与分析》。

本文则进一步阐述为何将在此轨道高度内临时停泊40天。

星链壳层1由72个RAAN间隔5度的轨道面组成。整个星座部署过程中，为快速形成能力，采用分阶段实施方案：第一步，首先实现18个面的部署，每面RAAN间隔20度；第二步，在18个面两两之间再部署18个面，形成RAAN间隔10度的36个面；第三步，进一步加密，完成72个面的部署。

对19074批次的60颗卫星而言，主要分3组进行轨道爬升入轨，目标是完成第一步中的3个轨道面。要实现轨道面间20度的RAAN差，需充分利用不同轨道高度上二阶摄动项差异实现。

• 对552km轨道高度、53度倾角的卫星而言，其RAAN偏移量为每天-4.485度；
  

• 对352.5km轨道高度、53度倾角的卫星而言，其RAAN偏移量为每天-4.967度；

目标是实现20度的轨道面间隔，则需要在352.5km轨道高度多停留时间为：41.5天。与星链卫星实际轨道临时停泊40天，数据基本吻合。

3 总结

结合StarLink卫星大量历史TLE轨道数据，进行了星链卫星在轨生命周期的阶段划分。

以19074AU卫星为分析对象，重点介绍了整个过程中的壳层1构型调整、备份轨位转入工作轨位、工作轨位转入备份轨位、轨道衰减等过程。以19074AB卫星为分析对象，重点介绍了整个过程中低轨临泊阶段，解释了在较低轨道停泊的机理。

>End

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