Starlink星间激光链路应用的仿真分析

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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：

近日，SpaceX表示已在南极麦克默多McMurdo站开通星链服务，主要借助壳层3星座中已部署带有星间激光链路的184颗卫星实现。本文首先对星链发射及在轨情况进行仿真分析，进一步分析了在轨2987颗卫星各轨道壳层轨道面及面内相位的分布。经在轨数据的研判发现，壳层3每批次发射的46颗卫星用于填充1个轨道面，36颗工作卫星以10度间隔均匀分布在轨道面上，其余10颗卫星作为备用卫星。最后，以Starlink全球关口站、壳层3卫星辅以星间链、南极麦克默多站，仿真分析了该站经由星链网络回传地面信关站的时延与跳数。

1、 Starlink发射与在轨部署

截止2022年9月18日，SpaceX公司已累计发射62批共计3259颗Starlink卫星，在轨运行2987颗（不含2022.09.11发射的34颗星链卫星），良好率92.6%。

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：

图在轨2987颗Starlink卫星的轨道位置分布

几个轨道壳层部署情况的主要信息如下：

（1）轨道壳层1，在轨运行卫星1517颗，同一轨道面内前后卫星相位差20度，分布较为均匀的18颗卫星，同时部分轨道面上有备份卫星。轨道壳层1上卫星的RAAN分布如下：

图轨道壳层1的72个轨道面内卫星数量分布

（2）壳层2发射1批次共计51颗卫星，带有星间激光链路。发射代号为2021-082，表示全球2021年第82次发射任务，发射时间为2021年9月14日。51颗卫星在轨运行良好，已分散部署在轨道高度为570km的3个轨道面（RAAN间隔20度），面内卫星分别为15、18、18。轨道面间及面内分布如下图所示：

图轨道壳层2在轨卫星轨道面及面内相位分布图

（3）壳层3卫星分布详见第二部分。

（4）壳层4在轨运行卫星1232颗，累计发射26批次。其中，前1-16批次发射的762颗在轨卫星形成了轨道面RAAN间隔10度的36个面，后续发射卫星在现有轨道面基础上进一步加密，目标是形成最终间隔5度的72个面。如下所示：

图轨道壳层4在轨卫星轨道面及面内相位分布图

2、 Starlink壳层3部署分析

壳层3由560km轨道高度、97.6度倾角、6轨道面、58星每面共计348颗星组成。截止目前，壳层3已发射4批次共计184颗卫星，每批发射均为46颗，每批次卫星占据1个轨道面，卫星带有星间激光链路。所有卫星在轨运行良好，卫星轨道面间及面内分布如下图所示：

图轨道壳层3在轨卫星轨道面及面内相位分布图

第1和2批次发射的卫星距今有69、58天，卫星均已爬行至目标轨道高度560km，且已较为均匀分布在各轨道面上；第3、4批次发射卫星距今37、18天，尚处于轨道爬升中，当前卫星的轨道高度约500、380km，如下所示：

图轨道壳层3在轨卫星轨道高度分布图

对于2022-077批次发射的46颗卫星而言，36颗卫星前后相隔10度均匀分布在轨道面上，其余10颗备份卫星分布也较为均匀，最大程度的为运行卫星提供备份。

与之类似，2022-084批次的46颗卫星也较为均匀的分布在轨道面上，相邻卫星间相隔10度。两个批次卫星在轨道面内较为均匀分布、及前后建链方式如下所示：

图轨道壳层3第1-2批次卫星各自轨道面内的相位分布图

同轨道面内相邻卫星间相对运动较小，可维持稳定的激光星间链路。同轨前后相邻两颗星间的激光星间链路，在1h内的方位角、俯仰角、距离、链路相对速度如下所示：

图轨道壳层3在轨卫星同一轨道面前后卫星的星间链路动态性分析图

星间链路距离稳定在1204km左右，方位角始终与卫星瞬时飞行方向一致（即图中0度、360度），俯仰角稳定在-5度，星间链路相对运动较小（小于3m/s）。

3、 Starlink对南极麦克默多站通信服务分析

壳层3的大倾角（97.6度）卫星主要面向南北极高纬度区域的通信覆盖服务。本节以Starlink壳层3的在轨卫星、Starlink全球关口站及南极麦克默多站为场景，壳层3第1-2批次的卫星已爬升至预定560km高度，且分布较为均匀，具备星间稳定建链条件。

在此场景下，分析了麦克默多站通过接入壳层3的Starlink卫星、星间激光链路、星地馈电链路，最终回传信息落地的传输性能（可通时间、时延、跳数）。

总体场景如下所示：

图轨道壳层3卫星辅以星间链路为南极麦克默多站提供通信服务场景

麦克默多站借由Starlink实现信息回传地面的时延跳数变化如下所示：

图轨道壳层3卫星辅以星间链路为南极麦克默多站提供服务的时延跳数分析

可实现1h内无缝连续的100%通信服务保障，信息回传时延在45~55ms，跳数10~12跳。

4、 总结

本文主要对Starlink卫星在轨分布进行仿真分析，包括各轨道壳层的轨道面（RAAN）和面内相位（Phase）分布。对壳层3轨道分布的研究发现，同一轨道面内的36颗卫星前后相隔10度，具备稳定建链条件，其余10颗卫星较为均匀分布以作为备用。壳层3卫星辅以星间链路，可实现对南极麦克默多站的连续通信服务保障，后续将结合Starlink星间激光链路更多应用情况开展结果校准。