北京時間5月25日，SpaceX獵鷹9號火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的40號臺發(fā)射，成功將星鏈計劃(Starlink)寬帶衛(wèi)星艦隊的前60名成員送到了軌道。

　　60顆小型衛(wèi)星，每顆都采用平板、單太陽帆板設計，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)絡的初步星座。最終，SpaceX可能會推出數(shù)千顆Starlink衛(wèi)星，為全球消費者提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務。

　　宏宇公司太空網(wǎng)(ViaSpace.cn)將通過本文對Starlink的小衛(wèi)星及其功能特點和由它組成的星座網(wǎng)絡進行幾個方面的分析和展示。

　　一個龐大系統(tǒng)的能力通?？梢苑譃閮蓚€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，也就是整個衛(wèi)星網(wǎng)絡的能力和性能。識別下方二維碼在太空網(wǎng)上快速查看衛(wèi)星各個分系統(tǒng)的介紹以及整個Starlink網(wǎng)絡系統(tǒng)的實時運行情況。

　　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計，能夠適應高容量集群發(fā)射。衛(wèi)星有幾個極為先進的系統(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)，可以實現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)量發(fā)送和轉發(fā)，比常規(guī)容量通信衛(wèi)星成本低一個數(shù)量級。

二、單個太陽能電池陣

　　星鏈衛(wèi)星采用單個太陽能電池陣設計，極大的簡化了系統(tǒng)，太陽能電池采用標準部件，簡化了制造和集成過程。

三、氪離子推進系統(tǒng)

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

四、星敏感器

　　利用內部定制的導航傳感器測量衛(wèi)星姿態(tài)，有助于穩(wěn)定姿態(tài)，實現(xiàn)寬帶吞吐量的精確設定。 

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動量輪系統(tǒng)配合離子推進系統(tǒng)來實現(xiàn)自動規(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的機率，讓衛(wèi)星在一個可靠的無碰撞的空間環(huán)境中穩(wěn)定運行。

　　宏宇公司太空網(wǎng)同樣擁有這樣的系統(tǒng)來支持國內星座系統(tǒng)來實現(xiàn)自主太空碰撞規(guī)避。具體技術流程如下圖所示：

　　地面系統(tǒng)預報星座衛(wèi)星軌道，并檢索空間目標數(shù)據(jù)庫（在軌大約20000個目標），篩選潛在碰撞目標，計算碰撞概率，將高預警碰撞時刻和軌道控制上注衛(wèi)星。衛(wèi)星利用四個互相垂直的動量輪加速或減速運動改變衛(wèi)星姿態(tài)，配合離子推進發(fā)動機抬高或降低衛(wèi)星軌道，完成規(guī)避。規(guī)避完成后再次機動返回標稱軌道。地面碰撞檢測完全由計算機自動化完成，定時計算，自動上注，完成主動規(guī)避。

 　　基于空間碎片規(guī)避，太空網(wǎng)也正在研究更先進的規(guī)避技術。目前激光點云技術運用在地面場景識別和重建、無人機碰撞檢測等方面已經(jīng)比較成熟。我們正在研究在衛(wèi)星上使用激光點云技術，通過星上計算機實時解算模塊實現(xiàn)衛(wèi)星在軌主動規(guī)避。 

 　　接下來說一說星鏈衛(wèi)星的軌道高度的設計理念。

通信延遲

 　　首先需要考慮的是高帶寬通信衛(wèi)星的通信延遲問題，對于延時要求高的衛(wèi)星都不能采用高軌道設計。如果采用地球同步軌道，~36000km高度，地面通信不考慮轉發(fā)器延時，信號來回就是72000/光速=240毫秒。這樣的延時在實時通信中是不能被接受的。帶寬越大、實時性要求越高，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，不考慮轉發(fā)器延時，信號傳播延時為6毫秒。所以低軌設計對通信十分有利。

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。這些空間目標經(jīng)過太空網(wǎng)(ViaSpace)目前在線數(shù)據(jù)庫查詢共計19638個。為滿足空間環(huán)境監(jiān)管以及行業(yè)標準，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)去年曾成功計算和預測天宮一號的再入時間。針對星鏈衛(wèi)星軌道高度太空網(wǎng)也做了相應計算和分析，在考慮不同姿態(tài)和太陽光壓輻射影響下，星鏈衛(wèi)星在壽命終止后將通過1-5年的時間再入大氣層，如果在壽命終止之前使用氪離子發(fā)動機協(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間。

星座組網(wǎng)情況

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

　　另外太空網(wǎng)手機APP看衛(wèi)星VSAT^?也支持手機端查看這些低軌5G通信星座查看功能，通過AR功能查看低軌通信星座實時位置、方位、過頂?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，標稱550km軌道高度。

　　在太空網(wǎng)(ViaSpace)平臺中查找編號為BE的星鏈衛(wèi)星，設置天線范圍半錐角，可以計算得出天線覆蓋范圍是64萬平方公里。

　　而河北省面積是18.7萬平方公里，所以一顆星鏈衛(wèi)星的覆蓋面積基本上相當于三個半河北省面積。如下圖所示。

　　此次發(fā)射的60顆衛(wèi)星位于同一個軌道面內，數(shù)天后會均勻分布在此軌道面，形成對地面的連續(xù)覆蓋，保障通信的不間斷。另外SpaceX將發(fā)射6組共計360顆星鏈衛(wèi)星，完成特定區(qū)域的最小通信覆蓋，這樣勢必就會對星間鏈路提出要求。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，單顆星覆蓋范圍會更小，因此會需要更多的衛(wèi)星組網(wǎng)。登錄太空網(wǎng)(ViaSpace)可以查看不同波段天線對地覆蓋的情況，進而了解星鏈計劃在未來如果采用Ka或V波段通信需要增加衛(wèi)星來滿足覆蓋的需求。

　　如需了解更多5G通信星座內容、星座設計分析及設計驗證等精彩資訊請訪問太空網(wǎng)(ViaSpace.cn)查看。