2022-09-21 16:08:31 来源:商业新知网
Starlink星间激光链路应用的仿真分析
(资料图片)
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。
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