前沿 | StarLink第一期星座发展历程及性能分析
文 | 刘帅军，徐帆江，刘立祥，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
自2016年11月15日SpaceX向FCC提交Starlink星座计划申请以来，SpaceX公司已先后3次提交修改申请，调整内容涉及星座规模、轨道高度、星座构型等参数。回顾如下：
SpaceX向FCC提交申请，发射和运营共计4425颗星座的StarLink计划，该申请已于2018年3月29日获得批准。（详细可参考FCC文件SATLOA2016111500118）所提交文件中表明的系统主要参数如下：
系统用户侧频率为Ku、馈电侧频率为Ka；
有星间链路；
轨道高度1110-1325km
空间段星座拓扑如下所示：
2018年11月8日，SpaceX提交第一次修改申请，旨在将1150km轨道高度调整为550km，该修改申请已于2019年4月26日获得批准（详细可参考FCC文件SATMOD2018110800083）。本次修改申请的主要内容如下：
总的星座规模由4425颗，调整为4409颗。
将原1150km的1600颗星，调整为550km的1584颗星。
同时，为使得本次修改可以被FCC批准，SpaceX在申请文件中也表明了其满足以下三个内容：
满足轨道碎片抑制要求
满足等效功率谱通量密度EPFD约束
保护Ka频段的固定业务
2019年8月30日，SpaceX提出第二次修改申请。据其描述是希望实现更为快速的部署，方法则是将轨道面由24个调整为72个，相应的每面卫星数由66降为22，保持总数不变。结合一箭60星发射能力，可实现一次发射填充3个轨道面（详细可参考FCC文件SATMOD2019083000087）。第二次修改申请相较前一次星座的变更如下表所示：
2020年4月17日，SpaceX提出第三次修改申请。进一步降低了卫星部署的轨道高度，具体而言是将原轨道高度1110-1325km的卫星降低至540-570km（详细可参考FCC文件SATMOD2020041700037）。调整后系统主要参数如下所示：
卫星总数由4409，调整为4408
轨道高度位于：540-570km之间
共计190个轨道面
修改前后星座的主要区别如下表所示：
同时，也需注意的是，星间链路仅第一次申请文件中提及了，之后3次修改申请中都未提及星间链路的事情。
自2019.05.24发射第一批次StarLink卫星以来，截止2020.09.04SpaceX共计进行了12次发射。其中，第1~8次和第12次发射都是一箭60星，第9-11次发射分别是一箭58、57、58星。关于历次发射时间和卫星代号等信息，如下表所示：
表1：StarLink卫星发射时间表
注1：发射时间指北京当地时间，即国际协调时UTC+0800；
注2：本文对在轨卫星分析的数据参考时间为2020.09.04-1500.
第12批卫星由于发射日期较近，尚未获得公开的在轨数据；而前11批共计653颗卫星中，已有12颗失效，故本次统计分析的对象为641颗StarLink在轨卫星，空间分布如图1和图2所示：
图1 StarLink卫星在轨分布
图2 StarLink卫星在轨高度及升交点赤经RAAN分布
其中，图1中颜色相同的卫星表示同一批次发射。由图1和图2可看出，StarLink卫星已较为均匀，且已完成首要目标的18个等间隔轨道面，即图中18条黑色竖直虚线所示。后续将星座的部署加密，即在18个轨道面之间再加一个轨道面，且当前已完成4/18。至此，StarLink星座已完成约22个面的部署，总计进入预定轨道的为421颗，卫星高度统计如图3所示：
图3 StarLink卫星在轨高度分布
可看出，已工作在预定550km轨道高度的卫星有421颗，占比66%，其他绝大多数卫星均处于轨道爬升过程，部分卫星已低于300km（接近失效）。各批次发射的卫星在轨高度如图4所示：
图4 StarLink卫星在轨高度分批次统计
由图4可知，第一批次所有卫星均低于540km，多数卫星（36颗）已低于300km，作为该StarLinkDemo版本，几乎所有的卫星都无法维持在轨运行了。相比而言，作为正式版本的第2~7批次卫星基本已全部进入预定轨道，由表1可知，该6个批次中最晚的第7批次距今也有134.5天了，诚如先前（05.24发文）文章中所述，自发射之日起大约126天便可全部进入预定轨道，再次印证此点。
对于第8~11批次卫星而言，远如第8次发射距今也仅有92.2天，结果便是约2/3卫星（37颗）进入预定轨道，而第9次和第10次约1/3卫星（18颗、19颗）进入预定轨道，与先前所分析结论基本吻合，下一节进行更为详细的轨道爬升过程分析。
对发射的共计11批次StarLink卫星自发射之日起至今（时间跨度：469.2天，约为1年零3月14天）的轨道高度变化过程进行分析，结果如下图所示：
图5 StarLink卫星轨道变化过程
由图5可靠出，StarLink星座在部署进度方面明显加快，同时也可看出各批次卫星的轨道爬升过程非常有序（除却第一批次的Demo版本）。
图6为第2~11批次卫星从各自发射之日起经历时间与轨道高度的变化关系，如下所示：
图6 第2~11批次StarLink卫星自发射之日其轨道变化过程
由图6可知，（1）该10批次卫星均分为3组进行爬升，分别于50天、96天、134天后进入预定轨道；（2）轨道爬升的速度较先前有所变化，慢的如5.9km/day，快的达6.9km/day（爬升较快的卫星中包括后续批次发射的，也包括早期批次发射而第三组爬升的）。图中亦可得出关于其他方面诸多结论，欢迎大家交流与讨论。
StarLink星座自发射之日起，一方面随着发射批次增多使得在轨卫星数量增多，另一方面随着卫星爬升进入预定轨道也使得在轨卫星更为均匀的分布。上述两个因素，均提升了网络的覆盖与服务能力，也是SpaceX实现2020年内对北美区域提供服务的必经途径。
本部分通过对自首批发射至今的所有历史数据为分析对象，分析了北美端到端业务时延与可用性随时间推进的变化趋势（事实上，除却时延与通信可用性方面的性能变化，在覆盖、切换与容量等方面，也可预期会有诸多规律可探索，限于篇幅此文不述）。关于整体仿真场景及流程，与先前文中分析方法基本一致。自首批StarLink发射之日起，以15天为间隔，分析了距今共计33个离散时间点上的性能，纽约到西雅图通信端到端可用性如图7所示：
图7 StarLink星座全周期端到端通信可用性分析
由图7可看出，随着历时1年多的发展，StarLink星座对于满足北美端到端通信可用性有了显著提升。该变化趋势基本上与历次发射时间呈正相关性，即图中12条竖直虚线所示的发射日期。第二批次StarLink1作为第一个正式版本，将通信可用性由5%左右提升至约20%。自2020.01.06第三批次之后，通信可用性便呈现近乎直线上升阶段，再用时5个月时间，至2020.06.03已达到90%。时至今日，已实现98.8%通信可用性。
此处，有必要对在05.20、06.24发表的两篇文章中的数据进行说明。即，05.17时间点得出的59%通信可用性、06.22时间点得出的77.6%通信可用性，与本次仿真中通信可用性（由图7可知约为85%、95%）有出入。原因在于，前两次端到端通信可用性并未优化站星接入策略，而本次是采用优化的站星接入策略后所做的。优化站星接入策略的目的是，最大程度保障端到端的业务。
端到端往返时延（RoundTrip Time, RTT）的分析结果如图8所示。
图8 StarLink星座全周期端到端往返时延RTT分析
由图8可看出，北美纽约到西雅图之间平均RTT由42.0ms降为39.5ms，时延方面的性能也有所提升。前文中已做过分析，StarLink在轨卫星数量增加及更为均匀分布，第一目标不再是降低时延，而是提升可建立通信服务的时间占比，即保证100%可用度才是第一目标。而这个方面性能也确实获得了明显提升，在分析图7时已指出。
本文对StarLink第一期星座为研究对象，对该星座的提出、修改进行整理和概述，并对在轨卫星分布及历史轨道爬升过程进行分析，最后也通过时间线的方式给出1年多来的性能提升过程。总结而言，大致有如下结论：
（1）SpaceX于2016.11.15提交StarLink第一期星座申请，由轨道高度位于1110-1325km的4425颗卫星组成；其后SpaceX提交了三次修改申请，对星座规模、轨道高度、星座构型等进行修改，最终确定为轨道高度位于540-570km共计4408颗卫星。
（2）分析StarLink在轨分布及轨道爬升过程，通过结合共计6个批次正式版本的轨道爬升过程分析，发现轨道爬升速度由先前5.9km/day，提升至现在的6.9km/day。
（3）结合StarLink星座在轨卫星自发射至今的历史数据，分析了北美端到端业务时延与可用性随时间的变化趋势，时至今日已可实现特定区域端到端98.8%通信可用性、39.5ms往返时延，与地面光纤网络时延相当。