从专利看“星链”卫星星座构型及星箭分离方案

王琦 陆峰

（1北京跟踪与通信技术研究所 2航空工业信息中心）

太空探索技术公司（SpaceX）“星链”（Starlink）计划组网发射启动以来，已成功发射“星链”卫星千余颗。本文通过分析SpaceX公司在低轨通信卫星星座领域申请的专利文献，对“星链”星座构型技术方案和星箭分离核心技术理念进行解析，形成低轨通信卫星星座的相关技术启示；同时阐述宏观专利技术分析和深度专利技术分析的方法和价值。

1 引言

SpaceX公司“星链”计划已获批的卫星星座分三期构建：I期发射1584颗卫星完成初步覆盖；II期发射2825颗卫星完成全球组网；III期发射7518颗卫星组成极轨卫星星座，提供信号增强和更有针对性的服务。

“星链”卫星星座轨道数据表

由于“星链”计划III期7518颗卫星的轨道申请参数仅包含轨道高度、倾角和数量分布，“一箭60星”星箭分离信息也仅限于公开报道的卫星组合体照片和星箭分离实况录像，通过检索分析SpaceX公司在该领域申请的专利文献，可另辟蹊径地了解“星链”卫星星座构型更多技术细节以及星箭分离基本方案，启发国内相关技术研发。

2 从专利看卫星星座构型方案

2020年11月24日，SpaceX公司取得一项名为“卫星星座”（Satellite Constellations）的专利，其说明书列出一个卫星星座实施案例，其轨道高度、倾角及相应卫星数量信息与已获批的7518颗卫星精确一致，该方案与“星链”III期极轨卫星星座构型方案一致的可能性较高。

低轨通信卫星星座通常采用数个近极地轨道平面、倾斜轨道平面卫星族组合的方案，以满足全球覆盖和中低纬度区域重点覆盖的需求。“星链”计划已公开的轨道申请信息表明，其I期和II期星座构建采用此方案。在III期星座构建上，该专利提供了一种对地覆盖更为高效的低轨通信卫星星座构型方案[1]：改变基于卫星轨道平面设计星座的传统思路，转为针对卫星地面轨迹进行星座设计；星座由数个同步地面轨迹卫星族组成；卫星族中每个卫星位于不同的离散轨道平面，但其地面轨迹相同，且第一颗卫星与最后一颗卫星首尾相邻接，形成围绕地球运动的“蛇形（波浪形）”连续闭环路径；各卫星族升交点对赤道以相同速率漂移，从星座看向地球，各卫星族彼此锁定、整体相对地球不动或以固定速度转动。

此方案对2000km高度以下卫星星座均可应用。专利说明书列出335～346km高度的7518颗卫星星座对地通信覆盖分析显示，美国本土通信可用卫星平均数量除少数区域优于4颗外，其余均优于6颗[1]（卫星天线张角±40.5°，地面天线张角±46.8°）。

方案主要具备以下优势：①通信覆盖性能更好。各卫星族的轨道倾角、回归周期、交错关系可按需灵活设计和组合，使用较少数量的卫星可实现相同或更好的地面覆盖性能。②轨道申请易于通过。支持在轨道高度差200km范围内，构建巨型低轨通信卫星星座，轨道申请更易于通过美国联邦通信委员会（FCC）的审批。③卫星设计易于统一。轨道高度相近的卫星空间运行环境较为一致，卫星设计易于统一，批产成本易于降低。④星间链路运行管理简单。每颗卫星与四个方向相邻卫星间的位置关系确定且呈周期性变化，可推断其星间链路建链、路由规则简单明确，更适合实现巨型卫星星座星间链路自主网络规划管理。

此外，2019年10月SpaceX公司补充申请30000颗卫星，根据其轨道高度、倾角的公开数据判断，采用这一方案的可能性较大。

3 从专利看星箭分离基本方案

2020年11月19日，SpaceX公司取得一项名为“航天器供配电系统自主激活”（Pre-deployment Battery Power Conservation for Spacecraft）的专利，专利说明书列出一个实施案例，结合星间分离过程说明了航天器供配电系统自主激活的方法，可作为“星链”卫星星箭分离方案的参考信息。

在星箭分离方案方面，该专利文件提供的以下信息值得关注[2]：扁平形状的卫星分成两堆，沿着一种竖直的特殊锁定装置分层堆叠排列；卫星不再通过包带与火箭连接以获得供电，而是使用极低功耗的低成本真空检测装置，当检测到卫星到达120km高度时，卫星供配电系统自主激活，由节电状态转入正常供电状态；火箭到达卫星分离位置后，由特殊锁定装置释放卫星，各卫星靠自旋的微小速度差自然分离并逐渐散开。

方案具备以下优势：①箭内空间利用率高。采用新型锁定结构，分层堆叠排列卫星，相比于传统筒形卫星适配器壁挂卫星的方式，充分利用了整流罩内的空间。②星箭电气接口充分简化。取消星箭间的供电包带，利用低成本真空检测装置实现卫星供配电系统的自主激活，降低了射前卫星测试组装的成本和复杂性，也降低了多星分离相互干扰的风险。③多星分离碰撞风险小。不使用分离机构，靠微小速度差被动式分离卫星，降低了多星分离碰撞的风险。

4 启示

关注巨型低轨星座设计思想和技术方案

“星链”卫星堆叠装载入整流罩

“星链”巨型低轨通信卫星星座的建设目标是将地面高速通信网络映射至空间，其设计思想并不是基于传统低轨通信星座方案进行量的累加，而是充分考虑星座覆盖性能的确定性、轨道申请的可行性、设计成本的最小化、网络运行的简单化、服务对象的多样性等因素，放弃传统星座构型技术理论，面向解决巨型低轨通信星座的服务效果、经济成本、轨道资源、运行管理等实际问题进行新型星座构型设计。其顶层设计抛弃传统轨道设计技术、面向实效进行技术创新的理念值得借鉴，该星座构型方案值得进行专业分析。

借鉴“一箭多星”发射核心设计理念

“猎鹰”（Falcon）系列运载火箭出色的运载能力和低廉的成本，是保障“星链”卫星轨道部署的重要条件。虽然当前运载火箭的技术水平和商业化运用处于加速发展中，但尚未激发服务于一箭数十星发射的技术革新。“星链”卫星“一箭60星”发射中，卫星堆叠放置、星箭电气接口简化、多星被动式分离的设计理念，值得相关技术领域借鉴。

5 专利技术分析的价值及其在航天领域的运用建议

专利信息分析以专利文献为依据，采用各种定量及定性的分析方法，对分立的专利信息进行分析，挖掘专利信息中的客观真相和规律性内容，从而对特定技术、特定领域或者行业做出趋势预测等，生成指导决策的重要依据[3]。

宏观专利技术分析采用以专利分析人员为主、技术人员为支撑的合作模式，按技术特征归并专利文献并使其有序化，实现对技术路线和发展方向的研判。深度专利技术分析是正在探索中的新型专利技术分析方式，采用以技术人员为主、专利分析人员为辅的合作模式，注重专利的精准选择和技术内容的深度分析，发掘技术研发核心方案。深度专利技术分析基于某一技术方向宏观专利技术分析的结果，在情报人员和专利分析人员的支撑下，由专业技术人员判断核心专利发明人的重点专利，对专利文献中技术背景、技术方案、解决问题、实施案例等进行理解分析、初步验证和应用转化，为相关技术难题提供技术解决方案参考。对SpaceX公司的核心专利进行技术分析，提炼低轨通信卫星星座构型及星箭分离的技术方案，是深度专利技术分析在航天领域的实践。

专利技术分析在高新技术集中的航天领域有显著价值。宏观和深度专利技术分析在航天关键技术领域需结合运用和推广。宏观专利技术分析提供航天关键技术路线和发展态势信息，对顶层规划者进行技术发展路线决策有支撑价值。深度专利技术分析提供航天先进技术解决思路和技术方案信息，对启发实施层研发人员进行二次开发或自主研发，有更为直接的促进作用。