基于STK的Starlink星座覆盖仿真分析

李元龙,李志强

(1.国防大学研究生院,北京 100091;2.国防大学联合作战学院,北京 100091)

美国太空探索计划公司(SpaceX)于2015年提出“星链计划”,计划向太空近地轨道发射1.2万颗通信卫星,从而组成星链网络，提供高质量互联网服务,其中，第一阶段1 584颗星链卫星将首先部署于高550 km处的近地轨道上。2019年，SpaceX公司又提交申请,准备追加3万颗星链卫星,“星链计划”卫星数量总计约4.2万颗[1]。

为研究目前星链星座对地球的覆盖情况,本文利用卫星仿真工具包(STK)的卫星仿真和覆盖分析模块功能,根据公布的星链卫星轨道参数,模拟建立星链星座,对地球北纬70°至南纬70°之间区域的覆盖情况进行仿真分析。

1 STK软件简介

STK(Satellite Toolkit,卫星仿真工具包)是美国通用人工智能AGI公司开发的、世界航天领域最先进的商品化仿真分析软件,虽然是从基础的航天与卫星领域起步,但是经过几十年的发展和完善,现在已能够全面支持对复杂陆、海、空、天、电一体,覆盖航天宇航飞行控制、空间环境、卫星、雷达、通信、导航、电子对抗、导弹、空间飞行器、深空探测等与基础航天动力学相关的所有领域仿真分析与评估。除了基本航天卫星领域应用外,STK软件也能够全面支持航空航天、雷达、通信、电子对抗、红外光电、导弹设计与分析以及体系级的信息对抗的仿真分析等,且能够为各种仿真结果提供各种形式的分析报表,并可以在多维空间中根据用户需要进行直观可视化显示。因此，STK是一款十分适用于星链星座仿真分析的强大系统分析软件，已有众多学者基于STK对各星座系统进行了建模分析。徐志勇[2]利用STK对航天器霍曼转移做了透彻分析;王欣蕊[3]利用STK对北斗卫星导航系统的星座设计以及卫星可见性等方面进行了详细的仿真分析;倪育德[4]等人利用STK对北斗卫星导航系统BDS星座的可见星数及几何精度衰减因子进行了仿真研究;徐俊[5]等人利用STK对不同Walker星座进行了仿真分析,形成了侦察卫星星座与轨道方案。

2 “星链计划”设计与部署

2.1 “星链计划”部署情况

“星链计划”是2015年SpaceX公司提出的互联网星座项目,目的是提供高质量的卫星互联网服务,建设计划分为两步,即首先实现覆盖美国本土全境后，再实现全球覆盖,建设工期初步分为三期。表1是“星链计划”建设计划表。

表1 “星链计划”建设计划表[6]

第一阶段将1 584颗Ka/Ku频段卫星部署于22个550 km、倾角53°的轨道面上;第二阶段分四步部署2 825颗Ka/Ku频段卫星实现全球组网,第一步将1 600颗Ka/Ku频段卫星部署于32条1 100 km、倾角53.8°的轨道面上,第二步将400颗Ka/Ku频段卫星部署于8条1 130 km、倾角74°的轨道面上,第三步将375颗Ka/Ku频段卫星部署于5条1 275 km、倾角81°的轨道面上,第四步将450颗Ka/Ku频段卫星部署于6条1 325 km、倾角70°的轨道面上;第三阶段分三步部署7 518颗V频段卫星,第一步将2 493颗卫星部署于335.9 km、倾角42°的轨道面上,第二步将2 478颗卫星部署于340.8 km、倾角48°的轨道面上,第三步将2 547颗卫星部署于345.6 km、倾角53°的轨道面上[8]。在2019年SpaceX公司又提交申请准备为“星链计划”追加3万颗第二代星链卫星,部署于328 km～580 km轨道上,最终数量总计约4.2万。

截至2022年4月21日,SpaceX公司累计发射1批测试星2颗、1批0.9版星链卫星60颗、28批1.0版星链卫星1 678颗(包括2批极地轨道卫星)、13批1.5版星链卫星651颗(包括3颗1.5版原型卫星),共计发射2 388颗星链卫星,目前在轨2 150颗，空间操作2 120颗，正式运营1 683颗，脱轨32颗,失效主动再入238颗。

2.2 星链卫星参数

星链卫星属于小卫星,单颗卫星重量仅约260 kg,防辐射结构较差,卫星寿命仅5～7年,因其本身质量小，只能搭载约100 kg的有效载荷,采用独特紧凑平板型设计，实现一箭60星发射[9]。星链卫星底部携带4套相控阵天线系统,采用单个太阳能电池阵设计,利用内部定制的导航传感器测量自身姿态。星链卫星是第一个采用氪离子推进系统的航天器,为了减少与其他航天器发生碰撞事故,星链卫星搭载自主碰撞规避系统,能够读取太空航天器及在轨碎片运行数据,利用自身携带的四个动量轮系统，配合氪离子推进系统,从而实现自主避碰。根据官方给出的星链卫星Ku波段天线覆盖角度,部署初期可能仅有25°,但最终会提高到40°半锥角[10]。图1为星链卫星在轨道高度550 km、覆盖角度40°的覆盖示意图。

图1 星链VLEO星座与LEO星座覆盖示意图[11]

3 星链星座覆盖仿真与分析

从2018年2月22日发射两颗测试卫星至2022年4月21日发射第13批1.5版星链卫星,“星链计划”以年均约1 000颗卫星正在部署中,星链卫星版本也从0.9版、1.0版发展至1.5版,因此，以部分选定地点地域作为研究重点,仿真研究目前星链星座整体覆盖情况,有利于认识当前“星链计划”发展情况,评估当前“星链计划”应用能力,预测未来“星链计划”应用潜力。

3.1 星链星座仿真建模

3.1.1 建立场景

根据星链卫星轨道高度特点,仿真时长设置为一天可以保证每颗卫星基本实现回归的效果。故设置Analysis Period(仿真时间)为“25 Apr 2022 04:00:00.000 UTCG”至“26 Apr 2022 04:00:00.000 UTCG”,如图2所示。

图2 仿真时间设置

3.1.2 添加星链卫星对象

根据AGI官方网站公开数据,下载公开的星链卫星.TLE 文件,插入仿真场景中,构建星链星座运行模型,如图3所示。因星链卫星寿命较短,且防辐射能力较低,例如，2022年2月3日，从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射的49颗星链卫星中,有40颗受到地磁暴影响于次日坠毁,故仿真中仅考虑公开且正常运行的星链卫星(包括尚未正式运营的星链卫星),共计2 090颗。

图3 星链星座覆盖模型

根据官方给出的星链卫星Ku波段天线覆盖角度,部署初期仅有25°,但最终会提高到40°半锥角,考虑仿真分析的前瞻性和预测性,故在仿真中将所有星链卫星天线覆盖角度均设置为40°。给所有星链卫星添加传感器,设置Sensor Type(传感器类型)为 “Simple Conic(简单锥体)”、Cone Half Angle(圆锥角定义)为“44.85deg”,如图4所示。

图4 星链卫星天线覆盖模型

3.1.3 添加覆盖定义对象

添加覆盖定义对象,设置覆盖分析的边界为“Latitude Bounds(维度边界)”,数值为北纬70°至南纬70°,设置覆盖计算的点的精度为“Lat/Lon(经纬度)”,数值为“2deg”,在Assets(资源)中利用Assign(关联)功能按钮建立所选对象与覆盖分析对象的关联,将所有卫星的传感器状态设置为“Active(活动)”。最后，进行访问计算,计算完成后，北纬70°至南纬70°之间产生可供分析的参考区域和参考点,如图5所示。

图5 覆盖定义对象模型

3.1.4 添加覆盖品质参数对象

为覆盖定义对象添加覆盖品质参数对象,将其类型设置为“N ASSET COVERAGE”,并将覆盖品质参数对象的“满足条件”的“Enable(有效性)”设置为“ON”。

3.1.5 设置选定地点地域

利用栅格检查器,选定指定参考区域及参考点作为仿真分析研究重点。

本研究选定北纬51.53°～35.97°和34.03°～18.47°两个维度范围的四个区域,以及四个具有代表性的地点作为具体分析的对象,图6为美国东部(RegionID:111)、中国东北部(RegionID:105)、黑海地区(RegionID: 102)、第一岛链区域(RegionID:89)四个仿真研究区域,以及华盛顿附近(37.92°,281.43°)、北京附近(39.86°,115.71°)、基辅附近(49.58°,30.00°)、中国台湾(24.31°,121.11°)分别位于四个仿真研究区域内的地点(经纬度按照STK中格式书写)。

图6 仿真区域

3.2 覆盖仿真结果分析

3.2.1 全球覆盖情况

本文将星链星座分为三个阶段进行覆盖仿真研究。第一阶段为2021年前的星链星座,第二阶段为发射1.5版星链卫星前的星链星座,第三阶段为目前的星链星座。

从图7覆盖模型能够发现,0.9版、1.0版星链卫星覆盖区域在北纬60°至南纬60°之间,1.5版星链卫星逐渐开始覆盖两极地区,星链星座覆盖密度逐渐提高。

图7 星链星座全球覆盖模型

从图8Coverage By Latitude(纬度覆盖图表)可以分析星链星座对仿真区域内不同纬度的覆盖时间比例。2021年之前星链星座在北纬30°～53°和南纬30°～53°两个区域覆盖率可达90%以上,而在1 678颗1.0版星链卫星全部部署之后,星链星座在北纬53°至南纬53°之间覆盖率明显提升,达到100%的覆盖效果,但两极地区无法覆盖。1.5版星链卫星开始部署之后，星链星座覆盖区域开始向两极拓展,覆盖率逐步提升。

图9Value By Latitude(纬度报告)分析了星链星座对不同纬度覆盖的星链卫星数量的最小值、最大值和平均值。

图9 星链星座覆盖重数随维度变化曲线

星链星座在南北纬53°左右实现了最优覆盖,最大覆盖重数从13增加到18，再增加到33,平均覆盖重数从11左右增加到16左右，再增加到26左右;中低纬度地区(南北纬30°之间)覆盖重数明显小于其他纬度地区,其最小覆盖数量从4增加到5，再增加到8,平均覆盖重数由5左右增加到7左右，再增加到目前的13左右,星链星座在北纬53°至南纬53°之间整体覆盖重数提升明显。

3.2.2 选定地点地域覆盖情况

1)美国东部地区覆盖情况

从图10GI Region Full Coverage(完全区域覆盖图表)可以分析，得出星链星座对美国东部地区内所有点完全覆盖的时刻。在2021年之前,星链星座已经在一天中不少时刻能够实现对于美国东部地区所有点完全覆盖,但完全覆盖时间不连续。在部署完成所有1.0版星链卫星之后,星链星座一天中仅有部分较短时刻无法实现完全覆盖,整体完全覆盖时间连续,在1.5版星链卫星部署之后,星链星座对美国东部地区完全覆盖时间更长，更加连续。

图10 美国东部地区完全覆盖时刻表

从图11GI Region FOM(区域覆盖品质参数图表)可以进一步分析，得到星链星座对美国东部地区内各点进行覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值,可评估其对该区域整体覆盖能力。2021年之前,星链星座对该区域内的部分地区常常出现无法覆盖的时刻,对部分地区最大覆盖卫星数为11颗,全天平均覆盖卫星数量仅在3颗左右。在1.0版星链卫星部署完成之后,星链星座已经基本能够实现24小时全覆盖,对部分地区最大覆盖卫星数为16颗,全天平均覆盖卫星数量6颗左右。在1.5版星链卫星部署之后,星链星座对部分地区最大覆盖卫星数达24颗,全天平均覆盖卫星数量8颗左右。

图11 美国东部地区覆盖卫星数

从图12GI Point Coverage(点覆盖图表)可以分析星链星座对华盛顿附近覆盖的时刻,评估其对该点整体覆盖能力。2021年前，星链星座已经有不少时刻能够实现覆盖,但还没达到24小时全覆盖。在1.0版星链卫星部署完成之后,星链星座已经能够实现对华盛顿附近24小时完全覆盖。

从图13GI Point FOM(点覆盖品质参数图表)可以进一步分析星链星座对华盛顿附近覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值,评估其对该点覆盖能力。2021年前，星链星座对华盛顿附近最大卫星覆盖数是6颗,有无法覆盖情况,平均覆盖卫星数在2颗左右。1.0版星链卫星部署之后,星链星座对华盛顿附近最大卫星覆盖数是7颗,最小卫星覆盖数1颗,平均覆盖卫星数在4颗左右。在1.5版星链卫星部署之后,星链星座对华盛顿附近最大卫星覆盖数是14颗,最小卫星覆盖数1颗,平均覆盖卫星数在5颗左右。

2)中国东北部地区覆盖情况

从图14GI Region Full Coverage(完全区域覆盖图表)可以分析星链星座对中国东北部地区内所有点完全覆盖的时刻。

图14 中国东北部地区完全覆盖时刻表

从图15GI Region FOM(区域覆盖品质参数图表)可以分析星链星座对中国东北部地区内各点进行覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值,评估其对该区域整体覆盖能力。中国东北地区与美国东部地区属于同一纬度范围,覆盖情况基本相同。

图15 中国东北部地区覆盖卫星数

从图16GI Point Coverage(点覆盖图表)可以分析星链星座对北京附近覆盖的时刻。从图17 GI Point FOM(点覆盖品质参数图表)可以分析星链星座对北京附近覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值,评估其对该点覆盖能力。北京附近与华盛顿附近纬度接近,星链星座对于北京附近覆盖情况同华盛顿附近覆盖情况相似。

图17 北京附近覆盖卫星数

3)第一岛链地区覆盖情况

从图18GI Region Full Coverage(完全区域覆盖图表)可以分析星链星座对第一岛链地区内所有点完全覆盖的时刻,评估其对该区域整体覆盖能力。该区域比美国东部区域纬度低,星链星座在2021年之前仅有部分时刻能够实现对于该区域全覆盖,但在1.0版星链卫星全部部署之后,星链星座实现对该区域全覆盖的时刻大大增加。1.5版星链卫星开始部署之后,星链星座对该区域实现全覆盖的能力进一步增加。

图18 第一岛链地区完全覆盖时刻表

从图19GI Region FOM(区域覆盖品质参数图表)可以进一步分析星链星座对第一岛链地区内各点进行覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值。2021年之前,星链星座对第一岛链地区常常出现无法覆盖的时刻,对部分地区最大覆盖卫星数为6颗,全天平均覆盖卫星数量仅在1.5颗左右。在1.0版星链卫星部署完成之后,星链星座无法覆盖部分地区的时刻大大减少,对部分地区最大覆盖卫星数为9颗,全天平均覆盖卫星数量3颗左右。在1.5版星链卫星部署之后,星链星座覆盖能力进一步提升,对部分地区最大覆盖卫星数可达17颗,全天平均覆盖卫星数量4颗左右。

图19 第一岛链地区覆盖卫星数

从图20GI Point Coverage(点覆盖图表)可以分析星链星座对中国台湾覆盖的时刻,评估其对该点整体覆盖能力。星链星座在2021年之前有较多时刻无法覆盖该点,但在1.0版星链卫星部署完成、1.5版星链卫星开始部署之后,星链星座基本能够实现对该点的24小时全覆盖。

图20 中国台湾覆盖时刻表

从图21GI Point FOM(点覆盖品质参数图表)可以进一步分析星链星座对中国台湾覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值,评估其对该点覆盖能力。2021年之前,星链星座对该点常常出现无法覆盖的时刻,最大覆盖卫星数仅为5颗,平均覆盖卫星数量仅1.5颗左右。在1.0版星链卫星部署完成之后,星链星座基本对该点实现了24小时全覆盖,最大覆盖卫星数为7颗,平均覆盖卫星数量3颗左右。在1.5版星链卫星部署之后,星链星座覆盖能力进一步提升,最大覆盖卫星数达13颗,平均覆盖卫星数量4颗左右。

图21 中国台湾覆盖卫星数

4)黑海地区覆盖情况

从图22GI Region Full Coverage(完全区域覆盖图表)可以分析星链星座对黑海地区内所有点完全覆盖的时刻。

图22 黑海地区完全覆盖时刻表

从图23GI Region FOM(区域覆盖品质参数图表)可以进一步分析星链星座对黑海地区内各点进行覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值,评估其对该区域整体覆盖能力。黑海地区与美国东部地区属于同一纬度范围,覆盖情况基本相同。

图23 黑海地区覆盖卫星数

从图24GI Point Coverage(点覆盖图表)可以分析星链星座对基辅附近覆盖的时刻,评估其对该点整体覆盖能力,星链星座在2021年之前已经实现对该点的24小时全覆盖。

图24 基辅附近覆盖时刻表

从图25GI Point FOM(点覆盖品质参数图表)可以进一步分析星链星座对基辅附近覆盖卫星个数的最小值、最大值和平均值,评估其对该点覆盖能力。2021年之前,星链星座虽然实现24小时全覆盖,但对部分地区最小覆盖卫星数仅为2颗,最大覆盖卫星数为9颗,全天平均覆盖卫星数量在5颗左右。在1.0版星链卫星部署完成之后,星链星座对该点的覆盖能力大大提升,对部分地区最小覆盖卫星数为5颗,最大覆盖卫星数提高到15颗,全天平均覆盖卫星数量9颗左右。在1.5版星链卫星部署之后,星链星座覆盖能力进一步提升,对部分地区最小覆盖卫星数为6颗,最大覆盖卫星数达22颗,全天平均覆盖卫星数量12颗左右。

4 展望与启示

从第一批0.9版星链卫星发射部署开始,“星链计划”凭借其技术和成本的优势成为唯一正在快速部署的巨型星座。根据对已有星链卫星轨道数据进行建模仿真研究发现,星链星座在南北纬60°之间整体的覆盖能力稳步提升,并有逐步向两极覆盖的趋势。目前，星链星座在南北纬60°之间已经有100%覆盖的能力,覆盖重数在南北纬53°左右最大,可达33;低纬度地区覆盖重数低于高纬度地区,但也有大幅提升,平均覆盖重数提高到13左右。随着星链星座继续部署,南北纬60°以上地区覆盖率会逐步提升,各纬度覆盖重数会进一步提高,这意味着星链星座覆盖更加稳定,星链星座弹性也将稳步提升。

具体分析星链星座对四个区域的覆盖情况。如图26,星链星座对同一纬度范围的美国东部、中国东北部和黑海地区的覆盖情况基本相近,平均覆盖重数基本相同;而对处于较低纬度的第一岛链区域的覆盖能力则较低,平均覆盖重数也明显更小。

图26 平均覆盖卫星数

下面具体分析星链星座对四个地点的覆盖情况。如图27,北京附近与华盛顿附近纬度基本相同,星链星座覆盖能力也基本相同,能够实现24小时全覆盖;基辅附近纬度较高,在50°左右,星链星座覆盖能力明显较高,也能实现24小时全覆盖;中国台湾纬度较低,在24°左右,星链星座覆盖能力明显较低,部分时刻无法覆盖。整体来看,虽然星链星座还有部分时刻无法实现对部分地区的覆盖,但覆盖能力相比初期已经有了极大提升,随着星链星座继续建设,星链星座实现24小时全区域覆盖，将会成为现实。

图27 四点覆盖卫星数对比

从目前星链星座覆盖情况不难判断,星链星座不久将会实现24小时全区域覆盖,对低纬度地区覆盖的能力将会随着星链星座规模增大而逐步提升,整个星链星座体系的弹性也将稳步提升。基于星链星座覆盖能力判断可知,星链星座的军事应用潜力巨大：一是星链星座抢占大量军用卫星轨道资源,国际电信联盟对待轨道和频谱获取的原则是“先到先得”[12],充分展现出了抢占低地球轨道和频率资源的战略意义,未来其他国家无论是向低地球轨道还是更高轨道发射军用卫星时,很可能会受到“星链计划”的制约,从而丧失太空资源争夺的主动权,这也意味着失去了太空领域作战的主动权;二是星链星座可构建更强大的指挥通信网络体系,基于全球覆盖的能力,在星链卫星配备激光通信功能后,星链星座将会在地球近地轨道构建起一张覆盖全球的通信“网”,摆脱通信依赖地面基站的限制,从而可建立通量更大、时延更低的军用通信网络;三是星链星座可构建全球全天候无缝侦察探测体系,一旦星链卫星搭载光学、红外等载荷,就可以实现24小时不间断地对全球任意地区实施侦察探测,构建起全球全天候天基侦察探测预警体系,天基侦察探测能够打破传统物理空间限制,从另一维度实现24小时对情报的收集;四是星链星座能构建更加精确稳定的导航定位系统,随着覆盖重数的增加,星链星座组网后基于每颗星链卫星自身定时定位系统,凭借其数量庞大、轨道更低的优势,能够建立更低延迟、更高精度的导航定位系统;五是星链星座能够形成高效的太空“无人蜂群”反卫作战体系,星链卫星倘若搭载武器系统,那星链星座就会成为一个数量庞大，反制难度高，抗打击能力强的武器系统,成为制霸太空的“无人巡航蜂群舰队”,他国重要卫星例如导航定位、通信中继、预警探测、侦察监视等卫星将在战争爆发之初就可能遭受毁瘫,美军从而在太空建立太空霸权。但星链卫星轨道高度较低,运行速度快,一天中对同一地点覆盖的星链卫星切换非常频繁,对其收发终端的要求较高,终端稳定性有待检验。