Starlink手机直连卫星星座构型揭示
文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、严文励、秦明宇、邓志豪（中国科学院软件研究所 天基综合信息系统全国重点实验室）
摘要：截至2024年9月19日，星链已累计发射194批共7020颗卫星。其中，壳层共11个，2.0Mini版本卫星2286颗，含手机直连卫星207颗。当前，手机直连卫星在轨分布结果表明，该星座最终将包含312颗卫星，分布在24个轨道面、每面13颗卫星上，高度362.3km、轨道倾角53.16度、相位因子为6的Walker星座。预测最终手机直连卫星星座规模会再扩充一倍，48个轨道面共624颗卫星。
01
Starlink卫星在轨情况概述
截至2024年9月19日，星链已累计发射194批共7020颗卫星。历年发射批次数和卫星数如下图所示：
图1 星链历年发射批次及卫星数【截至2024.09.19】
发射批次数逐年增加，成指数式增长，2024年已累计发射62批，预计将达到87次。卫星数增长相比发射批次较慢，原因是自1.0升级至1.5、2.0Mini版本，单星重量增加。
星链在2024年新增壳层8至11的发射，同时也包含了207颗手机直连卫星发射。各壳层发射卫星数在各年的统计分析如下图：
图2 星链各壳层卫星历年发射数【截至2024.09.19】
壳层1作为最早发射部署星座，主要于2020、2021两个年份完成发射部署。壳层4作为当前主要提供服务的星座，主要于2022年完成发射部署。自壳层5开始，卫星主要用于填充二代星座GEN2。进入2024年，卫星壳层的发射部署进展速度更快。
星链卫星版本在5年时间里进行了多次迭代升级，各版本卫星历年发射数统计如下图所示。
图3 星链各版本卫星历年发射数【截至2024.09.19】
2019至2021年发射部署卫星主要为1.0版本，2022年至2023年主要为1.5版本，2023年下半年之后发射均为2.0版本卫星。
02
Starlink手机直连卫星简介
星链手机直连卫星（D2C，Direct To Cell）版本首发时间为2024年1月3日，除却前两个批次为6星每发外，后续所有批次均为13星每发。手机直连D2C卫星基于v2.0Mini平台，最早发射6颗星链卫星发射前堆叠图如下：
图4 首批星链手机直连卫星堆叠图【源自Starlink官网】
根据星链官网公布手机直连卫星的相关文件，需克服诸多难题，包括：
（1） 基于现有LTE手持设备与卫星间建立稳定的连接，必须克服卫星高动态性导致的建链、切换等难题；
（2） 高动态性导致的多普勒频偏、显著差异的星地时延问题；
（3） 手机在不改变现有信号功率和天线增益情况下，克服星地间远超地面手机与基站间距离的难题；
为此，星链手机直连卫星提出了若干应对方案，包括：
（1） 卫星搭载创新的硅基相控阵天线，2.7m x 2.3m；
（2） 先进的软件算法。
星链手机直连卫星将在2024年内提供短消息服务，2025年开通语音、数据和物联网（IoT）服务。星链手机直连卫星工作模式与网络拓扑如下：
图5 星链手机直连卫星与合作运营商间逻辑拓扑【源自StarLink官网】
可知，现有存量LTE手机壳直接与星链D2C卫星连接，D2C卫星可通过星间链路或直接落地到星链网络，星链网络与合作运营商网络互联，可实现手机经星链网络与现有地面网络间的漫游互联。
03
Starlink手机直连卫星在轨分布分析
截至目前，星链D2C卫星累计发射颗数随时间变化如下图。
图6 星链D2C卫星累计发射数随时间变化【截至2024.09.19】
可看出在2024年1月至4月期间，发射速度较慢，应该是在轨试验验证阶段。自5月份之后，发射速度明显提升，每批次发射D2C卫星均为13颗。星链D2C卫星已发射卫星列表详见附表1。
当前，星链D2C卫星整体轨道高度分布如下所示：
图7 星链D2C卫星轨道高度分布【2024.09.19当天数据】
可看出，较多星链D2C卫星稳定分布在362.3km。这些轨道高度稳定的卫星共114颗，经研判其星座构型为Walker星座，
具体参数如下：
l 星座名称：星链手机直连卫星星座
l 星座标识：Sarlink-Cons-D2C
l 卫星颗数：312
l 轨道面数：24
l 面内星数：13
l 相位因子：6
l 轨道高度：362.3 km
l 轨道倾角：53.16 deg
星链D2C卫星实际分布如下：
图8 星链D2C卫星实际分布及研判轨位分布【2024.09.19当天数据】
可看出，星链D2C当前已完成9个面的部署，每个轨道面内13颗卫星，均由同批次发射卫星组成。总体部署进程为37.5%（=9/24），预计将在2024年内完成部署。
04
Starlink手机直连卫星星座通信覆盖分析
由于星链D2C卫星轨道高度较低（362.3km），对地覆盖性能较差。在星链312颗手机直连卫星星座全部部署完成时，对全球纬度带平均覆盖重数如下：
图9 星链D2C完整星座全球纬度带平均覆盖重数
终端仰角20度情况下，星链D2C完整星座可实现全球南北纬60度以内区域，不低于1重的平均覆盖。在南北纬50度区域附近形成优势覆盖，平均覆盖重数可超过3。
根据最初星链提出的规划840颗手机直连卫星，并综合星链分阶段部署、在轨备份方案等内容，后续在现有312颗星链卫星星座基础上进行加密，构建星链D2C完整星座。经预测，未来构建完整D2C星座为624/48/30，预测完整D2C星座624颗星及现有卫星分布如下：
图10 预测星链D2C完整612卫星星座分布
05
总结分析
本文对Starlink卫星发射与在轨情况进行分析，并重点对星链手机直连卫星介绍，分析了当前在轨情况和星座构型，最后对未来更大规模手机直连卫星星座进行了预测。
附表1： 星链手机直连卫星已发射卫星列表
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