SpaceX包裹整个地球的星链计划进展如何?

星链任务。
图片来源:NASA太空飞行(NASASpaceflight)

北京时间6月4日上午9:25,SpaceX发射了一批星链(Starlink)互联网卫星,让我们头顶上的星链卫星总数达到了482,向SpaceX的1584颗卫星部署目标又迈进了一步。而这还只是疯狂卫星部署的第一步,接下来SpaceX将构建包含4400颗卫星的Ku/ Ka波段网络。

星链卫星部署得如何了?

加上6月4日的这次发射,SpaceX已经成功执行了7次星链v1.0任务,每次打包发射60颗卫星,加上最开始的2颗测试卫星和v0.9任务中的60颗卫星,目前为止SpaceX总共发射了482颗星链卫星。

其中有少数卫星在轨道上遇到了问题,到目前为止,有3颗正在积极地脱离轨道,SpaceX在提交联邦通信委员会(Federal CommunicationsCommission,FCC)的文件中指出,另外还有6颗在开始升入轨道后出现了推进问题。因此,前6次v1.0任务的360颗星链卫星中,只有约350颗功能性卫星能为客户提供服务,并非所有的卫星都已经到达了相应的运行位置。

对于现阶段而言,每批发射的60颗卫星都将填充三个不同的平面,每个平面上部署20颗卫星,平面与赤道间的夹角为20度。一旦360颗卫星最终能以18个平面的形式部署到位,SpaceX就应该能够在美国北部对卫星系统进行连续测试。

一颗卫星从发射直至到达相应的运行位置,大约需要花上四个月的时间,因此,SpaceX似乎决定通过6月4日这第7批60颗卫星的发射,来稍稍加速我们头顶上第18个卫星平面的填充过程。

在接下来的几年里,后续的星链卫星发射将在现有的卫星平面之间创建更多的平面,直到平面的数量达到72,平面间的夹角变成5度。
SpaceX包裹整个地球的星链计划进展如何?

这张动图显示了自2020年1月1日以来,星链卫星运行到相应轨道平面的部署情况。
图片来源:本·克拉多克(Ben Craddock)/NASA太空飞行

在最近接受《航空周刊》(Aviation Week)的采访时,SpaceX总裁格温妮·肖特韦尔(GwynneShotwell)表示,他们计划在今年开始对卫星网络进行beta测试,并希望在公开推广星链卫星服务之前完成大约14批卫星发射。这一计划可使星链服务最早于2021年初开始启动,具体取决于接下来星链任务的发射速度。

在国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)最近的一份文件中,SpaceX制定了一项非常激进的星链卫星部署计划表,在5月至9月这4个月的时间内要进行13次发射。但目前而言,鉴于某些阻碍因素的影响,例如天气、射程协调、助推器恢复操作以及助推器整修,计划的发射节奏受到了影响,相应的发射间隔可能会有所增加。

由于上述原因,计划表中的首次发射,也就是北京时间6月4日在佛罗里达州这次发射已经推迟了近一个月。不论这些发射最终要花费的时间有多长,肖特韦尔女士的评论都表明,SpaceX认为卫星生产不会成为近期部署的限制因素。

发射计划表中有一个有趣的特征,那就是在如此疯狂密集发射之后的4个月里,将只会有一次后续发射,再之后的发射频率则是每月2次,最终完成卫星星座最初的1584颗卫星部署目标。在部署过程中的“短暂休息”期间,SpaceX可以选择对发射的卫星进行改动,例如添加此前提到过的星间光链路(Optical Inter-Satellite Links,OISLs),星间光链路将于2020年晚些时候首次亮相。

地面组件:网关和用户终端

现在,SpaceX已经在美国申请了一共27个Ka频段网关(地面站),过去6周申请的新网关所处的位置包括阿拉斯加、加利福尼亚州、佛罗里达州、密歇根州、北达科他州(2个),俄克拉荷马州和德克萨斯州。目前尚不清楚阿拉斯加北海岸的网关将如何进行使用,SpaceX可能会在更具挑战性的地区抢先建立网关。

如果SpaceX能够获得相应的运营许可,新建的网关还可以覆盖加拿大南部和墨西哥北部的大部分地区。加拿大通信管理局网站上的最新通知显示,SpaceX已开始在加拿大寻求建设网关的许可了。

SpaceX包裹整个地球的星链计划进展如何?

SpaceX向联邦通信委员会提交的Ka波段网关站的位置。
地图来源:NASA太空飞行的论坛成员休米(Hummy)

交互式谷歌地图访问地址:https://www.google.com/maps/d/u/0/viewer?mid=1H1x8jZs8vfjy60TvKgpbYs_grargieVw&ll=40.47443654110696%2C-94.52841471875001&z=5

在接受《航空周刊》的采访时,SpaceX首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)说,星链所面临的最大挑战不是卫星制造,而是如何降低用户终端的成本,包括终端安装以及5-10年使用的支持。马斯克说,SpaceX可能要花费几年的时间才能解决这些问题。这与大多数记者、分析师和卫星行业高管关于近地轨道卫星星座(Low Earth orbit Satellite Constellations)的说法相吻合。

现有的相位阵列天线(phased array antennas)价格非常高昂,难以用于为个体家庭提供服务。新的卫星星座如果要为普通消费者提供服务,用户终端必须价格低廉、易于使用。SpaceX正在努力开发一种19英寸相位阵列用户终端,马斯克将其描述为“类似于小棍上的UFO”(a UFO on a stick)。

2020年6月2日,Tape Ark的首席执行官盖·福尔摩斯(Guy Holmes)发表了一次演讲,他一直在探索星链卫星的用途,希望能借此帮助勘探石油和天然气。演讲中用到的演示文稿是在星链销售工程师杰米·哈登(Jamie Hadden)的帮助下编写的,哈登最初计划参与这一项目。

福尔摩斯说,相位阵列用户终端的星链性能预计将达到100兆比特每秒(Mbps)的向下传输速度,和40 Mbps的向上传输速度,像研究船(调查船)这样的用户如果可以使用双抛物面天线跟踪卫星,那么相应的传输速度就可能达到1千兆比特每秒(Gbps)左右。2019年的时候,哈登曾向内布拉斯加州农村宽带工作组(Nebraska Rural Broadband Task Force)提交过一份文件,其中提到的传输速率正是100 / 40Mbps。福尔摩斯还提到了SpaceX的一项由50名工程师团队参与的测试,测试中工程师给他们的家庭成员试用了用户终端,并让他们连接到了星链网络。

星链星座在未来有什么计划?

完成最初部署之后,SpaceX将继续构建由4400颗卫星组成的Ku / Ka波段星座的余下卫星,下一步可能从增加更高纬度的轨道卫星平面开始。SpaceX还拥有联邦通信委员会批准的另一个星座计划,涉及的卫星数量大约为7000颗,位置处于较低的近地轨道,这些卫星将以V波段频率进行通信。(V波段频率也可能在后续被添加到原始的4400卫星中。)

在过去的两个月中,SpaceX已请求对现有计划的4400卫星星座进行修改,除此之外还申请了更大的第二代卫星星座。

SpaceX包裹整个地球的星链计划进展如何?

上图是一张卫星的轨道平面可视化图像,左边表示的是初始包含了1584颗卫星的星链计划部署情况,右边表示的是完整的4408颗卫星Ku / Ka波段卫星星座。
图片设计:托马斯·麦克劳克林(Thomas McLaughlin)/ NASA太空飞行

2020年4月17日,SpaceX向联邦通信委员会提交了星链卫星星座布局的进一步修改请求。在2018年的修改版中,SpaceX降低了初始卫星网络的整体高度,而现在,SpaceX则希望可以将余下的Ku / Ka波段卫星从先前1100至1300千米的高度降低到540至570 千米的新高度;除此之外,SpaceX还要求更改这些卫星轨道平面的倾斜角度和结构。

为了能给更高纬度的区域提供服务,SpaceX当前的许可包括多个卫星组,它们的倾斜度分别为70、74和81度,新的许可申请希望能再加一个倾斜角度为70度的卫星组,并增加一个97.6度倾角的新卫星组。对于那些发射进入太阳同步轨道(Sun-synchronous orbit,SSO)轨道运行的卫星,倾斜角97.6度、海拔560 千米的这组新卫星将能提供发射共享机会。

为了提高极地服务的覆盖范围,SpaceX还申请允许高倾角卫星与高纬度网关之间的通信能以与地平线高出5度的小角度进行,而低纬度的最小角度则为25度。

2020年5月26日,SpaceX向美国联邦通信委员会提交了第二代卫星星座的申请,第二代星座最多可容纳30000颗星链卫星,这些卫星的通信频率将为Ku、Ka和E波段。在新的星际飞船(Starship)运载火箭可投入使用,且SpaceX拥有大量的卫星系统客户之前,发射如此大数量的卫星将是不切实际的,但是这种预先计划的好处在于,如果SpaceX未来希望进行其他的卫星部署扩展,他们将能非常容易地推进下去。在这个时候提交申请,是为了在联邦通信委员会的截止日期之前协调某些频率的新卫星申请,而不一定意味着SpaceX就会立即采取相应的发射部署行动。

早期的星链卫星现在怎么样了?

在星链计划的早期,SpaceX曾用开发版本的卫星进行了两次测试发射。第一次测试中发射了两颗Tintin卫星,这两颗卫星在设计上与当前的星链卫星几乎没有什么相似的地方,但对于检查各个子系统的性能却十分有用。Tintin A和Tintin B号卫星目前正处于脱离轨道的过程中。

第二次测试发射包含了60颗星链v0.9卫星,它们测试了新卫星的发射航线和部署方法,但在结构上缺少部分通信负载。

目前还不清楚该用什么方法将这些测试卫星用作星座的一部分,而且在最近向国际电信联盟提交的文件中,SpaceX也还没有将它们列为星链卫星星座的一部分。最近,这些测试卫星已经开始降低它们的轨道了。

参考来源:

https://www.nasaspaceflight.com/2020/06/evaluating-spacexs-starlink-push/

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