星鏈星座“雙Walker構(gòu)型”詳解

文 | 阮永井，徐帆江，劉立祥，劉帥軍，秦明宇，嚴(yán)文勵(lì)，秦琰（中國科學(xué)院軟件研究所）

上一篇文章利用天智巨星座研究平臺(tái)對(duì)星鏈在軌運(yùn)行的衛(wèi)星星座構(gòu)型進(jìn)行了分析，研判出了10個(gè)星座的構(gòu)型參數(shù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)研判出的GEN2M-C1星座由兩個(gè)相同的Walker星座構(gòu)成。本篇文章將深入解析這一“雙Walker構(gòu)型”的研判過程。

PART.01

衛(wèi)星簇分布與構(gòu)型研判

截至2026年2月3日，在475.2km高度、53.16度傾角上，有2086顆衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行，衛(wèi)星包括v1.0（54顆），v1.5（2顆）和v2.0Mini（2030顆），是當(dāng)前星鏈系統(tǒng)中規(guī)模最大的星座簇。利用研究平臺(tái)回顧歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)前期該該高度層穩(wěn)定運(yùn)行的都為v2.0Mini版本的衛(wèi)星，發(fā)射殼層為7-11。對(duì)于二代星座，我們單獨(dú)考慮2030顆v2.0Mini版本的衛(wèi)星，衛(wèi)星分布如圖1所示。

圖1 GEN2M-C1星座衛(wèi)星分布情況

由圖1可以看出，有較為明顯的軌道面分布，且部分軌道面部署衛(wèi)星較為密集。然而，整體分布較為凌亂，未能看出具體構(gòu)型。同時(shí)也嘗試從發(fā)射的殼層和時(shí)間等維度對(duì)衛(wèi)星分布進(jìn)行分析，也沒有明顯特點(diǎn)。

最后，在摒棄傳統(tǒng)單個(gè)星座的固定思維，從復(fù)合星座的角度來分析。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，整個(gè)星座可拆分為兩個(gè)星座，不妨記為星座A和星座B。

通過研判，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)星座構(gòu)型一致，均為：高度475.2km，傾角53.16度，1736顆星，28個(gè)面，每面62星，相位因子13，面間RAAN差12.86度，面內(nèi)相位差5.8度。同時(shí)，兩個(gè)星座間衛(wèi)星分布規(guī)律為：星座B的每個(gè)軌位相比星座A的對(duì)應(yīng)軌位RAAN大2.57°，相位大2.47°，“雙Walker構(gòu)型”的復(fù)合星座如圖2所示。

圖2 復(fù)合星座的研判構(gòu)型與在軌衛(wèi)星分布

PART.02

“雙Walker構(gòu)型”的機(jī)理分析

研判出構(gòu)型了，但是星鏈為什么采用這樣的“雙Walker構(gòu)型”呢？這樣的構(gòu)型是如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)呢？針對(duì)這一疑問，我們對(duì)該構(gòu)型的進(jìn)行了詳細(xì)分析。

通過深入研究發(fā)現(xiàn)，星鏈這樣的“雙Walker構(gòu)型”能夠使所有衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)共地面軌跡。具體分析如下：

理論分析

①首先分析星座A。軌道高度：475.2km；軌道傾角：53.16度；星座構(gòu)型為Walker：1736/28/13，相位漂移速度5511.77°；RAAN漂移速度-4.6462°/天；相鄰兩個(gè)軌道面RAAN差為(360/28)°；相位差為360/62*(k+13/28)，則有：

5512.126*(360/28)/(4.6462+360) = 360/62*(k+13/28)

求得k≈33.0077，非常接近整數(shù)，即第二個(gè)軌道面衛(wèi)星的相位號(hào)與第一個(gè)軌道面的衛(wèi)星相位號(hào)間隔33的兩顆衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)共地面軌跡，則星座A可實(shí)現(xiàn)共地面軌跡。

②對(duì)于星座B，其星座構(gòu)型與星座A相同，同理可得星座B也可實(shí)現(xiàn)共地面軌跡。

③最后分析星座A與星座B間能否實(shí)現(xiàn)共地面軌跡。星座A與星座B的基本參數(shù)都相同，只是星座B的每個(gè)軌位相比星座A的對(duì)應(yīng)軌位RAAN大2.57°，相位大2.47°。考慮隔m個(gè)軌道面的星A和B，raan差((360/28)m+2.57)°，相位差((360/62)k+(360*13/1736)m+2.47)°，則有：

5512.126*((360/28)m+2.57)/(4.6462+360)=(360/62)k+(360*13/1736)m+2.47

通過分析可求得m≈-0.0256時(shí)，k≈7.0137，m、k都可近似為正整數(shù)，滿足上式。即星座B與星座A相同軌道面號(hào)，軌道面內(nèi)相位號(hào)間隔7的兩顆衛(wèi)星顆可實(shí)現(xiàn)共地面軌跡，則星座B與星座A可實(shí)現(xiàn)共地面軌跡。

實(shí)際軌道驗(yàn)證

基于上述理論分析，利用實(shí)際在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。針對(duì)研判軌位星座A與星座B衛(wèi)星情況，選擇了與理論分析一致的共地面軌跡衛(wèi)星。

①星座A內(nèi)的衛(wèi)星為A2-29和A1-62（即A星座第2個(gè)面的第29顆星與第1個(gè)面的第62顆星），TLE數(shù)據(jù)如下：

0 STARLINK-31984 （A1-62）

1 60018U 24111C 26035.72258260 -.00000049 00000-0 10475-4 0 9997

2 60018 53.1589 228.9268 0001074 89.8028 270.3096 15.3018605693837

0 STARLINK-35356 （A2-29）

1 65836U 25221P 26035.82209460 .00039050 00000-0 13235-2 0 9990

2 65836 53.1576 240.8331 0000939 103.1001 257.0104 15.3020409319708

將對(duì)應(yīng)的TLE數(shù)據(jù)導(dǎo)入ATK軟件中進(jìn)行驗(yàn)證，兩顆衛(wèi)星的軌跡如下圖3所示，可知兩顆衛(wèi)星為共地面軌跡衛(wèi)星，兩顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡在赤道處間隔約0.07度。

（注：ATK（Aerospace Tool Kit，航天任務(wù)工具箱）軟件是由國防科技大學(xué)研發(fā)的自主可控航天任務(wù)設(shè)計(jì)工業(yè)軟件，主要用于航天器軌道設(shè)計(jì)、任務(wù)分析、仿真驗(yàn)證等航天工程領(lǐng)域。）

圖3 星座A內(nèi)衛(wèi)星共地面軌跡情況

②星座A與星座B間的衛(wèi)星為A1-12和B1-56（即A星座第1個(gè)面的第1顆星與B星座第1個(gè)面的第56顆星），TLE數(shù)據(jù)如下：

0 STARLINK-32133 （A1-1）

1 60333U 24136E 26035.78686218 -.00000080 00000-0 94417-5 0 9992

2 60333 53.1602 228.7348 0001146 98.3774 261.7356 15.3018758684622

0 STARLINK-31431 （B1-56）

1 59002U 24036E 26035.79376207 .00000017 00000-0 12710-4 0 9991

2 59002 53.1558 231.1450 0001399 100.6158 259.5000 15.30190186110281

將對(duì)應(yīng)的TLE數(shù)據(jù)導(dǎo)入ATK軟件中進(jìn)行驗(yàn)證，兩顆衛(wèi)星的軌跡如下圖4所示，可知兩顆衛(wèi)星為共地面軌跡衛(wèi)星，兩顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡在赤道處間隔約0.08度。

圖 4 星座A與星座B座間衛(wèi)星共地面軌跡情況

GEN2M-C1星座共地面軌跡構(gòu)型的具體規(guī)律為：

①星座A與星座B星座，各自內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)共地面軌跡，02-30（2號(hào)軌道面30號(hào)相位）星與01-01星共地面軌跡，依次類推；

②星座A與星座B星座間可實(shí)現(xiàn)共地面軌跡，B-01-56衛(wèi)星（B星座1號(hào)軌道面56號(hào)相位）與A-01-01衛(wèi)星共地面軌跡，依次類推。

PART.03

結(jié)論與展望

基于上述分析可知，通過對(duì)軌道高度、傾角及星座相位因子的合理調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)Walker星座內(nèi)部的共地面軌跡；進(jìn)一步對(duì)星座間RAAN、相位差的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)星座間的共地面軌跡。那又有疑問了，星鏈共地面軌跡的構(gòu)型設(shè)計(jì)方法是否在其他星座中也有應(yīng)用？前期是否有共地面軌跡方面的情況？具體情況將在下一期文章中繼續(xù)揭秘，敬請(qǐng)期待！

此外，我們還注意到一個(gè)新情況：此前穩(wěn)定運(yùn)行在547.2km高度、53.05°傾角軌道上的56顆v1.0和v1.5版本衛(wèi)星，目前已轉(zhuǎn)移至475.2km高度、53.16°傾角的軌道層。這一變化表明，這些衛(wèi)星并非僅因壽命到期而自然留存在該軌道層，更可能是一次有計(jì)劃的軌道調(diào)整。這是否意味著大規(guī)模降軌程序已啟動(dòng)？后續(xù)我們將持續(xù)追蹤并對(duì)其進(jìn)一步分析與解讀！

>End

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