Starlink星座工備事件中的兩條原則揭示
文 | 劉帥軍、徐帆江、劉立祥、秦明宇、嚴文勵（中國科學院軟體研究所，中國科學院大學）
截至2025年3月17日，星鏈衛星已累計發射8092顆，在軌14個殼層分散組成一期LEO、二代GEN2的多個星座。LEO-C2星座是星鏈首個大規模採用星間鏈的低軌星座，由位於540km高度、53.2度傾角的1296顆衛星組成，至今已呈現逐步退役趨勢。
前述文章揭示，LEO-C2在2024整年發生軌位變動次數超300次，本文進一步對軌位變動背後的工備替換事件進行總結與分析。結果表明：
（1）多數工備替換事件遵從“非必要不執行”、“若調整備先行”兩條原則；
（2）原則之外的特例，猜測燃料不足等無法軌道維持，從這些衛星隕落可印證。
自2019年5月24日Starlink衛星首次發射，截至2025年3月17日，SpaceX已實現243批次共計8092顆衛星發射入軌。每年發射衛星數等資訊如下圖所示：
圖 1 歷年星鏈衛星發射頻次數及衛星數
進一步對星鏈衛星發射部署速度進行分析，從2019年的每110.5天發射1次提升至2025年每3.48天發射一次，SpaceX公司在逐漸加快星鏈的發射部署程序，如下圖所示：
圖 2 歷年星鏈衛星發射頻次
截至2025年3月，SpaceX衛星已成功發射14個殼層的衛星。2025年新增兩個殼層的發射任務，分別是1月21日發射殼層13、2月23日發射殼層15。各殼層衛星數資訊如下表所示：
表 1 Starlink衛星殼層發射情況
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殼層
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軌道高度(km）
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軌道傾角(°)
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首發時間
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累計發射批次
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累計發射衛星數
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衛星版本
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1
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550
|
53
|
2019.05.24
|
29
|
1725
|
V1.0
|
|
2
|
568.7
|
70
|
2021.09.14
|
8
|
408
|
V1.5
|
|
3
|
557.1
|
97.66
|
2021.01.24
|
7
|
243
|
V1.5
|
|
4
|
542.5
|
53.22
|
2021.11.13
|
32
|
1637
|
V1.5
|
|
5
|
566.3
|
43
|
2022.12.28
|
13
|
699
|
V1.5
|
|
6
|
567.6
|
43
|
2023.02.27
|
71
|
1601
|
V2.0Mini
|
|
7
|
555
|
53.16
|
2023.08.22
|
19
|
409
|
V2.0Mini/D2C
|
|
8
|
NA
|
53.16
|
2024.04.07
|
11
|
225
|
V2.0Mini/D2C
|
|
9
|
NA
|
53.16
|
2024.06.19
|
15
|
303
|
V2.0Mini/D2C
|
|
10
|
NA
|
53.16
|
2024.06.08
|
12
|
272
|
V2.0Mini
|
|
11
|
NA
|
53.16
|
2024.08.12
|
7
|
162
|
V2.0Mini
|
|
12
|
NA
|
43
|
2024.11.24
|
17
|
365
|
V2.0Mini/D2C
|
|
13
|
NA
|
43
|
2025.01.21
|
1
|
21
|
V2.0Mini
|
|
15
|
NA
|
70
|
2025.02.23
|
1
|
22
|
V2.0Mini
|
星座LEO-C2是星鏈一期LEO系統中的星座2，根據FCC資料顯示，該星座軌道標稱值為：1584顆星、72面、每面22星、軌道高度540km、傾角53.2度。
實際資料而言，星鏈LEO-C2由殼層4的衛星填充，該殼層自2021年11月至2022年12月共發射1637顆。經資料研判分析，該星座軌道研判值為：1296顆星、72面、每面18星、相位因子45。
值得注意的是，星鏈LEO-C2部分工作軌位衛星的旁邊仍有一些衛星，具體為工作軌位衛星的相位後4.7度穩定執行，根據星座構型內位置的對稱性。我們將位於研判星座的軌位上的衛星記為工作軌位衛星（簡稱工作衛星），而將工作衛星相位後4.7度左右的記為備份軌位衛星（簡稱備份衛星）。如2025年3月11日，該星座內工作衛星1224顆（圖中藍色圓l圈）、備份衛星203顆（圖中橙色圓點），分佈如下：
作為全球首個大規模部署和商用的低軌網際網路星座，星鏈已在近125個國家/區域開通服務，使用者數超過500萬。為保障全球海量使用者的可靠服務，星鏈系統透過備份衛星、工備替換，以最大程度避免了衛星故障等問題導致的服務中斷。
經過資料篩選與人工複核，截至2025年3月，星座LEO-C2的工備替換事件343條。
資料結果表明，工備替換事件的總體流程如下：
（1） 備份衛星主動升軌或降軌，提前向工作軌位衛星靠近；
（2） 待備份衛星接近工作軌位時，該工作衛星進行變動讓出該軌位；
（3） 備份衛星進入該工作軌位，完成一次工備替換。
透過對這些工備替換事件的分析總結，在星鏈系統設計與執行過程中，滿足如下兩條原則：
（1）工備替換事件“非必要不執行”。
（2）工備替換事件“若調整備先行”。
基於星鏈LEO-C2星座具體軌位分佈及工備替換事件的資料，發現上述原則總體適用，但存在特例。
截至2025年3月，星座LEO-C2進入工作軌位（含曾經）衛星共1542顆，各工作軌位上歷史工作衛星顆數如下所示：
其中，
-
973個工作軌位自始至終僅1顆衛星，佔比75.08%；
-
304個工作軌位先後共2顆衛星，佔比23.46%；
-
18個工作軌位先後共3顆衛星，佔比1.39%；
-
1個工作軌位先後共4顆衛星，佔比0.08%。
殼層4衛星自發射至今，參與LEO-C2星座工備替換次數與佔比如下：
-
從未參與的衛星有1115顆，佔比68.11%；
-
參與1次的衛星有405顆，佔比24.74%；
-
參與2次的衛星有107顆，佔比6.54%；
-
參與3次的衛星有10顆，佔比0.61%；
-
參與4次及以上的衛星0顆。
可知，多數衛星保持穩定的軌位進行執行，替換事件“非必要不執行”。
然而，有10顆衛星值得關注，這些衛星自發射至今參與了3次工備替換。以衛星2022-017N為例，如下為該衛星的3次工備替換事件過程：
與該事件相關的內容不是本文討論的重點，另見其他報告。
在343條工備替換事件中，有320條資料滿足第3部分中對工備替換事件的總體流程，即“若調整備先行”。
以衛星2022-049AB與2022-049AN在2023年2月發生的一次工備替換事件為例，過程如下：
衛星2022-049AN升高軌道高度，離開原備份軌位33/12B（指：星座LEO-C2的33號軌道面12號相位的備份軌位）；
衛星2022-049AB升高軌道高度，離開原工作軌位33/09W（指：星座LEO-C2的33號軌道面09號相位的工作軌位）；
衛星2022-049AN降低軌道高度，進入工作軌位33/09W。
過程中兩顆衛星軌道高度變化如下：
工備替換事件完整流程如下：
值得注意的是，有23條資料不滿足該原則。資料表明，這些工作軌位衛星先變動，即未等待備份軌位衛星提前靠近便已離開。猜測是所剩燃料不足或必須緊急採取主動再入過程，目前發現的這些事件均符合猜想。
即這些衛星中14顆已隕落，9顆正在隕落，（已/即將）隕落率為100%。該23顆衛星軌道高度變化如下：
圖 3 工備替換事件中工作軌位衛星先變動的23顆衛星軌道高度變化
作為對比，320條一般替換事件中，原工作軌位衛星隕落僅31顆，隕落率為9.69%。
本文對星鏈LEO-C2星座工備替換事件進行分析，總結了該過程中的兩條原則，並揭示了特例的存在及可能原因。本文總結如下：
-
星鏈星座中工備替換事件遵循“非必要不執行”、“若調整備先行”的原則；
-
原則之外存在特例，猜測由於剩燃料不足或必須緊急採取主動再入，從特例中工作衛星100%隕落可印證；
近期，衛星2022-017AL、2022-053AK離開原工作軌位。結合本文相關資料可預測，這兩顆衛星也將無法軌道維持並將於2025年12月份左右隕落。
>End
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