從專利看“星鏈”衛(wèi)星星座構(gòu)型及星箭分離方案

王琦 陸峰

（1北京跟蹤與通信技術研究所 2航空工業(yè)信息中心）

太空探索技術公司（SpaceX）“星鏈”（Starlink）計劃組網(wǎng)發(fā)射啟動以來，已成功發(fā)射“星鏈”衛(wèi)星千余顆。本文通過分析SpaceX公司在低軌通信衛(wèi)星星座領域申請的專利文獻，對“星鏈”星座構(gòu)型技術方案和星箭分離核心技術理念進行解析，形成低軌通信衛(wèi)星星座的相關技術啟示；同時闡述宏觀專利技術分析和深度專利技術分析的方法和價值。

1 引言

SpaceX公司“星鏈”計劃已獲批的衛(wèi)星星座分三期構(gòu)建：I期發(fā)射1584顆衛(wèi)星完成初步覆蓋；II期發(fā)射2825顆衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)；III期發(fā)射7518顆衛(wèi)星組成極軌衛(wèi)星星座，提供信號增強和更有針對性的服務。

“星鏈”衛(wèi)星星座軌道數(shù)據(jù)表

由于“星鏈”計劃III期7518顆衛(wèi)星的軌道申請參數(shù)僅包含軌道高度、傾角和數(shù)量分布，“一箭60星”星箭分離信息也僅限于公開報道的衛(wèi)星組合體照片和星箭分離實況錄像，通過檢索分析SpaceX公司在該領域申請的專利文獻，可另辟蹊徑地了解“星鏈”衛(wèi)星星座構(gòu)型更多技術細節(jié)以及星箭分離基本方案，啟發(fā)國內(nèi)相關技術研發(fā)。

2 從專利看衛(wèi)星星座構(gòu)型方案

2020年11月24日，SpaceX公司取得一項名為“衛(wèi)星星座”（Satellite Constellations）的專利，其說明書列出一個衛(wèi)星星座實施案例，其軌道高度、傾角及相應衛(wèi)星數(shù)量信息與已獲批的7518顆衛(wèi)星精確一致，該方案與“星鏈”III期極軌衛(wèi)星星座構(gòu)型方案一致的可能性較高。

低軌通信衛(wèi)星星座通常采用數(shù)個近極地軌道平面、傾斜軌道平面衛(wèi)星族組合的方案，以滿足全球覆蓋和中低緯度區(qū)域重點覆蓋的需求?！靶擎湣庇媱澮压_的軌道申請信息表明，其I期和II期星座構(gòu)建采用此方案。在III期星座構(gòu)建上，該專利提供了一種對地覆蓋更為高效的低軌通信衛(wèi)星星座構(gòu)型方案[1]：改變基于衛(wèi)星軌道平面設計星座的傳統(tǒng)思路，轉(zhuǎn)為針對衛(wèi)星地面軌跡進行星座設計；星座由數(shù)個同步地面軌跡衛(wèi)星族組成；衛(wèi)星族中每個衛(wèi)星位于不同的離散軌道平面，但其地面軌跡相同，且第一顆衛(wèi)星與最后一顆衛(wèi)星首尾相鄰接，形成圍繞地球運動的“蛇形（波浪形）”連續(xù)閉環(huán)路徑；各衛(wèi)星族升交點對赤道以相同速率漂移，從星座看向地球，各衛(wèi)星族彼此鎖定、整體相對地球不動或以固定速度轉(zhuǎn)動。

此方案對2000km高度以下衛(wèi)星星座均可應用。專利說明書列出335～346km高度的7518顆衛(wèi)星星座對地通信覆蓋分析顯示，美國本土通信可用衛(wèi)星平均數(shù)量除少數(shù)區(qū)域優(yōu)于4顆外，其余均優(yōu)于6顆[1]（衛(wèi)星天線張角±40.5°，地面天線張角±46.8°）。

方案主要具備以下優(yōu)勢：①通信覆蓋性能更好。各衛(wèi)星族的軌道傾角、回歸周期、交錯關系可按需靈活設計和組合，使用較少數(shù)量的衛(wèi)星可實現(xiàn)相同或更好的地面覆蓋性能。②軌道申請易于通過。支持在軌道高度差200km范圍內(nèi)，構(gòu)建巨型低軌通信衛(wèi)星星座，軌道申請更易于通過美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的審批。③衛(wèi)星設計易于統(tǒng)一。軌道高度相近的衛(wèi)星空間運行環(huán)境較為一致，衛(wèi)星設計易于統(tǒng)一，批產(chǎn)成本易于降低。④星間鏈路運行管理簡單。每顆衛(wèi)星與四個方向相鄰衛(wèi)星間的位置關系確定且呈周期性變化，可推斷其星間鏈路建鏈、路由規(guī)則簡單明確，更適合實現(xiàn)巨型衛(wèi)星星座星間鏈路自主網(wǎng)絡規(guī)劃管理。

此外，2019年10月SpaceX公司補充申請30000顆衛(wèi)星，根據(jù)其軌道高度、傾角的公開數(shù)據(jù)判斷，采用這一方案的可能性較大。

3 從專利看星箭分離基本方案

2020年11月19日，SpaceX公司取得一項名為“航天器供配電系統(tǒng)自主激活”（Pre-deployment Battery Power Conservation for Spacecraft）的專利，專利說明書列出一個實施案例，結(jié)合星間分離過程說明了航天器供配電系統(tǒng)自主激活的方法，可作為“星鏈”衛(wèi)星星箭分離方案的參考信息。

在星箭分離方案方面，該專利文件提供的以下信息值得關注[2]：扁平形狀的衛(wèi)星分成兩堆，沿著一種豎直的特殊鎖定裝置分層堆疊排列；衛(wèi)星不再通過包帶與火箭連接以獲得供電，而是使用極低功耗的低成本真空檢測裝置，當檢測到衛(wèi)星到達120km高度時，衛(wèi)星供配電系統(tǒng)自主激活，由節(jié)電狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常供電狀態(tài)；火箭到達衛(wèi)星分離位置后，由特殊鎖定裝置釋放衛(wèi)星，各衛(wèi)星靠自旋的微小速度差自然分離并逐漸散開。

方案具備以下優(yōu)勢：①箭內(nèi)空間利用率高。采用新型鎖定結(jié)構(gòu)，分層堆疊排列衛(wèi)星，相比于傳統(tǒng)筒形衛(wèi)星適配器壁掛衛(wèi)星的方式，充分利用了整流罩內(nèi)的空間。②星箭電氣接口充分簡化。取消星箭間的供電包帶，利用低成本真空檢測裝置實現(xiàn)衛(wèi)星供配電系統(tǒng)的自主激活，降低了射前衛(wèi)星測試組裝的成本和復雜性，也降低了多星分離相互干擾的風險。③多星分離碰撞風險小。不使用分離機構(gòu)，靠微小速度差被動式分離衛(wèi)星，降低了多星分離碰撞的風險。

4 啟示

關注巨型低軌星座設計思想和技術方案

“星鏈”衛(wèi)星堆疊裝載入整流罩

“星鏈”巨型低軌通信衛(wèi)星星座的建設目標是將地面高速通信網(wǎng)絡映射至空間，其設計思想并不是基于傳統(tǒng)低軌通信星座方案進行量的累加，而是充分考慮星座覆蓋性能的確定性、軌道申請的可行性、設計成本的最小化、網(wǎng)絡運行的簡單化、服務對象的多樣性等因素，放棄傳統(tǒng)星座構(gòu)型技術理論，面向解決巨型低軌通信星座的服務效果、經(jīng)濟成本、軌道資源、運行管理等實際問題進行新型星座構(gòu)型設計。其頂層設計拋棄傳統(tǒng)軌道設計技術、面向?qū)嵭нM行技術創(chuàng)新的理念值得借鑒，該星座構(gòu)型方案值得進行專業(yè)分析。

借鑒“一箭多星”發(fā)射核心設計理念

“獵鷹”（Falcon）系列運載火箭出色的運載能力和低廉的成本，是保障“星鏈”衛(wèi)星軌道部署的重要條件。雖然當前運載火箭的技術水平和商業(yè)化運用處于加速發(fā)展中，但尚未激發(fā)服務于一箭數(shù)十星發(fā)射的技術革新?！靶擎湣毙l(wèi)星“一箭60星”發(fā)射中，衛(wèi)星堆疊放置、星箭電氣接口簡化、多星被動式分離的設計理念，值得相關技術領域借鑒。

5 專利技術分析的價值及其在航天領域的運用建議

專利信息分析以專利文獻為依據(jù)，采用各種定量及定性的分析方法，對分立的專利信息進行分析，挖掘?qū)＠畔⒅械目陀^真相和規(guī)律性內(nèi)容，從而對特定技術、特定領域或者行業(yè)做出趨勢預測等，生成指導決策的重要依據(jù)[3]。

宏觀專利技術分析采用以專利分析人員為主、技術人員為支撐的合作模式，按技術特征歸并專利文獻并使其有序化，實現(xiàn)對技術路線和發(fā)展方向的研判。深度專利技術分析是正在探索中的新型專利技術分析方式，采用以技術人員為主、專利分析人員為輔的合作模式，注重專利的精準選擇和技術內(nèi)容的深度分析，發(fā)掘技術研發(fā)核心方案。深度專利技術分析基于某一技術方向宏觀專利技術分析的結(jié)果，在情報人員和專利分析人員的支撐下，由專業(yè)技術人員判斷核心專利發(fā)明人的重點專利，對專利文獻中技術背景、技術方案、解決問題、實施案例等進行理解分析、初步驗證和應用轉(zhuǎn)化，為相關技術難題提供技術解決方案參考。對SpaceX公司的核心專利進行技術分析，提煉低軌通信衛(wèi)星星座構(gòu)型及星箭分離的技術方案，是深度專利技術分析在航天領域的實踐。

專利技術分析在高新技術集中的航天領域有顯著價值。宏觀和深度專利技術分析在航天關鍵技術領域需結(jié)合運用和推廣。宏觀專利技術分析提供航天關鍵技術路線和發(fā)展態(tài)勢信息，對頂層規(guī)劃者進行技術發(fā)展路線決策有支撐價值。深度專利技術分析提供航天先進技術解決思路和技術方案信息，對啟發(fā)實施層研發(fā)人員進行二次開發(fā)或自主研發(fā)，有更為直接的促進作用。