星链计划所有在役地面站和全部在轨卫星详情

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小火箭出品

本文作者:邢强博士

本文共5441字,80

预计阅读时间:1小时5分

本报告为在2015年开始的小火箭低轨巨型星座系列报告的第9篇,本文保留对所有数据、文字和表格的版权,引用格式范例:

《小火箭 | 星链计划所有在役地面站和全部在轨卫星详情》, 邢强,小火箭微信公众号,2019年12月

按小火箭的技术标准,航天系统分为九大子系统:

运载火箭总体、宇航员、应用系统、卫星总体、发射场、地面站、回收着陆系统、财务和人事管理、供应链管理。

对于星链计划而言,目前尚不涉及宇航员。

在以往的小火箭报告中,咱们对星链计划的运载火箭系统、发射场系统、回收着陆系统和卫星总体系统给出了较为详细的论述。

在《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》中,小火箭在三年前和大家从工程师的角度来畅聊航天的项目管理。

而对于未来要建成的由41927颗卫星构成的星链计划巨型星座而言,地面站系统同样是至关重要的。

目前,SpaceX公司在探讨100万个地面终端的全球布置策略。

不过,这种尚在概念论证阶段的建站策略,仍需细化分析,小火箭准备在明年(2020年)再对此进行探讨。

而在此之前,小火箭相信大家更感兴趣的是在役的星链计划地面站。

于SpaceX公司的猎鹰9号运载火箭、星链计划和龙飞船的高调截然不同的是,SpaceX公司从未发布过星链计划相关地面站的详细情况。

本文,小火箭将要和大家共同分析如下几个问题,相信这是全球范围内,对星链计划的地面关口站和测控站情况的首次公布和首次详细说明:

第一,星链计划的在役地面站的具体坐标;

第二,星际计划的在役地面站的具体配置;

第三,星链计划在役地面站组成的网络架构;

第四,星链计划目前在轨全部117颗卫星的具体情况。

#1关口站

星链计划的#1关口站位于美国华盛顿州的北本德。

北本德,毗邻西雅图市,人口5961人。

人口密度,633.7人/平方公里。

星链计划的#1关口站,位于北本德Biggg Dogg大狗枪支专卖店的斜对面。

小火箭风格,具体坐标为:

北纬47°28'56.7\"N

西经121°45'40.6\"W

星链计划#1号关口站,就掩映在这几颗树后。

这片地,原本是物流仓储厂房。

具体的天线信息:

直径:1.01米;

海拔:149.55米;

功率:14.93瓦。

频率:双频,10.700GHz;14.500GHz

由此可见,星链计划#1关口站,工作在X波段和Ku波段。

X波段,咱们之前详细聊过了,本文不再赘述。

Ku波段,则是卫星电视广播和卫星通信的黄金波段。

接收Ku波段数字卫星信号的天线直径会比接收C波段的小不少。

假设天线的口面效率为60%,则直径为1米的Ku波段天线,工作在波长为25毫米的Ku波段时,能够达到的天线增益为39.8dB。

而在同一地点,在同样口面效率的条件下,工作在波长为75毫米的C波段时,要达到同样增益的情况,则需要直径至少为3米的天线。

星链计划#1北本德关口站的天线的供应方,小火箭已查明,为英国军火巨头科巴姆集团。

上图为科巴姆集团出品的猎鹰特殊任务飞机与欧洲台风战斗机并肩飞行的场景。

星链计划关口站天线的具体型号为科巴姆Mk3 系列的NB-1。

这个系列的天线,比较NB,11.7GHz频率下的增益为39.3dB,14.25GHz频率下的增益为40.1dB。

SpaceX公司把星链计划巨型星座的#1关口站选址在华盛顿州的北本德。

而有关北本德,这个人口不到6000人的小镇,小火箭需要专门提一下的是:

任天堂公司的北美制造中心和发行中心,都在北本德这个地方。

今后星链计划的SpaceX公司值守在北本德#1关口站的工程师们,如果是超级马里奥或者其他任天堂出品的游戏的粉丝的话,那的确是福利了。

#2关口站

星链计划的#2关口站,在美国蒙大拿州的康拉德小镇。

这个小镇,人口仅有2571人。

沿着上图这条小路一直开,然后路尽头右转,就到了SpaceX的星链计划的#2关口站了。

星链计划#2康拉德关口站,位于美国和加拿大的边境地点。

上图这个在蒙大拿州的现代农业农田旁边,一个前不着村后不着店的地方,有两间用铁丝网围起来的小房子。

这就是星链计划#2关口站。

小火箭风格,具体坐标为:

北纬42 °12 ' 12.0 \" N

西经111 ° 56 ' 42.9 \" W

具体的天线信息:

直径:1.01米;

海拔:1058.96米;

功率:14.93瓦。

频率:双频,10.700GHz;14.500GHz

和#1关口站的天线是同款,不再赘述。

拆开来,是上图这样的。该照片仅用于小火箭好友之间的技术交流,不能用于工业。

这地方实在是太偏僻了,周围全是圆形的人工灌溉农田。星链计划#2关口站,到最近的镇子,距离也足足有5公里,而且这个镇子只有2571人。

不过这也正好契合星链计划全球覆盖的照顾其他30亿不能便利上网的人的需求。

准备到星链计划#2关口站工作的工程师,需要做好长时期远离尘嚣的心理准备了。

有趣的是,这个关口站所在的小路,正式名称,恰是尘嚣路(Dusty Road)

嗯,守着尘嚣小路来远离尘嚣。

#3关口站

星链计划的#3关口站,在美国威斯康星州杰克逊县的美林村。

美林村,人口542人。

以上为美林村儿的村落景象和村子里唯一的一座水塔。

星链计划#3关口站位于上图的中心,两条小路的交叉处。

嗯,就是那间房顶涂成白色的小房子。

这就是星链计划#3关口站的近照。

小火箭风格,具体坐标为:

北纬44 ° 24 ' 22.9 \" N

西经90 ° 48 ' 51.3 \" W

具体的天线信息:

直径:1.01米;

海拔:274.17米;

功率:14.93瓦。

频率:双频,10.700GHz;14.500GHz

#4关口站

星链计划的#4关口站,在美国宾夕法尼亚州的格林维尔。

格林维尔,6000人。

这里值得特别一提的产业,是便携式折叠梯产业。

总部位于格林维尔,成立于1922年的沃纳集团是世界上最大的家用沃纳梯生产商。

上图位于中间的白色屋顶小房子,就是星链计划#4格林维尔关口站。

想要看近照,小火箭满足你!

这小屋子非常低调,四周没有任何标识。一般人很难把她和高大上的星链计划联系起来。

小屋子上也没有能够代表SpaceX公司的任何符号,可见SpaceX公司还是想要把这么重要的关口站的具体位置向公众隐匿起来的。

小火箭风格,具体坐标为:

北纬41 ° 26 ' 0.9 \" N

西经80 ° 19 ' 59.5 \" W

具体的天线信息:

直径:1.01米;

海拔:303.06米;

功率:14.93瓦。

频率:双频,10.700GHz;14.500GHz

#5关口站

星链计划的#5关口站,在美国华盛顿州的雷德蒙德。

雷德蒙德,6.7万人。

星链计划#5雷德蒙德关口站(左上)和星链计划#1北本德关口站(右下),同处美国华盛顿州。

这是星链计划7个现役关口站中,距离最近的两个。

两关口站相距30.98公里。她们的连线,刚好处于53.00°倾角大圆上。

小火箭认为,#1关口站和#5关口站,是配合使用的,是用来试验同一轨道倾角的卫星信号切换和单星同一覆盖区域的路由优化策略的。

星链计划#5雷德蒙德关口站,恰好位于一个蝴蝶状别墅区的中间。

该关口站是现有所有现役星链关口站中,覆盖人口第2多的。(第1多的是#6加利福尼亚州霍桑关口站)

这就是星链计划#5关口站的近照。

小火箭风格,具体坐标为:

北纬47°41'38.8\"N

西经122°01'55.9\"W

具体的天线信息:

直径:1.01米;

海拔:179.78米;

功率:14.93瓦。

频率:双频,10.700GHz;14.500GHz

#6关口站

星链计划的#6关口站,在美国加利福尼亚州的霍桑。

咦?霍桑?很耳熟的名字。

没错,其实这就是SpaceX公司的总部。

霍桑,人口8.7万。

星链计划#6霍桑关口站,位于SpaceX公司总部大楼的楼顶。

上图卫星照片中,紧邻一座机场,楼顶有巨大的X字样的,就是SpaceX公司的总部了。

注意,上面这张卫星照片的右下,有一条影子,那是一枚猎鹰9号运载火箭的第一级。

再近一些,可以看到,SpaceX公司霍桑总部的楼顶,铺了不少太阳能电池板,并且拼成了X的字样。

SpaceX公司霍桑总部,恰好占一个街区。总部北部的大街,名为火箭大街;总部南部的大街,为诺斯洛普大街。

走进后,仔细看,原来这是猎鹰9号运载火箭B1019第一级的实物。

猎鹰9号运载火箭的第一级能够重复使用之后,每枚火箭的第一级,就获得了和民航客机一样的唯一编号标识。

有关猎鹰9号运载火箭的设计细节和编号规则,详见小火箭的公号报告《小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版猎鹰运载火箭》《小火箭 | 星链计划低轨星座报告2019最终版》。

B1019,迄今为止,仅执行了一次入轨发射任务,但却树立起人类太空探索史上的里程碑:

她是人类第一枚成功完成入轨发射任务后,顺利返回地面实现软着陆的运载火箭第一级。

公元2015年12月22日,协调世界时01点29分03秒,一枚猎鹰9号运载火箭成功点火。

这是猎鹰9号系列运载火箭的第20次发射。

在将11颗Orbcomm公司的低轨通信卫星送入预定轨道的同时,第一级掉头返回的再入飞行也非常顺利。

最终,在点火升空10分钟后,于当日(2015年12月22日协调世界时01点39分02秒)完成了人类第一次运载火箭的陆地回收。

B1019第一级被永久收藏,成为了人类运载火箭技术发展史上的一座丰碑。

就在这枚猎鹰9号运载火箭第一级旁边,在这座大楼的顶部,就是星链计划#6关口站的天线。

星链计划#6关口站大楼的近照。

小火箭风格,具体坐标为:

北纬33°55'16.4\"N

西经118°19'33.8\"W

具体的天线信息:

直径:1.01米;

海拔:16.21米;

功率:14.93瓦。

频率:双频,10.700GHz;14.500GHz

#7测控站

星链计划#7关口站,其实本身也是一个测控站,同样位于美国华盛顿州。

#7布鲁斯特测控站这个站,不仅承担了关口任务,更重要的是,这是SpaceX公司迈向自主测控的第一步。

布鲁斯特,人口2375人。

5米直径的测控天线,是SpaceX公司迄今为止拥有操作体验的最大的天线。

要看近景?

没问题!

走出华盛顿州布鲁斯特小镇,向西北方向的一座小山走去,10公里后,会遇到第一道铁丝网。

过了守卫关卡后,会有一个指示牌:

地球站:商业通信卫星所用

嗯,没错,就是这儿了。

这是SpaceX公司的星链计划卫星所使用的测控地面站的5米直径天线。

嗯,一直以来各界人士都在猜测星链计划的卫星使用谁的测控系统。

如今,小火箭给出答案:

美国天基测控系统 + 美国空军的地基雷达 + SpaceX公司自己的测控地面站。

也就是说,SpaceX公司,在完成自己的小型运载火箭研发之后,完成了可重复使用的猎鹰9号运载火箭,随后自主研制星链计划的4.2万颗卫星,现在又准备自主完成测控地面站系统的建设。

整箭研发和量产,整星研发和量产,飞船研发和量产,自主测控,如果今后再有自己的发射场,那这将诞生人类第一家实现自我闭环的民营商业航天企业。

SpaceX公司的这个基地,和军方颇有渊源。

上图一片农田之间,有个正五边形。

离近一些看,哈!原来是阵列天线!

实际上,这是一个颇有历史的军事基地。这座小山,其实被掏空了。山上山下,大小雷达,共有73台。

这个规模巨大的雷达基地,其实在1965年就开始启用了。有关该基地的诸多故事,小火箭努力在今后写一个专题吧!

这就是星链计划#7关口站

小火箭风格,具体坐标为:

北纬48°08'55.1\"N

西经119°42'04.0\"W

具体的天线信息:

直径:5.02米;

海拔:385.01米;

功率:38.92瓦。

频率:双频,12.200GHz;12.2500GHz

总结

上图标记了星链计划现役所有7个关口站(6个纯关口站+1个测控关口两用站)的位置。

以上为轨道倾角为53°的星链计划目前在轨卫星的轨道情况。计算:小火箭 邢强。

按上图星下点位置和上上图的轨道情况来看,现役7个关口站,能够实现对星链计划星座的转发式工作的支持,同时以疏和密两种模式,进行实际运营测试。

其中,集中在华盛顿州的3台关口站和蒙大拿州的1台关口站,这4个站,距离较近,形成密集阵列,为密集关口模态测试;

其余3个关口站,在美国西南角的加利福尼亚和美国东北部的五大湖附近,形成大三角形稀疏阵列,为稀疏关口模态测试布局。

近况

文末,小火箭给出星链计划所有在轨117颗卫星(分两批入轨,第一批现存57颗,第二批现存60颗)的轨道具体情况。

以下,为星链计划卫星公元2019年12月4日23点30分00秒的在轨运行情况。

第一批:

星链计划第一批卫星的远地点情况。

星链-52,星链-60和星链-80这三颗星已失联;

星链-67的近地点高度仅剩300公里,远地点高度也只有326公里,预计将在明年(2020年)年初再入大气焚毁;

星链-46的近地点高度为319公里,预计也将在明年再入稠密大气。

第二批:

星链计划第二批60颗卫星,自2019年11月11日发射进入太空以来,目前还在入轨阶段。

SpaceX公司采用了分批提升轨道的方案,其中半数卫星的远地点高度提升到了350公里,另有半数卫星的远地点高度,提升到了400公里以上。

第二批星链计划卫星的标称轨道倾角为53.01°,比第一批星链计划卫星的标称轨道倾角大0.01°。

上图为星链计划所有在轨117颗卫星的远地点高度情况。制图:邢强。

测控系统,是航天九大系统当中不可或缺的一环,同时也是低轨巨型星座能够真正实现高效可靠运营的核心技术。

本文给出星链计划所有在役地面站和全部在轨卫星的详情。据我所知,这是全球范围内,第一次对星链计划地面站系统和测控尝试的详细分析。

希望本文能够对所有关注低轨星座发展的工程师有所启发,同时能够回报大家对小火箭的信任和期待!

卫星地面站天线和射电望远镜天线,有着相似的外形,却有着不同的使命。

射电望远镜探索未知,而卫星地面站,则和低轨巨型星座一起,让全球的人类能够更多地相互沟通和理解。

那地面站的天线,更像是一把佳人撑起的油纸伞。

文末,小火箭写就一首小诗:

当那

相思如雨

想念成河,

你会否

撑一把油伞

立一叶扁舟

破梦而来?

小火箭 邢强 2019年12月4日深夜

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