埃隆马斯克的 spaceX公司就星链计划与美国国家科学院的天文学讨论

2020年SpaceX 正在推出 Starlink，以在全球范围内提供高速、低延迟的宽带连接，包括到传统上互联网过于昂贵、不可靠或完全不可用的地方。我们也坚信自然夜空对我们所有人来说都很重要，这就是为什么我们一直在与世界各地的领先天文学家合作，以更好地了解他们的观测细节以及我们可以为降低卫星亮度而做出的工程改变. 我们的目标包括：

使卫星在发射后一周内通常肉眼看不见。

我们通过改变卫星飞行到其运行高度的方式来做到这一点，以便它们以卫星刀刃飞向太阳。我们正在努力尽快为所有卫星实施此功能，因为这是一项软件更改。

通过使卫星变暗来最小化 Starlink 对天文学的影响，这样它们就不会使天文台探测器饱和。

我们通过在卫星上添加一个可展开的遮阳板来阻止阳光照射到航天器最亮的部分来实现这一点。第一个单元将在下一次发射中飞行，到 6 月的第 9 次飞行，所有未来的 Starlink 卫星都将配备遮阳板。此外，有关我们卫星轨道的信息位于space-track.org上，以方便天文学家的观测安排。我们对有关改进此信息的实用性和及时性的方法的反馈感兴趣。

为了更好地解释亮度缓解工作的细节，我们需要更多地解释 Starlink 卫星是如何工作的。

星链轨道

Starlink 有三个飞行阶段：(1) 轨道提升，(2) 停放轨道（距地球 380 公里），和 (3) 在站（距地球 550 公里）。在轨道上升期间，卫星使用它们的推进器在几周 内提高高度。一些卫星直接进入车站，而另一些则停在停放轨道上，让卫星进动到不同的轨道平面。一旦卫星入站，它们就会重新配置，使天线面向地球，太阳能阵列垂直，以便它可以跟踪太阳以最大限度地发电。由于这种机动，卫星变得更暗，因为从地面看太阳能电池板的能见度大大降低。

目前，400多颗卫星中，约有一半在站，另一半在升轨或停轨。卫星在其生命中的一小部分花费在轨道上升或停泊上，而大部分时间都在空间站上度过。重要的是要注意，在任何给定时间，只有大约数百颗卫星将在轨道上升或停泊。其余卫星将在站上运行轨道上。

星链卫星

与其他通信卫星相比，Starlink 卫星的飞行高度非常低，这一事实推动了 Starlink 卫星的设计。我们这样做是为了优先考虑空间交通安全，并尽量减少卫星与从中获得互联网服务的用户之间的信号延迟。由于海拔低，阻力是设计中的主要因素。在轨道上升期间，卫星必须尽量减少它们相对于“风”的横截面积，否则阻力会导致它们脱离轨道。高阻力是一把双刃剑——这意味着飞行卫星很棘手，但这也意味着任何遇到问题的卫星都会迅速安全地脱离轨道，在大气层中燃烧。这减少了轨道上的轨道碎片或“太空垃圾”的数量。

这种低阻力和推力的飞行配置类似于一本打开的书，其中太阳能电池板平放在飞行器前面。当 Starlink 卫星升轨时，它们会在有限的范围内围绕速度矢量滚动以进行发电，始终保持横截面积最小化，同时保持面向地球的天线足以与地面站保持联系。

当卫星到达其 550 公里的运行轨道时，阻力仍然是一个因素——因此任何无法运行的卫星都会迅速衰减——但姿态控制系统能够通过将太阳能电池阵列以垂直方向提升到卫星上方来克服这种阻力，我们叫“鱼翅”。这是卫星大部分使用寿命的方向。

卫星能见度

卫星在日出或日落时从地面可见。发生这种情况是因为卫星被太阳照亮，但地面上的人或望远镜却处于黑暗中。这些情况只发生在 Starlink 90 分钟轨道的一小部分。

这个简单的图表突出了为什么在轨卫星比在轨卫星亮得多。在轨道提升过程中，当太阳能电池板处于打开状态时，太阳光会从太阳能电池板和卫星主体反射并撞击地面。一旦在站上，只有底盘的某些部分可以将光反射到地面。

卫星亮度物理学

物体的视星等是衡量从地球上观察到的恒星或物体的亮度。它是一个反向对数标度，因此较高的数字对应于较暗的物体。3 等星的亮度大约是 4 等星的 2.5 倍。根据我们和天文界成员的观测结果，目前的 Starlink 卫星在站时的平均视星等为 5.5，并且更亮在轨道提升期间。肉眼可以看到高达 6.5-7 等的物体（大多数郊区的肉眼能见度接近 4），我们的目标是让 Starlink 卫星在其任务的几乎所有阶段都达到 7 等或更高。

Starlink 卫星的反射有两种类型：漫反射和镜面反射。当光在许多不同方向上散射时，就会发生漫反射。想象一下用手电筒照一堵白墙。当光在特定方向上反射时，就会发生镜面反射。例如，从镜子上射出的阳光。漫反射是影响地面观测亮度的最大因素，因为漫反射向各个方向传播。只要卫星可见，您就可以看到漫反射。这就是为什么星链卫星可以在夜空中产生“珍珠链”效应的原因。这有点违反直觉，但 Starlink 卫星的闪亮组件是一个小得多的问题。无论是漫反射还是镜面反射，高反射率都有助于卫星在太空中保持凉爽。当阳光照射到航天器的镜面反射并反射时，绝大多数光会沿镜面（镜面反射）方向反射，该方向通常朝向太空（而不是朝向地球）。有时，闪烁仅持续一秒钟或更短时间。事实上，镜面通常是卫星中最暗的部分，除非你的几何形状恰到好处。

Starlink 发光的最大贡献者是卫星底部的白色漫射相控阵天线、侧面的白色漫射抛物面天线（下图未显示）以及太阳能电池阵列的白色漫射背面。这些表面都是白色的，以降低温度，因此组件不会过热。使 Starlink 变暗的关键是防止阳光照射到这些白色表面并通过反射向地面上的观察者散射。在轨道上升和停放轨道上，由于表面积大得多，太阳能电池阵列占主导地位。然而，一旦卫星处于其工作高度，天线就会占据主导地位，因为太阳能电池阵列的明亮背面被遮蔽了。

工作中的解决方案

我们采取了一种实验性和迭代的方法来降低 Starlink 卫星的亮度。轨道亮度是一个极难分析解决的问题，因此我们一直在努力进行地面和在轨测试。

例如，今年早些时候，我们发射了 DarkSat，这是一颗实验卫星，我们将相控阵和抛物面天线变暗，旨在解决站内亮度问题。这将卫星的亮度降低了约 55%，这通过将 DarkSat 与其他附近的 Starlink 卫星进行比较的差分光学测量得到了证实。这几乎足以降低亮度，使卫星在站上时肉眼看不见。然而，太空中的黑色表面会变热并反射一些光（包括在 IR 光谱中），因此我们正在推进使用遮阳板解决方案。这避免了由于黑色油漆引起的热问题，并且预计会比 DarkSat 更暗，因为它会阻止所有光线到达白色漫射天线。

早期任务（轨道提升和停车轨道）滚动机动

由于遮阳板旨在帮助在站时提高亮度，因此它不会遮挡太阳能电池板的背面，这意味着它不会阻止轨道升高和停放轨道亮度。为此，我们正在努力改变卫星从插入到停放轨道再到站的飞行方式。

我们目前正在测试滚动卫星，使太阳的矢量与卫星主体在同一平面内，即卫星与太阳成刀刃。这将通过减少接收光的表面积来减少反射到地球上的光。这在进动轨道上的轨道上升和停放时是可能的，因为我们不必将天线限制在最低点以向互联网用户提供覆盖。然而，这有几个微妙的原因导致难以实施。首先，将太阳能电池阵列远离太阳会减少卫星可用的电量。其次，由于天线有时会滚离地面，因此与卫星的接触时间会减少。第三，星形跟踪器摄像头位于底盘的侧面（它们唯一可以去并有足够视野的地方）。向太阳滚动刀刃可以将一个星跟踪器直接指向地球，另一个直接指向太阳，这会导致卫星的姿态知识退化。

由于上述限制之一，当卫星无法一直滚动到真正的太阳边缘时，会有一小部分实例。这可能会导致偶尔出现一组 Starlink 卫星在轨道上的飞行升起，这些卫星在轨道的一部分暂时可见。

现场亮度

卫星大部分时间都在空间站上度过，在可见的通过过程中，它们将始终处于鲨鱼鳍配置中。我们可以在此配置中调整太阳能电池阵列的位置，以将其大部分镜面太阳能电池的光反射远离地球，并将其部分隐藏在底盘后面。剩下的主要目标是阻止相控阵和天线直接看到太阳。目标是覆盖卫星侧面的白色相控阵天线和抛物面天线。

利用我们的低轨道高度和平坦的卫星几何形状发挥我们的优势，我们为卫星设计了一种射频透明的可展开遮阳板，可阻挡光线到达卫星主体的大部分和主体的所有漫射部分。该遮阳板在发射期间平放在底盘上，并在卫星与猎鹰 9 号分离期间展开。遮阳板通过完全阻挡光线到达天线来防止光线从漫射天线反射。这种方法不仅避免了天线表面变暗的热影响，而且还应该对亮度降低产生更大的影响。如前所述，第一个 VisorSat 原型将于 5 月发射，到 6 月，我们将在所有卫星上安装这些黑色镜面面罩。

我们一直在与领先的天文团体合作，特别是美国天文学会和 Vera C. Rubin 天文台，以更好地了解天文学界使用的方法和仪器。借助 AAS，我们通过与天文学家工作组的定期通话增加了我们对整个社区的了解，在此期间，我们讨论技术细节、提供更新并致力于如何保护天文观测向前发展。关于我们的一些会议的帖子在这里。该工作组成员的一个特别有用的演示在这里。

虽然社区理解对这个问题至关重要，但如果没有具体细节，工程问题很难解决。Vera C. Rubin 天文台一再被标记为最难解决的案例，因此我们在过去几个月中与那里的技术团队密切合作来解决这个问题。在其他有用的想法和讨论中，Vera Rubin 团队提供了一个目标亮度降低，我们在迭代亮度解决方案时使用它来指导我们的工程工作。

这些技术和社区讨论与我们现有的努力相结合，使天文学家更容易避开这些卫星。Starlink轨迹通过space-track.org和celestrak.com发布，许多天文学家使用它们来计时他们的观测以避免卫星条纹。应天文学家的要求，我们还开始在发射前发布预测数据。这些允许天文台在部署的最初几个小时内围绕卫星进行调度（当卫星脱离并进入网络时）。

Vera Rubin 因其巨大的光圈和广阔的视野而被描述为 Starlink 的极限案例。这两个特征协同工作，为卫星观测产生了完美的风暴。大多数天文系统只观察天空的极小部分（小于 1 度），这使得在给定观测中卫星极不可能穿过成像系统前面。另一方面，具有非常大视野的系统通常不是非常敏感，这意味着虽然会出现条纹，但它们对整体数据收集的影响很小。这就是我们与鲁宾天文台团队如此密切合作的原因。事实上，尽管视野开阔，Vera C.

那么，我们能做些什么来减轻我们对宽、快速测量望远镜的这些边缘情况的影响呢？

尽量减少对天文学的影响

Vera C. Rubin 天文台等大型望远镜的巨大收集区域导致了一种灵敏度，即使是最暗的卫星也可以看到。它们非常敏感，以至于不可能建造一颗不会产生条纹的卫星，在典型的长积分。可以做很多事情来减少卫星条纹的影响，首先要了解天文传感器的工作原理。

天文界在向我们介绍他们的成像技术方面做得很好。光学系统使用镜子或透镜将光聚焦到成像传感器上。大多数光学天文学仪器都使用称为电荷耦合器件 (CCD) 的传感器作为它们的探测器，因为天文目标，例如遥远的超新星和星系，通常是暗淡的——处于传感器可以探测到的极限。对于这些应用，CCD 的较低噪声水平允许给定图像具有更高的信噪比，从而更容易看到宇宙中非常微弱的特征。

然而，CCD 有一个关键缺点：与其他常见传感器相比，例如手机中的 CMOS 传感器。如果您将手机对准强光，您会看到所有像素都饱和并在明亮光源区域变白。如果您使用使用 CCD 传感器的光学系统观察同一个目标，您会注意到这个亮点会延伸以在图像上形成垂直条纹。

这种差异是由于每种传感器类型读取每个像素值的方式造成的。虽然 CMOS 传感器本质上在每个像素处都有一个放大器，可以将收集到的光转换为数字值，但 CCD 传感器的放大器数量有限，并将收集到的光（以电子的形式）移动穿过传感器，以进行数字化。这种机制意味着 CCD 上的饱和像素往往会清除整列像素中的数据。

这种效应，通常被称为“绽放”，是一个非常小但明亮的光源如何影响天文观测的例子。这一原则是我们缓解工作的核心。虽然不可能制造出地球上最先进的光学设备看不到的卫星，但通过降低卫星的亮度，我们可以使处理类似问题的现有策略（例如帧堆叠）显着提高效率.

未来的卫星

SpaceX 致力于让未来的卫星设计尽可能地黑暗。下一代卫星旨在利用 Starship 独特的发射能力，将专门设计为最大限度地降低亮度，同时增加高速互联网接入服务的消费者数量。

虽然 SpaceX 是第一个解决卫星亮度问题的大型星座制造商和运营商，但我们不会是最后一个。随着发射成本的不断下降，将会出现更多的星座，它们也需要确保其卫星的光学特性不会给地面上的观测者带来问题。这就是为什么我们正在努力让每个人在未来更容易解决这个问题。