卫星运营商的亮度缓解最佳实践

太空探索是 SpaceX 核心使命的基础。 因此，SpaceX 采取了前所未有的措施与天文学界合作，以更好地了解 SpaceX 以及所有卫星运营商如何减轻卫星反射太阳对天文观测的影响。

通过这项深入的协作工作，SpaceX 实施了创新的技术解决方案和技术，以尽量减少卫星对夜空的影响。 事实上，SpaceX 在开发和部署此类技术和工艺方面的投资比任何其他卫星所有者/运营商都多。 以下是我们之前分享过的 SpaceX 工作的最新动态及其有益影响。

亮度缓解措施

通过与天文学界的合作，SpaceX 已经识别并减轻了卫星亮度的主要来源，并试图使其卫星在标准运行高度时肉眼看不见。

如果任何卫星被太阳照亮并向地球观察者散射光，那么在夜间从地球上就可以看到它。 当卫星刚好位于明暗界线（地球上的昼/夜边界）的暗面上方时（对应于入夜和黎明前的前几个小时），卫星通常是可见的。 有几个因素决定了卫星在地面上的可见度。 高度较高的卫星在夜间会被照亮； 然而，在日落或日出后不久，海拔较低的卫星的入射阳光将被地球阻挡。 例如，维拉鲁宾天文台（2010 年天体物理学十年调查中排名第一的大型地面项目）等天文台在午夜可以看到 1200 公里处的卫星。 由于不会被照亮，维拉鲁宾天文台在午夜将看不到 SpaceX 卫星。

卫星的可见度还取决于其表面所用的材料。 与路灯等会产生光污染的物体不同，卫星通常不会发出自己的光。 相反，亮度是由于自然阳光从卫星表面散射并反射回地球而产生的。 这种光可以通过两种方式从卫星上散射：镜面反射或漫射。 镜面光像镜子一样以单一角度反射。 相比之下，漫射光从各个角度从表面发出，虽然在观察卫星时呈现出无光泽的外观，但从更多方向都可以看到反射光。 虽然违反直觉，卫星平坦的最低点反射更像镜子，但实际上对天文学的影响较小，因为完美的反射永远不会与地球相交。 相反，漫反射光会传播到多个角度，因此可以从多个角度看到。 如下所述，SpaceX 因此投资了镜面表面。

但并非所有材料都具有高反射率； 有些材料可以是“吸收性的”，这意味着表面反射的光远不如其反射的入射阳光明亮。 吸收材料可以是镜面的或漫反射的。 但没有一种材料是完全镜面反射、漫反射或吸收的。 相反，所有材质都具有不同程度的反射率以及不同数量的镜面反射和漫反射内容。 SpaceX 投资用于非平坦最低点表面的吸收材料。

SpaceX 卫星的地面能见度有两个主要驱动因素：卫星主体（或“底盘”）散射的阳光，以及太阳能电池阵列散射的阳光。 SpaceX 已在其当前的第一代卫星上针对这两个问题采取了缓解措施。 但由于 SpaceX 现在对亮度有了更好的了解，它计划对其第二代卫星采取更好的缓解措施。

第一代卫星

SpaceX 在其第一代卫星上开发了“遮阳板”，可以阻挡阳光照射到底盘的底部。 SpaceX 成功开发了一种对无线电频率“透明”的遮阳板材料，并且不会遮挡 SpaceX 卫星的用户服务天线。 不幸的是，这种材料确实阻挡了 SpaceX 将覆盖范围扩大到世界最偏远地区所需的激光链路。 遮阳板还对卫星产生了很大的阻力。 由于 SpaceX 在如此低的高度运行，这种较高的阻力需要更多的推进器燃料消耗，以增加轨道高度并在达到运行高度后保持空间站保持。 出于这些原因，SpaceX 最终确定其遮阳板不是一个可行的长期解决方案。

作为遮阳板的替代品，SpaceX 开始开发射频透明镜膜。 这种介电镜膜将绝大多数阳光从地球上镜面散射。 SpaceX 一直在不断改进其镜膜，以减少反射回地球的光，并将在我们的下一代卫星上部署该膜的新改进版本。

SpaceX 在其第一代卫星上实施的另一个显着的亮度缓解措施是在太阳能电池阵列正面的太阳能电池之间使用较暗的材料。 如下图所示，这种电池间背衬材料最初是白色的，但现在变成了深红色，这降低了阵列的亮度。 使这种材料变暗会增加太阳能电池阵列的温度，从而降低性能，但 SpaceX 选择采用许多这样的设计让步来降低观察到的亮度。

第二代卫星

SpaceX 的第二代卫星将为星链网络增加更多容量，并连接更多地方的更多人。 客户已有的所有用户终端都能够连接第一代和第二代卫星。

尽管其第二代卫星比第一代卫星更大，但由于其亮度缓解措施，SpaceX 仍预计第二代卫星将比第一代卫星更暗。 第二代卫星具有与第一代卫星非常相似的“扁平卫星”架构，因为这使得卫星能够密集地封装到星舰中，并在运行过程中提供低阻力。 为用户服务的相控阵天线位于卫星的底面，用于网关连接的抛物面天线和用于卫星之间激光链路的激光终端位于周边。 与第一代卫星相比，这些卫星具有更大的表面积与质量比，因此在发生故障时它们可以更快地被动拖动脱轨（您可以在此处详细了解我们的空间可持续性和安全方法）。

第二代卫星将采用三种先进的亮度缓解技术：

• 介电镜膜

SpaceX 在卫星底部覆盖了第二代介电镜膜，与使用双向反射分布函数 (BRDF) 指标的第一代膜相比，该膜在降低观察到的亮度方面效果好 10 倍。 下图显示了降低能见度的各种解决方案的 BRDF，包括 SpaceX 的新型介电镜膜、旧膜、遮阳板上使用的黑色泡沫和黑色油漆。 该图表中的峰值对应于与入射角相反的镜面反射，0 度处的值对应于观察者直接向上看。 正如您所看到的，虽然第一代镜子比用于遮阳板的黑色泡沫更亮，但第二代镜子为观察者直视头顶的亮度降低了一个数量级（请注意，y 轴是对数刻度） 。

这种改进可以用肉眼看到，如下图所示，显示了位于新旧镜子顶部的旧版本 Starlink WiFi 路由器的反射。

SpaceX 通过广泛的研究和迭代，最大限度地提高了薄膜的镜面散射效果。 薄膜的核心是布拉格镜，它包括许多具有不同折射率的薄塑料层，这些塑料层在内部产生干涉图案以反射光线，但允许无线电波畅通无阻地通过。 为了在太空环境中（紫外线降解和原子氧存在问题）生存，需要沉积二氧化钛 (TiO2) 和二氧化硅 (SiO2) 保护层来保护薄膜。 这些层足够薄且纯净，不会影响薄膜的行为。

但 SpaceX 无法单独减少对太空探索的影响——所有卫星运营商必须共同努力。 为此，SpaceX 将在 Starlink 网站上以成本价提供这部影片作为产品，以便所有运营商都可以使用它来减少自己的星座对天文学和夜空的影响。

• 太阳能电池阵列缓解措施

太阳能电池阵列还可以作为卫星亮度的来源。 具体来说，太阳能电池阵的正面包括太阳能电池，可以将阳光散射到地面上，而太阳能电池阵的背面可以像灯罩一样被太阳照亮。 SpaceX 已采取措施降低其第二代卫星上这两个光源的亮度。 为了减轻太阳能电池阵列背面的亮度而不使太阳能电池过热，SpaceX 为太阳能背板开发了一种不透明颜料。

为了散射照射到太阳能电池阵列正面的阳光，第二代卫星将在穿越明暗界线（地球表面分隔黑夜和白天的线）时将太阳能电池阵列指向远离太阳的方向，这种操作称为“明暗界线跟踪”。 这种操作会将太阳能电池阵列的刀刃指向地球边缘，从而最大限度地减少从地面观看时的亮度，如下图所示。

值得注意的是，这种偏离方向的操作会导致卫星的可用功率减少 25%。 尽管成本高昂，SpaceX 还是专门设计了第二代卫星，使其能够适应这种显着的功耗降低，从而最大限度地减少从地面观看的亮度。

• 黑漆

第二代卫星上的许多小部件也共同提高了车辆的整体亮度。 因此，SpaceX 评估了卫星上在任何飞行姿态下从地面可见的每个组件——每个天线、每个设备和每个支架等。SpaceX 使用电介质镜来最大限度地减少平坦表面的亮度 ，同时对具有复杂几何形状的组件使用黑色油漆，以最大限度地减少高镜面散射与地球相交时出现的亮度和闪烁。 SpaceX 将对平坦的卫星最低表面进行定向，以使镜面峰值永远不会与地球相交。 不幸的是，这种技术并不适用于所有卫星组件。 例如，抛物面天线必须铰接并指向地面站。 如果这些碟子是镜面的（例如裸露的铝），那么地球观察者就会在某些方向看到闪烁。 为了减轻这些潜在的闪烁，SpaceX 内部开发了一种“低反射率黑色”涂料，与最暗的可用太空稳定涂料相比，其镜面峰值低五倍。 SpaceX 还在其他部件上使用了黑色油漆。

飞行操作

SpaceX 的目标是让第二代卫星在为用户服务时肉眼看不见，覆盖每颗卫星生命周期的绝大多数时间。 然而，在飞行的几个阶段中，卫星预计在其生命周期的一小部分时间内是可见的。

• 发射后立即：在脱离火箭后的前几次轨道上，卫星需要稳定并部署天线和太阳能电池阵列。 在部署过程中，光可能会从镜膜反射到地面上，而不是反射到太空中。

• 升轨：在从插入轨道升轨到运行轨道期间，卫星需要最大限度地提高发电量并最大限度地减少低空阻力，并且无法执行太阳能电池阵列偏离指向。

• 站位保持和防撞灼烧：卫星需要定期进行驻站灼烧，以保持在轨位置并避免碰撞，在此类操作期间卫星会变得更亮。

• 脱轨：就像轨道上升期间一样，卫星在其寿命结束时会变得更亮，同时降低轨道，直到它们在重返大气层时燃烧殆尽。

为了解决这些情况，SpaceX 继续改进轨道提升和离轨期间的卫星姿态和太阳能电池阵列指向技术，以减轻亮度，同时仍然满足任务目标。 此外，SpaceX 继续与各种天文学家、天文台和天文学相关团体合作，了解天文学家的经验、描述缓解措施，并帮助最大限度地减少卫星对图像的影响。 SpaceX 还发布了非常准确的 Starlink 卫星状态预测，主要是为了与其他卫星运营商协调避免碰撞，同时也使高灵敏度的地面望远镜能够最好地安排观测。

总结与未来

尽管 SpaceX 在降低地面卫星亮度方面投入了大量的工程努力，但没有一个工程模型是完美的。 因此，SpaceX 预计将继续寻找并实施进一步降低第二代卫星亮度的技术和操作技术。 SpaceX 将继续与天文学界密切合作，以减轻所有卫星运行对其重要工作的影响。 SpaceX 工程师将在 2022 年维拉 C. 鲁宾天文台项目和社区研讨会上亲自演讲并回答问题。SpaceX 还参加其他天文学会议和研讨会。

我们鼓励任何及所有问题、反馈和讨论。 SpaceX 致力于通过星链连接尽可能多的人，改善地球上数百万人的生活。

作为一家太空探索公司，SpaceX 是天文学和科学界的坚定支持者。 科学是我们日常工作的核心，SpaceX 团队热衷于努力成为我们共享空间环境的负责任的管理者。

https://api.starlink.com/public-files/BrightnessMitigationBestPracticesSatelliteOperators.pdf