巨型低軌星座安全性研究及其規避機動策略綜述

云朝明，胡敏，宋慶雷，武暾

(1.航天工程大學，北京101416；2.航天系統部，北京100094)

1 前言

星座是由多顆衛星按照一定構型組成的衛星網，通過組網，星座可以實現全球覆蓋。傳統衛星星座由于衛星生產、制造以及星座運行維護成本高昂，星座建設大多依靠政府支持，星座投入資金少、規模小。隨著航天技術的發展以及衛星批量化生產的實現，星座建設成本大幅降低，建立100顆衛星以上的巨型低軌星座成為可能。同時數字技術的進步又促進了人們對于寬帶網絡的需求，“星座+互聯網”的概念成為國內外研究熱點，各國紛紛提出建設基于天基平臺實現寬帶接入的巨型低軌星座的方案。

自從美國的銥33衛星和俄羅斯的宇宙2251衛星發生碰撞以來，世界各國對航天器碰撞問題愈發重視。而2019年9月，歐空局的一顆 “風神”衛星為避免與一顆 “星鏈” (Starlink)衛星發生碰撞，主動進行了變軌機動，更是對巨型低軌星座的安全運行敲響了警鐘。為了避免巨型低軌星座發生碰撞，必須對其安全性進行研究，制定出相應的規避機動策略。

星座安全不僅是維持巨型低軌星座穩定運行的基本條件，也是保護其他在軌航天器安全和未來航天任務的必然要求。隨著部分巨型低軌星座開始組網，在軌衛星逐漸增多，傳統單顆衛星或小型星座安全性保障措施已不適用于巨型低軌星座，亟需提出適合巨型低軌星座安全性的保護措施。巨型低軌星座安全性研究主要從以下兩個方面展開:一是研究巨型低軌星座安全性，此部分主要是對星座內部碰撞、星座外部碰撞和空間環境可持續性進行分析；二是研究巨型低軌星座的碰撞規避機動策略，此部分主要是對星座具體規避方法的研究。

本文首先介紹了巨型低軌星座的發展現狀，對典型星座安全方案進行了總結歸納；其次詳細地分析了巨型低軌星座面臨的內部碰撞威脅、外部碰撞威脅和空間環境安全威脅；然后根據低軌衛星碰撞規避方法總結出適用于巨型星座的碰撞規避機動方法，最后對文章進行了總結。

2 巨型低軌星座發展現狀

隨著航天技術的發展，星座逐漸從傳統低軌通信衛星星座向巨型低軌星座發展，對星座安全性要求越來越高。目前，除了機構間空間碎片協調委員會、歐空局給出了碎片減緩準則以外[1]，還沒有統一的政策和法規來規范巨型低軌星座的安全運行，各個公司只能根據各自星座情況，研究適用于自己的星座安全運行方案。

2.1 傳統低軌通信衛星星座

傳統低軌通信衛星星座創建于20世紀80年代末，當時各國提出了許多星座方案，但最終實現組網部署的只有銥星 (Iridium)、全球星(Globalstar)和軌道通信 (Orbcomm)三大系統。傳統低軌通信衛星星座由于規模小，星間分布距離大，制定星座安全措施時不用考慮星座內部碰撞的可能，只需考慮星座受到外部碰撞的概率。1999年Rossi[2]等人對銥星的碰撞概率進行了模擬計算，得到銥星每10年的碰撞概率為10%，由于碰撞概率較低，星座只需采用空間碎片協調委員會的減緩準則以及對可能發生碰撞的衛星實施規避機動，就可以保證星座的長期穩定運行。表1為三大傳統低軌通信衛星星座的星座參數[3，4]。

2.2 巨型低軌星座

巨型低軌星座的發展起源于2014年。截至現在，國內外已經公布了多個巨型低軌星座方案，包括國內的鴻雁、虹云、銀河航天等星座，國外的Starlink系統、OneWeb系統、LeoSat衛星系統、TeleSat系統、開普勒星座、三星系統和波音公司系統等。表2給出了各星座軌道分布情況和衛星數量[5，6]。目前，除了部分公司因為資金問題已經破產，例如LeoSat和OneWeb等，絕大多數公司還處于星座設計階段，主要集中在星座及相關發射規劃設計，但對星座安全性方面研究較少。只有SpaceX和OneWeb等公司發布了對星座安全性方面的研究。

表1 三大傳統低軌通信衛星星座軌道參數Table 1 Orbit parameters of three traditional low orbit communication satellite constellations

Starlink系統是由SpaceX公司于2015年提出，2019年5月，Starlink系統正式開始組網，截至2020年9月，SpaceX成功發射了12批共713顆衛星。2020年，SpaceX計劃發射24次，將1440顆衛星送入軌道，完成第一階段發射任務并開始區域服務。由于Starlink系統規模龐大，為了保證星座安全運行，SpaceX采取了一系列措施。首先，為了減少衛星入軌和離軌處置時間，加快失效衛星墜入大氣層銷毀，把第一階段1584顆衛星從1150km軌道高度下調到550km；其次，安裝了精確定位的導航系統，能夠實時接收來自地面的太空碎片監控情況，在必要的時候，能夠自主進行最優規避軌道的在軌優化計算并實施變軌；最后，公司對生產材料進行了改進，用鋁件代替鋼件，確保衛星重返大氣層時能夠100%燒毀。

OneWeb系統由OneWeb公司于2014年提出，2020年2月正式開始組網。截至現在，OneWeb發射了2批共78顆衛星。按照計劃，OneWeb將在2021年底前，進行17或18次聯盟號發射和一次阿里安6號發射，把588顆工作衛星部署到位，實現全球覆蓋，但由于投資方拒絕追加投資，OneWeb公司資金鏈斷裂，今年3月已經申請破產。根據資料，OneWeb公司采用了多種方式來保證星座長期穩定運行，一是縮短離軌處置時間，把任務后處置時間降為5年；二是與美國戰略司令部聯合太空作戰中心 (USSTRA TCOM/JSPOC)簽訂數據共享協議，減少軌道的不確定性；三是保證離軌處置成功率大于90%；四是給衛星安裝夾具，使衛星能夠主動清除碎片；五是與其他公司合作，為OneWeb星座提供碎片主動清除服務[7]。

表2 巨型低軌星座計劃Table 2 LEO constellation programs

3 巨型低軌星座安全性分析

星座安全性主要是指星座的碰撞問題。目前星座面臨的碰撞威脅包括星座內部衛星間的碰撞、星座與其他物體的碰撞以及空間環境安全威脅。巨型低軌星座衛星數量多，除了具有傳統星座所面臨的碰撞威脅外，其龐大的規模還帶來了新的問題。因此，保證巨型低軌星座長期穩定運行，必須仔細分析巨型低軌星座面臨的具體碰撞情況以及星座運行的空間環境狀況，為制定巨型低軌星座碰撞規避安全措施提供參考。

3.1 巨型低軌星座內部衛星間碰撞分析

巨型低軌星座內部衛星間的碰撞可以分為兩種:一種是攝動力作用引起的碰撞，一種是非攝動力作用引起的碰撞。下面對兩種碰撞分別進行分析。

攝動力作用引起的碰撞是由攝動力和軌道初始誤差相互作用引起的。根據文獻 [8]和文獻 [9]對近地軌道主要攝動源的分析評估，巨型低軌星座在近地軌道主要受到地球非球形攝動的影響。除此之外，需要根據星座的軌道高度確定是否考慮大氣阻力攝動的影響。星座僅受攝動力作用時，星座會整體漂移，但星座構型保持穩定；當星座各衛星軌道存在初始誤差時，不同的初始誤差值使星座各衛星軌道參數變化率各不相同，導致衛星運動不規律，破壞了星座構型，文獻[10]—文獻 [13]詳細分析了軌道偏差對星座構型破壞的過程，文獻 [14]增加了大氣阻力攝動對星座構型的影響。從這些文獻中可知，對星座內部碰撞影響最大的是半長軸偏差，半長軸偏差直接影響衛星相位的變化，對星座構型穩定性起到決定作用[15]。

非攝動力作用引起的碰撞是指星座衛星在入軌、軌道維持控制、碰撞規避以及離軌處置等機動過程以及由于觀測誤差等造成衛星位置不確定引起的星座內部碰撞。與傳統低軌星座不同的是，巨型低軌星座衛星數量是傳統星座的幾倍、幾十倍甚至幾百倍，不僅增加了軌道平面內衛星的數量和軌道平面數量，有的甚至創建了多個軌道層部署星座，例如文獻 [16]的Starlink就計劃建立多軌道層的巨型低軌星座，并且其軌道層高度僅在328～580km就有8個軌道層高度差小于20km且其最小軌道層高度差為5km。星座在軌衛星密度的增加導致衛星在交會點交會次數劇增，增加了星座衛星在交會點的碰撞概率。此外，衛星密度越高，衛星間間距越小，通過衛星軌道平面的時間窗口越少，衛星機動過程的實施對軌道設計要求以及控制要求更高，同時由于星座規模越大，對星座構型精度要求更高，為了減少星座構型控制上的壓力，絕大多數巨型低軌星座都采用均勻分布的方式，這也增加了衛星的碰撞概率[17]。

3.2 巨型低軌星座外部碰撞分析

巨型低軌星座外部碰撞是指星座與星座外其它在軌衛星及空間碎片發生的碰撞。由于空間碎片無法預測其在空間中的運動軌跡以及不可控的特點，導致無法準確預警空間碎片與航天器的碰撞，而且目前航天器發生的碰撞主要都是同空間碎片之間發生的[18]，因此，星座外部碰撞是巨型低軌星座面臨的主要碰撞方式。

目前，大多數在軌衛星以及大量航天發射活動帶來的空間碎片運行在低地球軌道，根據張育林、王曉偉[19，20]等人對近地軌道空間碎片的研究，在不進行航天發射的情況下，低地球軌道空間碎片數量仍然會持續增長，而隨著世界航天活動日益頻繁，空間碎片數量將進一步增加，并且巨型低軌星座衛星大多統一部署在同一軌道高度，使得對應軌道航天器密度成倍增加，兩者相互作用的情況下，將會極大提高巨型低軌星座受到外部碰撞的概率。

為了避免國際空間站與空間碎片發生碰撞，國際空間站已經多次實施了規避機動措施[21]，而巨型低軌星座在對應軌道球面上分布更廣，且由于其軌道面數量多，運行周期短，其在空間中覆蓋了更大的碰撞橫截面積，因此，可以推斷未來巨型低軌星座遭遇的碰撞次數將更多于國際空間站。2018年Le May S[22]使用MASTER-2009模型研究在當前碎片環境下，OneWeb和StarlLink星座發生碰撞的概率，通過使用衛星和碎片組合橫截面上碎片通量推導碰撞概率的方法，發現One-Web星座內至少發生一次災難性碰撞的可能性為5.0%，而Starllink星座內至少發生一次災難性碰撞的可能性高達45.8%。此外，巨型低軌星座衛星入軌和離軌處置階段也存在與空間碎片碰撞的風險，2017年Radtke[23]計算了OneWeb星座在各個階段與尺寸大于3cm的空間碎片的碰撞概率，算出單星在入軌和離軌處置時的碰撞概率分別為0.01%和0.02%，整個星座在入軌和離軌處置時的碰撞概率分別為4.11%和15.15%。由此可見，巨型低軌星座受到外部碰撞的形勢十分嚴峻。

3.3 巨型低軌星座對近地空間環境的影響

巨型低軌星座建設對近地空間環境會產生重大的影響。巨型星座本身增加了近地空間物體的密度。此外，巨型低軌星座在建設過程中也會產生大量空間碎片、失效衛星等，進一步增加空間密度，當其中一顆衛星發生碰撞或空間環境密度增加到臨界值時，就會產生Kessler[24]效應，破壞空間環境的可持續性，威脅整個星座安全。

早期巨型低軌星座對近地空間環境的可持續性研究主要集中在星座衛星數量規模對空間環境可持續性的影響。1997年Walker[25]模擬了一個在700km軌道高度運行的900多顆衛星的星座，發現星座在空間碎片密度較高的環境中會破壞環境的穩定性，無法長期維持星座運行，并且估計出在空間碎片密度較大的軌道可以維持100顆衛星長期運行，在空間密度較小的軌道可以維持350顆衛星運行。隨著緩解措施的制定[26]，巨型低軌星座對空間環境的影響雖然有所下降，但不足以保持空間碎片環境的穩定，因此需要進一步研究在不同條件下，巨型低軌星座對空間環境的具體影響。

文獻 [27]研究了不同巨型低軌星座任務后處置成功率和任務后在軌壽命對空間環境的影響。結果表明，任務后處置成功率是空間環境可持續性的重要影響因素，巨型低軌星座任務后處置成功率直接體現了空間環境中廢棄衛星的增長速度，任務后處置成功率越高，廢棄衛星的增長速度就越低，對空間環境可持續性的影響越小。目前，機構間空間碎片協調委員會對任務后處置成功率的建議為90%，但 Pardini[28]研究了800～1400km的巨型低軌星座任務后處置成功率與碰撞概率的關系，得出如果要保持空間環境的可持續性，必須保證巨型低軌星座任務后處置成功率至少達到95%。此外，文獻 [29]還指出了巨型低軌星座離軌處置過程發生碰撞的概率較高，對軌道空間環境的影響較大，需要將離軌衛星進行分散處理。

衛星可靠性也是巨型低軌星座對空間環境影響的主要因素之一[30]。衛星可靠性包括衛星故障率和衛星爆炸概率，衛星故障率直接表現在在軌衛星的失效情況，通常這些失效衛星和工作衛星在同一軌道上，由于衛星失效不可控，容易與工作衛星發生碰撞，對空間環境造成安全隱患。衛星爆炸對空間環境危害大，衛星爆炸解體以后，其碎片分布在軌道附近，容易與在軌衛星發生碰撞，并且這些碎片在攝動力的作用下不斷分離，散落在各個軌道上，會影響其他在軌航天器的安全，文獻 [31]以OneWeb為例，對衛星爆炸解體進行了詳細分析，并計算了衛星的爆炸概率，得出巨型低軌星座衛星的爆炸概率必須遠低于傳統低軌衛星的爆炸概率才能避免環境惡化。

此外，文獻 [32]分析了衛星面積、衛星質量對空間環境的影響，得到面積和質量越大的衛星不僅容易發生碰撞，并且碰撞產生的碎片也較多，對空間環境影響越大。而沈丹[33]則綜合考慮了衛星數量、面積、質量和星座部署高度對空間環境的影響，得出巨型低軌星座各個因素對空間環境具體的危害情況和危害大小。文獻 [34]研究了巨型低軌星座衛星質量、面積、故障率、避碰成功率、發射情況、離軌策略、星座和單星壽命等參數對空間環境的影響，并根據不同參數設置不同權重，設計了星座指數CCI來量化巨型低軌星座對環境影響的指標。

巨型低軌星座和空間環境是相互影響的，巨型低軌星座在各種條件下增加了空間環境的密度，破壞了空間環境的穩定性，導致空間環境反過來威脅星座的安全。因此，保護近地空間環境的可持續性就是保護巨型低軌星座的安全，必須重視巨型低軌星座建設對空間環境的影響，并制定相應的減緩策略。

4 巨型低軌星座規避機動策略

巨型低軌星座若不進行星座管理控制，星座在長期運行下必然會發生碰撞。因此，必須對巨型低軌星座碰撞規避方法進行研究，制定規避策略。由于巨型低軌星座衛星質量較小，攜帶的燃料或者工質有限，衛星實施碰撞規避機動時必須考慮燃料消耗的問題。另外，還必須考慮星座構型保持的問題，巨型低軌星座同軌道衛星數量多，衛星在碰撞規避機動后回到原來位置時的時間窗口小，對于規避時間以及規避路徑的選擇約束較大。

空間目標常用碰撞規避方法有三種[35]:一是高度分離規避法，通過給衛星一個切向沖量，讓衛星與碰撞點產生徑向分離距離實現碰撞規避；二是碰撞時間規避法，通過多次給衛星一個小的徑向沖量，讓衛星轉移到另一條軌道上，然后等預計碰撞時間過了以后再轉移回原軌道實現碰撞規避，或者計算好在預計碰撞時間之前轉移回原軌道的位置，使衛星在原軌道運行到碰撞點的時間與轉移軌道運行時間之和大于預計碰撞時間來實現碰撞規避；三是通過與航天器正常軌控相結合的方式實現碰撞規避。

巨型低軌星座由于衛星數量較多，星座碰撞概率高，每次碰撞發生都是隨機的，通過正常軌控相結合的方式避碰需要頻繁對整個星座進行調整，并且每次調整以后星座還會面臨新的碰撞威脅，因此不能對星座采用正常軌控相結合的方式實現碰撞規避。使用高度分離規避和碰撞時間規避方法雖然能夠很好地實現碰撞規避，但面臨兩個問題:一是衛星機動軌道與原軌道存在交點，衛星可能與原軌道上的衛星發生碰撞，當星座中衛星數量較少的時候，通過計算好規避路徑，可以比較容易避開與軌道上衛星發生交會的時間窗口，當軌道上衛星比較密集時，過交會點的衛星多，不容易設計規避路徑；二是巨型低軌星座有的軌道層間距設置較小，若規避軌道設置較大可能會與其他軌道層的衛星發生碰撞。

因此，在巨型低軌星座衛星既需要避開碰撞點，同時又要保持星座構型的條件下，若星座存在使用高度分離規避和碰撞時間規避方法進行碰撞規避的時間窗口時，可以優先采用這兩種方法。但若是不存在使用這兩種方法的時間窗口時，我們必須另外去尋找這個時間窗口，為此，我們可以引入一條停泊軌道，當需要進行避碰規避的時候，可以把衛星轉入停泊軌道中，當規避完成以后，選擇合適時機轉移回原軌道，實現碰撞規避。