巨型低轨星座安全性研究及其规避机动策略综述

云朝明，胡敏，宋庆雷，武暾

(1.航天工程大学，北京101416；2.航天系统部，北京100094)

1 前言

星座是由多颗卫星按照一定构型组成的卫星网，通过组网，星座可以实现全球覆盖。传统卫星星座由于卫星生产、制造以及星座运行维护成本高昂，星座建设大多依靠政府支持，星座投入资金少、规模小。随着航天技术的发展以及卫星批量化生产的实现，星座建设成本大幅降低，建立100颗卫星以上的巨型低轨星座成为可能。同时数字技术的进步又促进了人们对于宽带网络的需求，“星座+互联网”的概念成为国内外研究热点，各国纷纷提出建设基于天基平台实现宽带接入的巨型低轨星座的方案。

自从美国的铱33卫星和俄罗斯的宇宙2251卫星发生碰撞以来，世界各国对航天器碰撞问题愈发重视。而2019年9月，欧空局的一颗 “风神”卫星为避免与一颗 “星链” (Starlink)卫星发生碰撞，主动进行了变轨机动，更是对巨型低轨星座的安全运行敲响了警钟。为了避免巨型低轨星座发生碰撞，必须对其安全性进行研究，制定出相应的规避机动策略。

星座安全不仅是维持巨型低轨星座稳定运行的基本条件，也是保护其他在轨航天器安全和未来航天任务的必然要求。随着部分巨型低轨星座开始组网，在轨卫星逐渐增多，传统单颗卫星或小型星座安全性保障措施已不适用于巨型低轨星座，亟需提出适合巨型低轨星座安全性的保护措施。巨型低轨星座安全性研究主要从以下两个方面展开:一是研究巨型低轨星座安全性，此部分主要是对星座内部碰撞、星座外部碰撞和空间环境可持续性进行分析；二是研究巨型低轨星座的碰撞规避机动策略，此部分主要是对星座具体规避方法的研究。

本文首先介绍了巨型低轨星座的发展现状，对典型星座安全方案进行了总结归纳；其次详细地分析了巨型低轨星座面临的内部碰撞威胁、外部碰撞威胁和空间环境安全威胁；然后根据低轨卫星碰撞规避方法总结出适用于巨型星座的碰撞规避机动方法，最后对文章进行了总结。

2 巨型低轨星座发展现状

随着航天技术的发展，星座逐渐从传统低轨通信卫星星座向巨型低轨星座发展，对星座安全性要求越来越高。目前，除了机构间空间碎片协调委员会、欧空局给出了碎片减缓准则以外[1]，还没有统一的政策和法规来规范巨型低轨星座的安全运行，各个公司只能根据各自星座情况，研究适用于自己的星座安全运行方案。

2.1 传统低轨通信卫星星座

传统低轨通信卫星星座创建于20世纪80年代末，当时各国提出了许多星座方案，但最终实现组网部署的只有铱星 (Iridium)、全球星(Globalstar)和轨道通信 (Orbcomm)三大系统。传统低轨通信卫星星座由于规模小，星间分布距离大，制定星座安全措施时不用考虑星座内部碰撞的可能，只需考虑星座受到外部碰撞的概率。1999年Rossi[2]等人对铱星的碰撞概率进行了模拟计算，得到铱星每10年的碰撞概率为10%，由于碰撞概率较低，星座只需采用空间碎片协调委员会的减缓准则以及对可能发生碰撞的卫星实施规避机动，就可以保证星座的长期稳定运行。表1为三大传统低轨通信卫星星座的星座参数[3，4]。

2.2 巨型低轨星座

巨型低轨星座的发展起源于2014年。截至现在，国内外已经公布了多个巨型低轨星座方案，包括国内的鸿雁、虹云、银河航天等星座，国外的Starlink系统、OneWeb系统、LeoSat卫星系统、TeleSat系统、开普勒星座、三星系统和波音公司系统等。表2给出了各星座轨道分布情况和卫星数量[5，6]。目前，除了部分公司因为资金问题已经破产，例如LeoSat和OneWeb等，绝大多数公司还处于星座设计阶段，主要集中在星座及相关发射规划设计，但对星座安全性方面研究较少。只有SpaceX和OneWeb等公司发布了对星座安全性方面的研究。

表1 三大传统低轨通信卫星星座轨道参数Table 1 Orbit parameters of three traditional low orbit communication satellite constellations

Starlink系统是由SpaceX公司于2015年提出，2019年5月，Starlink系统正式开始组网，截至2020年9月，SpaceX成功发射了12批共713颗卫星。2020年，SpaceX计划发射24次，将1440颗卫星送入轨道，完成第一阶段发射任务并开始区域服务。由于Starlink系统规模庞大，为了保证星座安全运行，SpaceX采取了一系列措施。首先，为了减少卫星入轨和离轨处置时间，加快失效卫星坠入大气层销毁，把第一阶段1584颗卫星从1150km轨道高度下调到550km；其次，安装了精确定位的导航系统，能够实时接收来自地面的太空碎片监控情况，在必要的时候，能够自主进行最优规避轨道的在轨优化计算并实施变轨；最后，公司对生产材料进行了改进，用铝件代替钢件，确保卫星重返大气层时能够100%烧毁。

OneWeb系统由OneWeb公司于2014年提出，2020年2月正式开始组网。截至现在，OneWeb发射了2批共78颗卫星。按照计划，OneWeb将在2021年底前，进行17或18次联盟号发射和一次阿里安6号发射，把588颗工作卫星部署到位，实现全球覆盖，但由于投资方拒绝追加投资，OneWeb公司资金链断裂，今年3月已经申请破产。根据资料，OneWeb公司采用了多种方式来保证星座长期稳定运行，一是缩短离轨处置时间，把任务后处置时间降为5年；二是与美国战略司令部联合太空作战中心 (USSTRA TCOM/JSPOC)签订数据共享协议，减少轨道的不确定性；三是保证离轨处置成功率大于90%；四是给卫星安装夹具，使卫星能够主动清除碎片；五是与其他公司合作，为OneWeb星座提供碎片主动清除服务[7]。

表2 巨型低轨星座计划Table 2 LEO constellation programs

3 巨型低轨星座安全性分析

星座安全性主要是指星座的碰撞问题。目前星座面临的碰撞威胁包括星座内部卫星间的碰撞、星座与其他物体的碰撞以及空间环境安全威胁。巨型低轨星座卫星数量多，除了具有传统星座所面临的碰撞威胁外，其庞大的规模还带来了新的问题。因此，保证巨型低轨星座长期稳定运行，必须仔细分析巨型低轨星座面临的具体碰撞情况以及星座运行的空间环境状况，为制定巨型低轨星座碰撞规避安全措施提供参考。

3.1 巨型低轨星座内部卫星间碰撞分析

巨型低轨星座内部卫星间的碰撞可以分为两种:一种是摄动力作用引起的碰撞，一种是非摄动力作用引起的碰撞。下面对两种碰撞分别进行分析。

摄动力作用引起的碰撞是由摄动力和轨道初始误差相互作用引起的。根据文献 [8]和文献 [9]对近地轨道主要摄动源的分析评估，巨型低轨星座在近地轨道主要受到地球非球形摄动的影响。除此之外，需要根据星座的轨道高度确定是否考虑大气阻力摄动的影响。星座仅受摄动力作用时，星座会整体漂移，但星座构型保持稳定；当星座各卫星轨道存在初始误差时，不同的初始误差值使星座各卫星轨道参数变化率各不相同，导致卫星运动不规律，破坏了星座构型，文献[10]—文献 [13]详细分析了轨道偏差对星座构型破坏的过程，文献 [14]增加了大气阻力摄动对星座构型的影响。从这些文献中可知，对星座内部碰撞影响最大的是半长轴偏差，半长轴偏差直接影响卫星相位的变化，对星座构型稳定性起到决定作用[15]。

非摄动力作用引起的碰撞是指星座卫星在入轨、轨道维持控制、碰撞规避以及离轨处置等机动过程以及由于观测误差等造成卫星位置不确定引起的星座内部碰撞。与传统低轨星座不同的是，巨型低轨星座卫星数量是传统星座的几倍、几十倍甚至几百倍，不仅增加了轨道平面内卫星的数量和轨道平面数量，有的甚至创建了多个轨道层部署星座，例如文献 [16]的Starlink就计划建立多轨道层的巨型低轨星座，并且其轨道层高度仅在328～580km就有8个轨道层高度差小于20km且其最小轨道层高度差为5km。星座在轨卫星密度的增加导致卫星在交会点交会次数剧增，增加了星座卫星在交会点的碰撞概率。此外，卫星密度越高，卫星间间距越小，通过卫星轨道平面的时间窗口越少，卫星机动过程的实施对轨道设计要求以及控制要求更高，同时由于星座规模越大，对星座构型精度要求更高，为了减少星座构型控制上的压力，绝大多数巨型低轨星座都采用均匀分布的方式，这也增加了卫星的碰撞概率[17]。

3.2 巨型低轨星座外部碰撞分析

巨型低轨星座外部碰撞是指星座与星座外其它在轨卫星及空间碎片发生的碰撞。由于空间碎片无法预测其在空间中的运动轨迹以及不可控的特点，导致无法准确预警空间碎片与航天器的碰撞，而且目前航天器发生的碰撞主要都是同空间碎片之间发生的[18]，因此，星座外部碰撞是巨型低轨星座面临的主要碰撞方式。

目前，大多数在轨卫星以及大量航天发射活动带来的空间碎片运行在低地球轨道，根据张育林、王晓伟[19，20]等人对近地轨道空间碎片的研究，在不进行航天发射的情况下，低地球轨道空间碎片数量仍然会持续增长，而随着世界航天活动日益频繁，空间碎片数量将进一步增加，并且巨型低轨星座卫星大多统一部署在同一轨道高度，使得对应轨道航天器密度成倍增加，两者相互作用的情况下，将会极大提高巨型低轨星座受到外部碰撞的概率。

为了避免国际空间站与空间碎片发生碰撞，国际空间站已经多次实施了规避机动措施[21]，而巨型低轨星座在对应轨道球面上分布更广，且由于其轨道面数量多，运行周期短，其在空间中覆盖了更大的碰撞横截面积，因此，可以推断未来巨型低轨星座遭遇的碰撞次数将更多于国际空间站。2018年Le May S[22]使用MASTER-2009模型研究在当前碎片环境下，OneWeb和StarlLink星座发生碰撞的概率，通过使用卫星和碎片组合横截面上碎片通量推导碰撞概率的方法，发现One-Web星座内至少发生一次灾难性碰撞的可能性为5.0%，而Starllink星座内至少发生一次灾难性碰撞的可能性高达45.8%。此外，巨型低轨星座卫星入轨和离轨处置阶段也存在与空间碎片碰撞的风险，2017年Radtke[23]计算了OneWeb星座在各个阶段与尺寸大于3cm的空间碎片的碰撞概率，算出单星在入轨和离轨处置时的碰撞概率分别为0.01%和0.02%，整个星座在入轨和离轨处置时的碰撞概率分别为4.11%和15.15%。由此可见，巨型低轨星座受到外部碰撞的形势十分严峻。

3.3 巨型低轨星座对近地空间环境的影响

巨型低轨星座建设对近地空间环境会产生重大的影响。巨型星座本身增加了近地空间物体的密度。此外，巨型低轨星座在建设过程中也会产生大量空间碎片、失效卫星等，进一步增加空间密度，当其中一颗卫星发生碰撞或空间环境密度增加到临界值时，就会产生Kessler[24]效应，破坏空间环境的可持续性，威胁整个星座安全。

早期巨型低轨星座对近地空间环境的可持续性研究主要集中在星座卫星数量规模对空间环境可持续性的影响。1997年Walker[25]模拟了一个在700km轨道高度运行的900多颗卫星的星座，发现星座在空间碎片密度较高的环境中会破坏环境的稳定性，无法长期维持星座运行，并且估计出在空间碎片密度较大的轨道可以维持100颗卫星长期运行，在空间密度较小的轨道可以维持350颗卫星运行。随着缓解措施的制定[26]，巨型低轨星座对空间环境的影响虽然有所下降，但不足以保持空间碎片环境的稳定，因此需要进一步研究在不同条件下，巨型低轨星座对空间环境的具体影响。

文献 [27]研究了不同巨型低轨星座任务后处置成功率和任务后在轨寿命对空间环境的影响。结果表明，任务后处置成功率是空间环境可持续性的重要影响因素，巨型低轨星座任务后处置成功率直接体现了空间环境中废弃卫星的增长速度，任务后处置成功率越高，废弃卫星的增长速度就越低，对空间环境可持续性的影响越小。目前，机构间空间碎片协调委员会对任务后处置成功率的建议为90%，但 Pardini[28]研究了800～1400km的巨型低轨星座任务后处置成功率与碰撞概率的关系，得出如果要保持空间环境的可持续性，必须保证巨型低轨星座任务后处置成功率至少达到95%。此外，文献 [29]还指出了巨型低轨星座离轨处置过程发生碰撞的概率较高，对轨道空间环境的影响较大，需要将离轨卫星进行分散处理。

卫星可靠性也是巨型低轨星座对空间环境影响的主要因素之一[30]。卫星可靠性包括卫星故障率和卫星爆炸概率，卫星故障率直接表现在在轨卫星的失效情况，通常这些失效卫星和工作卫星在同一轨道上，由于卫星失效不可控，容易与工作卫星发生碰撞，对空间环境造成安全隐患。卫星爆炸对空间环境危害大，卫星爆炸解体以后，其碎片分布在轨道附近，容易与在轨卫星发生碰撞，并且这些碎片在摄动力的作用下不断分离，散落在各个轨道上，会影响其他在轨航天器的安全，文献 [31]以OneWeb为例，对卫星爆炸解体进行了详细分析，并计算了卫星的爆炸概率，得出巨型低轨星座卫星的爆炸概率必须远低于传统低轨卫星的爆炸概率才能避免环境恶化。

此外，文献 [32]分析了卫星面积、卫星质量对空间环境的影响，得到面积和质量越大的卫星不仅容易发生碰撞，并且碰撞产生的碎片也较多，对空间环境影响越大。而沈丹[33]则综合考虑了卫星数量、面积、质量和星座部署高度对空间环境的影响，得出巨型低轨星座各个因素对空间环境具体的危害情况和危害大小。文献 [34]研究了巨型低轨星座卫星质量、面积、故障率、避碰成功率、发射情况、离轨策略、星座和单星寿命等参数对空间环境的影响，并根据不同参数设置不同权重，设计了星座指数CCI来量化巨型低轨星座对环境影响的指标。

巨型低轨星座和空间环境是相互影响的，巨型低轨星座在各种条件下增加了空间环境的密度，破坏了空间环境的稳定性，导致空间环境反过来威胁星座的安全。因此，保护近地空间环境的可持续性就是保护巨型低轨星座的安全，必须重视巨型低轨星座建设对空间环境的影响，并制定相应的减缓策略。

4 巨型低轨星座规避机动策略

巨型低轨星座若不进行星座管理控制，星座在长期运行下必然会发生碰撞。因此，必须对巨型低轨星座碰撞规避方法进行研究，制定规避策略。由于巨型低轨星座卫星质量较小，携带的燃料或者工质有限，卫星实施碰撞规避机动时必须考虑燃料消耗的问题。另外，还必须考虑星座构型保持的问题，巨型低轨星座同轨道卫星数量多，卫星在碰撞规避机动后回到原来位置时的时间窗口小，对于规避时间以及规避路径的选择约束较大。

空间目标常用碰撞规避方法有三种[35]:一是高度分离规避法，通过给卫星一个切向冲量，让卫星与碰撞点产生径向分离距离实现碰撞规避；二是碰撞时间规避法，通过多次给卫星一个小的径向冲量，让卫星转移到另一条轨道上，然后等预计碰撞时间过了以后再转移回原轨道实现碰撞规避，或者计算好在预计碰撞时间之前转移回原轨道的位置，使卫星在原轨道运行到碰撞点的时间与转移轨道运行时间之和大于预计碰撞时间来实现碰撞规避；三是通过与航天器正常轨控相结合的方式实现碰撞规避。

巨型低轨星座由于卫星数量较多，星座碰撞概率高，每次碰撞发生都是随机的，通过正常轨控相结合的方式避碰需要频繁对整个星座进行调整，并且每次调整以后星座还会面临新的碰撞威胁，因此不能对星座采用正常轨控相结合的方式实现碰撞规避。使用高度分离规避和碰撞时间规避方法虽然能够很好地实现碰撞规避，但面临两个问题:一是卫星机动轨道与原轨道存在交点，卫星可能与原轨道上的卫星发生碰撞，当星座中卫星数量较少的时候，通过计算好规避路径，可以比较容易避开与轨道上卫星发生交会的时间窗口，当轨道上卫星比较密集时，过交会点的卫星多，不容易设计规避路径；二是巨型低轨星座有的轨道层间距设置较小，若规避轨道设置较大可能会与其他轨道层的卫星发生碰撞。

因此，在巨型低轨星座卫星既需要避开碰撞点，同时又要保持星座构型的条件下，若星座存在使用高度分离规避和碰撞时间规避方法进行碰撞规避的时间窗口时，可以优先采用这两种方法。但若是不存在使用这两种方法的时间窗口时，我们必须另外去寻找这个时间窗口，为此，我们可以引入一条停泊轨道，当需要进行避碰规避的时候，可以把卫星转入停泊轨道中，当规避完成以后，选择合适时机转移回原轨道，实现碰撞规避。