極端地磁暴引發(fā)數(shù)千顆星鏈衛(wèi)星軌道變化：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與現(xiàn)象分析

文 | 林翊鈞、徐帆江、劉帥軍、譚晶、秦明宇（中國(guó)科學(xué)院軟件研究所 ）

PART 01

引 言

據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）估計(jì)，第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期于2019年12月正式開(kāi)始，太陽(yáng)活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，約在2025年達(dá)到極大期，隨后逐步減弱至2030年前后結(jié)束。此期間堪稱(chēng)衛(wèi)星軌道阻力研究的“黃金時(shí)代”——人類(lèi)歷史上首次在最強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)期間，同步運(yùn)營(yíng)著規(guī)?？涨暗牡蛙壘扌托亲?。當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)能量會(huì)大量沉積至地球磁層與熱層，引起高層大氣顯著升溫膨脹，從而增大低軌衛(wèi)星所承受的大氣阻力、加速其軌道衰減。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心發(fā)布的地磁暴dst指數(shù)數(shù)據(jù)，自2020年以來(lái)，全球已累計(jì)發(fā)生5次特大地磁暴事件。結(jié)合同期衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)開(kāi)展相關(guān)研究，對(duì)研判巨星座系統(tǒng)在極端空間環(huán)境下面臨的風(fēng)險(xiǎn)、制定應(yīng)對(duì)策略具有重要意義。對(duì)此，依托本團(tuán)隊(duì)自研的天智巨星座研究平臺(tái)，本文聚焦于2024年5月10至12日發(fā)生的近二十年來(lái)最強(qiáng)地磁暴事件，選取該事件發(fā)生前一周處于在軌穩(wěn)定狀態(tài)（軌道半長(zhǎng)軸變化<0.3km）的5205顆星鏈衛(wèi)星為研究對(duì)象，分析了其在地磁暴期間的軌道變化情況，主要結(jié)論為：

地磁暴發(fā)生后，因大氣阻力增加導(dǎo)致的被動(dòng)降軌及SpaceX隨后采取的軌道維持操作，大量星鏈衛(wèi)星出現(xiàn)了軌道高度變化短時(shí)加劇的現(xiàn)象，升降軌幅度與衛(wèi)星版本、軌道位置存在強(qiáng)相關(guān)性。

圖1 中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心發(fā)布2020-2025地磁暴dst指數(shù)變化曲線

PART 02

地磁暴后，大量星鏈衛(wèi)星

出現(xiàn)軌道高度變化加劇現(xiàn)象

本文中，星鏈衛(wèi)星的軌道高度由“軌道半長(zhǎng)軸-地球半徑（6378.137km）”計(jì)算得出，半長(zhǎng)軸數(shù)據(jù)源自SpaceTrack公開(kāi)發(fā)布的兩行軌道根數(shù)（TLE）。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)篩選，地磁暴發(fā)生前一周，軌道高度總變化<0.3km的在軌星鏈衛(wèi)星共計(jì)有5205顆，分布在350~580km之間，傾角以43°、53°、70°和97°為主。

圖2 地磁暴前處于在軌穩(wěn)定狀態(tài)的5205顆星鏈衛(wèi)星軌道高度和傾角分布

在地磁暴發(fā)生至結(jié)束后的7天內(nèi)，大量星鏈衛(wèi)星出現(xiàn)軌道高度變化加劇的現(xiàn)象，平均變化幅度較地磁暴前提升0.43km。其中，有84.34%（4390顆）的變化幅度提高了1倍；1.86%（97顆）的變化較劇烈、超過(guò)2km。然而，在地磁暴結(jié)束后的7~14天內(nèi)，絕大多數(shù)衛(wèi)星的軌道狀態(tài)重新趨于穩(wěn)定，有88.74%（4619顆）的軌道高度變化幅度恢復(fù)至不超過(guò)0.3km，該比例在隨后的一周內(nèi)進(jìn)一步提升到了92.12%（4795顆），具體如圖3所示。這些數(shù)據(jù)表明，特大地磁暴發(fā)生后，星鏈系統(tǒng)出現(xiàn)了普遍且顯著的軌道高度變化影響，不過(guò)這種現(xiàn)象只是短時(shí)性的，絕大多數(shù)星鏈衛(wèi)星的軌道狀態(tài)都會(huì)逐漸回歸穩(wěn)定。

表1 5205顆星鏈衛(wèi)星在各階段的平均軌道高度變化幅度

序號(hào)

時(shí)間段

平均軌道高度變化幅度

1

地磁暴發(fā)生前7天

(2024.05.0319:00—2024.05.10T19:00)

0.1312km

2

地磁暴發(fā)生到結(jié)束后的7天

(2024.05.10T19:00—2024.05.19T14:00)

0.5603km

3

地磁暴結(jié)束后的7~14天

(2024.05.19T14:00—2024.05.26T14:00)

0.2735km

4

地磁暴結(jié)束后的14~21天

(2024.05.26T14:00—2024.06.03T14:00)

0.2720km

圖3 5205顆星鏈衛(wèi)星在地磁暴發(fā)生前后的軌道高度變化情況對(duì)比

PART 03

地磁暴后星鏈衛(wèi)星先降軌后抬升，

升降軌幅度與版本及軌道位置相關(guān)

經(jīng)數(shù)據(jù)初判與機(jī)理研究，在特大地磁暴發(fā)生后，星鏈衛(wèi)星軌道高度變化加劇的主要原因在于——“衛(wèi)星先因地磁暴引起的大氣阻力增大而出現(xiàn)快速被動(dòng)降軌，隨后SpaceX為維持軌道高度采取了主動(dòng)抬升操作，以應(yīng)對(duì)持續(xù)的空間環(huán)境影響”。幾乎所有批次星鏈衛(wèi)星的軌道高度變化曲線均展示出了異于平常的“先下降、后上升、再下降”情況。

圖4 地磁暴發(fā)生后各批次星鏈衛(wèi)星軌道高度變化曲線

升降軌現(xiàn)象在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生

與地磁暴發(fā)生前的平均水平相比，原本在軌穩(wěn)定的5205顆星鏈衛(wèi)星在地磁暴后的三天內(nèi)，軌道高度先出現(xiàn)平均最大0.2km的下降，隨后出現(xiàn)平均最大0.25km的上升。其中，有86.88%（4522顆）的星鏈衛(wèi)星在2024年5月11日，即地磁暴發(fā)生后的第二天，軌道高度降至極小值，隨后這些衛(wèi)星中有93.92%（4247顆）在第三天（2024年5月12日）軌道高度就升至了極大值，平均時(shí)間間隔僅為0.91天。這些數(shù)據(jù)表明，地磁暴對(duì)星鏈衛(wèi)星軌道高度的影響迅速而顯著，為應(yīng)對(duì)軌道衰減，SpaceX在系統(tǒng)層面采取了快速、批量的主動(dòng)升軌操作，在24小時(shí)內(nèi)就將大量星鏈衛(wèi)星抬升至略高于原工作軌道的高度，以抵御持續(xù)的地磁擾動(dòng)。

圖5 星鏈衛(wèi)星在地磁暴發(fā)生三天內(nèi)的最大降軌幅度（相對(duì)于地磁暴前基準(zhǔn)）

圖6 星鏈衛(wèi)星在地磁暴發(fā)生三天內(nèi)的最大升軌幅度（相對(duì)于地磁暴前基準(zhǔn)）

升降軌幅度與星鏈衛(wèi)星所處位置、版本呈強(qiáng)相關(guān)性

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在傾角、版本相同情況下，軌道高度越低的星鏈衛(wèi)星，降軌幅度普遍越大（可對(duì)比表3的1-4、5/6、7-10行），這一現(xiàn)象符合物理認(rèn)識(shí)：軌道高度越低，地磁暴引起的大氣阻力就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致更顯著的軌道衰減；在傾角、軌道高度相同情況下，版本更高的星鏈衛(wèi)星出現(xiàn)的降軌幅度越大（可對(duì)比表4的1/2、3-5行），這與不同版本衛(wèi)星在整星質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及迎風(fēng)面積等方面的差異有關(guān)。相應(yīng)地，針對(duì)不同軌道位置和版本的衛(wèi)星，SpaceX所采取的機(jī)動(dòng)升軌幅度也呈現(xiàn)差異。

表2 版本、傾角相同情況下，星鏈衛(wèi)星升降軌幅度與軌道高度相關(guān)性對(duì)比

序號(hào)

軌道高度km

傾角°

版本（V1.0≈260kg；V1.5≈295kg；V2.0Mini≈700-800kg）

衛(wèi)星數(shù)量

平均最大降軌幅度km

平均最大升軌幅度km

1

350-360

43

v2.0Mini

2

0.4

2

430-450

43

v2.0Mini

87

0.20

3

480-490

43

v2.0Mini

117

0.23

4

550-560

43

v2.0Mini

637

0.3

5

350-360

53

v1.0

30

0.20

6

535-550

53

v1.0

1253

0.16

7

430-450

53

v2.0Mini

30

0.1

8

480-490

53

v2.0Mini

201

0.35

9

535-550

53

v2.0Mini

10

0.35

10

550-560

53

v2.0Mini

35

0.27

表3 軌道高度、傾角相同情況下，星鏈衛(wèi)星升降軌幅度與版本相關(guān)性對(duì)比

序號(hào)

軌道高度km

傾角°

版本（V1.0≈260kg；V1.5≈295kg；V2.0Mini≈700-800kg）

衛(wèi)星數(shù)量

平均最大降軌幅度km

平均最大升軌幅度km

1

550-560

43

v1.5

672

0.26

2

550-560

43

v2.0Mini

637

0.3

3

535-550

53

v1.0

1253

0.16

4

535-550

53

v1.5

1494

0.27

5

535-550

53

v2.0Mini

10

0.35

PART 04

總 結(jié)

依托自研的天智巨星座研究平臺(tái)，本文針對(duì)24年5月特大地磁暴事件，對(duì)原本處于軌道穩(wěn)定狀態(tài)的5205顆星鏈衛(wèi)星展開(kāi)了分析。研究表明，該次地磁暴導(dǎo)致大量星鏈衛(wèi)星的軌道高度變化加劇，相關(guān)過(guò)程集中發(fā)生于地磁暴爆發(fā)后的三天內(nèi)，具體表現(xiàn)為：星鏈衛(wèi)星先因大氣阻力增大而被動(dòng)快速降軌，隨后SpaceX迅速在24小時(shí)內(nèi)完成了大批量衛(wèi)星的升軌操作。同時(shí)，星鏈衛(wèi)星升降軌幅度與其版本及軌道位置存在強(qiáng)相關(guān)性，表現(xiàn)為版本越高或軌道越低，其軌道高度總變化幅度越大。

本研究揭示了極端空間環(huán)境對(duì)低軌巨型星座的系統(tǒng)性宏觀影響，同時(shí)反映出SpaceX具備全星座快速軌道維持的應(yīng)急響應(yīng)能力。值得關(guān)注的是，SpaceX曾在地磁暴期間公開(kāi)表示其星鏈服務(wù)正承受巨大壓力并出現(xiàn)性能下降。這一實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)反饋與觀測(cè)到的大規(guī)模軌道變化相互印證，表明巨型星座在面臨劇烈空間環(huán)境擾動(dòng)時(shí)，確實(shí)會(huì)進(jìn)入高應(yīng)力狀態(tài)。該事件也警示我們，極端空間環(huán)境是巨型星座運(yùn)營(yíng)中不可忽視的現(xiàn)實(shí)威脅，需深入研究具體應(yīng)對(duì)策略與系統(tǒng)韌性邊界。

需要說(shuō)明的是，本研究采用的公開(kāi)TLE軌道數(shù)據(jù)為平根元素，半長(zhǎng)軸參數(shù)值本身存在一定誤差，且數(shù)據(jù)發(fā)布間隔為小時(shí)量級(jí)，因此分析結(jié)果主要反映地磁暴對(duì)衛(wèi)星軌道的宏觀影響。

>End

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