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(tǒng)部，北京100094)

1 前言

星座是由多顆衛(wèi)星按照一定構(gòu)型組成的衛(wèi)星網(wǎng)，通過組網(wǎng)，星座可以實現(xiàn)全球覆蓋。傳統(tǒng)衛(wèi)星星座由于衛(wèi)星生產(chǎn)、制造以及星座運行維護成本高昂，星座建設(shè)大多依靠政府支持，星座投入資金少、規(guī)模小。隨著航天技術(shù)的發(fā)展以及衛(wèi)星批量化生產(chǎn)的實現(xiàn)，星座建設(shè)成本大幅降低，建立100顆衛(wèi)星以上的巨型低軌星座成為可能。同時數(shù)字技術(shù)的進步又促進了人們對于寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求，“星座+互聯(lián)網(wǎng)”的概念成為國內(nèi)外研究熱點，各國紛紛提出建設(shè)基于天基平臺實現(xiàn)寬帶接入的巨型低軌星座的方案。

自從美國的銥33衛(wèi)星和俄羅斯的宇宙2251衛(wèi)星發(fā)生碰撞以來，世界各國對航天器碰撞問題愈發(fā)重視。而2019年9月，歐空局的一顆 “風神”衛(wèi)星為避免與一顆 “星鏈” (Starlink)衛(wèi)星發(fā)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(fā)生碰撞，必須對其安全性進行研究，制定出相應(yīng)的規(guī)避機動策略。

星座安全不僅是維持巨型低軌星座穩(wěn)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(wù)的必然要求。隨著部分巨型低軌星座開始組網(wǎng)，在軌衛(wèi)星逐漸增多，傳統(tǒng)單顆衛(wèi)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(nèi)部碰撞、星座外部碰撞和空間環(huán)境可持續(xù)性進行分析；二是研究巨型低軌星座的碰撞規(guī)避機動策略，此部分主要是對星座具體規(guī)避方法的研究。

本文首先介紹了巨型低軌星座的發(fā)展現(xiàn)狀，對典型星座安全方案進行了總結(jié)歸納；其次詳細地分析了巨型低軌星座面臨的內(nèi)部碰撞威脅、外部碰撞威脅和空間環(huán)境安全威脅；然后根據(jù)低軌衛(wèi)星碰撞規(guī)避方法總結(jié)出適用于巨型星座的碰撞規(guī)避機動方法，最后對文章進行了總結(jié)。

2 巨型低軌星座發(fā)展現(xiàn)狀

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，星座逐漸從傳統(tǒng)低軌通信衛(wèi)星星座向巨型低軌星座發(fā)展，對星座安全性要求越來越高。目前，除了機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會、歐空局給出了碎片減緩準則以外[1]，還沒有統(tǒng)一的政策和法規(guī)來規(guī)范巨型低軌星座的安全運行，各個公司只能根據(jù)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(tǒng)低軌通信衛(wèi)星星座

傳統(tǒng)低軌通信衛(wèi)星星座創(chuàng)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(xiàn)組網(wǎng)部署的只有銥星 (Iridium)、全球星(Globalstar)和軌道通信 (Orbcomm)三大系統(tǒng)。傳統(tǒng)低軌通信衛(wèi)星星座由于規(guī)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(nèi)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(xié)調(diào)委員會的減緩準則以及對可能發(fā)生碰撞的衛(wèi)星實施規(guī)避機動，就可以保證星座的長期穩(wěn)定運行。表1為三大傳統(tǒng)低軌通信衛(wèi)星星座的星座參數(shù)[3，4]。

2.2 巨型低軌星座

巨型低軌星座的發(fā)展起源于2014年。截至現(xiàn)在，國內(nèi)外已經(jīng)公布了多個巨型低軌星座方案，包括國內(nèi)的鴻雁、虹云、銀河航天等星座，國外的Starlink系統(tǒng)、OneWeb系統(tǒng)、LeoSat衛(wèi)星系統(tǒng)、TeleSat系統(tǒng)、開普勒星座、三星系統(tǒng)和波音公司系統(tǒng)等。表2給出了各星座軌道分布情況和衛(wèi)星數(shù)量[5，6]。目前，除了部分公司因為資金問題已經(jīng)破產(chǎn)，例如LeoSat和OneWeb等，絕大多數(shù)公司還處于星座設(shè)計階段，主要集中在星座及相關(guān)發(fā)射規(guī)劃設(shè)計，但對星座安全性方面研究較少。只有SpaceX和OneWeb等公司發(fā)布了對星座安全性方面的研究。

表1 三大傳統(tǒng)低軌通信衛(wèi)星星座軌道參數(shù)Table 1 Orbit parameters of three traditional low orbit communication satellite constellations

Starlink系統(tǒng)是由SpaceX公司于2015年提出，2019年5月，Starlink系統(tǒng)正式開始組網(wǎng)，截至2020年9月，SpaceX成功發(fā)射了12批共713顆衛(wèi)星。2020年，SpaceX計劃發(fā)射24次，將1440顆衛(wèi)星送入軌道，完成第一階段發(fā)射任務(wù)并開始區(qū)域服務(wù)。由于Starlink系統(tǒng)規(guī)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(wèi)星入軌和離軌處置時間，加快失效衛(wèi)星墜入大氣層銷毀，把第一階段1584顆衛(wèi)星從1150km軌道高度下調(diào)到550km；其次，安裝了精確定位的導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)崟r接收來自地面的太空碎片監(jiān)控情況，在必要的時候，能夠自主進行最優(yōu)規(guī)避軌道的在軌優(yōu)化計算并實施變軌；最后，公司對生產(chǎn)材料進行了改進，用鋁件代替鋼件，確保衛(wèi)星重返大氣層時能夠100%燒毀。

OneWeb系統(tǒng)由OneWeb公司于2014年提出，2020年2月正式開始組網(wǎng)。截至現(xiàn)在，OneWeb發(fā)射了2批共78顆衛(wèi)星。按照計劃，OneWeb將在2021年底前，進行17或18次聯(lián)盟號發(fā)射和一次阿里安6號發(fā)射，把588顆工作衛(wèi)星部署到位，實現(xiàn)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(jīng)申請破產(chǎn)。根據(jù)資料，OneWeb公司采用了多種方式來保證星座長期穩(wěn)定運行，一是縮短離軌處置時間，把任務(wù)后處置時間降為5年；二是與美國戰(zhàn)略司令部聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心 (USSTRA TCOM/JSPOC)簽訂數(shù)據(jù)共享協(xié)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(wèi)星安裝夾具，使衛(wèi)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(wù)[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(nèi)部衛(wèi)星間的碰撞、星座與其他物體的碰撞以及空間環(huán)境安全威脅。巨型低軌星座衛(wèi)星數(shù)量多，除了具有傳統(tǒng)星座所面臨的碰撞威脅外，其龐大的規(guī)模還帶來了新的問題。因此，保證巨型低軌星座長期穩(wěn)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(huán)境狀況，為制定巨型低軌星座碰撞規(guī)避安全措施提供參考。

3.1 巨型低軌星座內(nèi)部衛(wèi)星間碰撞分析

巨型低軌星座內(nèi)部衛(wèi)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(jù)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(jù)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(gòu)型保持穩(wěn)定；當星座各衛(wèi)星軌道存在初始誤差時，不同的初始誤差值使星座各衛(wèi)星軌道參數(shù)變化率各不相同，導(dǎo)致衛(wèi)星運動不規(guī)律，破壞了星座構(gòu)型，文獻[10]—文獻 [13]詳細分析了軌道偏差對星座構(gòu)型破壞的過程，文獻 [14]增加了大氣阻力攝動對星座構(gòu)型的影響。從這些文獻中可知，對星座內(nèi)部碰撞影響最大的是半長軸偏差，半長軸偏差直接影響衛(wèi)星相位的變化，對星座構(gòu)型穩(wěn)定性起到?jīng)Q定作用[15]。

非攝動力作用引起的碰撞是指星座衛(wèi)星在入軌、軌道維持控制、碰撞規(guī)避以及離軌處置等機動過程以及由于觀測誤差等造成衛(wèi)星位置不確定引起的星座內(nèi)部碰撞。與傳統(tǒng)低軌星座不同的是，巨型低軌星座衛(wèi)星數(shù)量是傳統(tǒng)星座的幾倍、幾十倍甚至幾百倍，不僅增加了軌道平面內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)量和軌道平面數(shù)量，有的甚至創(chuàng)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(wèi)星密度的增加導(dǎo)致衛(wèi)星在交會點交會次數(shù)劇增，增加了星座衛(wèi)星在交會點的碰撞概率。此外，衛(wèi)星密度越高，衛(wèi)星間間距越小，通過衛(wèi)星軌道平面的時間窗口越少，衛(wèi)星機動過程的實施對軌道設(shè)計要求以及控制要求更高，同時由于星座規(guī)模越大，對星座構(gòu)型精度要求更高，為了減少星座構(gòu)型控制上的壓力，絕大多數(shù)巨型低軌星座都采用均勻分布的方式，這也增加了衛(wèi)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(wèi)星及空間碎片發(fā)生的碰撞。由于空間碎片無法預(yù)測其在空間中的運動軌跡以及不可控的特點，導(dǎo)致無法準確預(yù)警空間碎片與航天器的碰撞，而且目前航天器發(fā)生的碰撞主要都是同空間碎片之間發(fā)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(shù)在軌衛(wèi)星以及大量航天發(fā)射活動帶來的空間碎片運行在低地球軌道，根據(jù)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(fā)射的情況下，低地球軌道空間碎片數(shù)量仍然會持續(xù)增長，而隨著世界航天活動日益頻繁，空間碎片數(shù)量將進一步增加，并且巨型低軌星座衛(wèi)星大多統(tǒng)一部署在同一軌道高度，使得對應(yīng)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(fā)生碰撞，國際空間站已經(jīng)多次實施了規(guī)避機動措施[21]，而巨型低軌星座在對應(yīng)軌道球面上分布更廣，且由于其軌道面數(shù)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(shù)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(huán)境下，OneWeb和StarlLink星座發(fā)生碰撞的概率，通過使用衛(wèi)星和碎片組合橫截面上碎片通量推導(dǎo)碰撞概率的方法，發(fā)現(xiàn)One-Web星座內(nèi)至少發(fā)生一次災(zāi)難性碰撞的可能性為5.0%，而Starllink星座內(nèi)至少發(fā)生一次災(zāi)難性碰撞的可能性高達45.8%。此外，巨型低軌星座衛(wèi)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(huán)境的影響

巨型低軌星座建設(shè)對近地空間環(huán)境會產(chǎn)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(shè)過程中也會產(chǎn)生大量空間碎片、失效衛(wèi)星等，進一步增加空間密度，當其中一顆衛(wèi)星發(fā)生碰撞或空間環(huán)境密度增加到臨界值時，就會產(chǎn)生Kessler[24]效應(yīng)，破壞空間環(huán)境的可持續(xù)性，威脅整個星座安全。

早期巨型低軌星座對近地空間環(huán)境的可持續(xù)性研究主要集中在星座衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模對空間環(huán)境可持續(xù)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(wèi)星的星座，發(fā)現(xiàn)星座在空間碎片密度較高的環(huán)境中會破壞環(huán)境的穩(wěn)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(wèi)星長期運行，在空間密度較小的軌道可以維持350顆衛(wèi)星運行。隨著緩解措施的制定[26]，巨型低軌星座對空間環(huán)境的影響雖然有所下降，但不足以保持空間碎片環(huán)境的穩(wěn)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(huán)境的具體影響。

文獻 [27]研究了不同巨型低軌星座任務(wù)后處置成功率和任務(wù)后在軌壽命對空間環(huán)境的影響。結(jié)果表明，任務(wù)后處置成功率是空間環(huán)境可持續(xù)性的重要影響因素，巨型低軌星座任務(wù)后處置成功率直接體現(xiàn)了空間環(huán)境中廢棄衛(wèi)星的增長速度，任務(wù)后處置成功率越高，廢棄衛(wèi)星的增長速度就越低，對空間環(huán)境可持續(xù)性的影響越小。目前，機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會對任務(wù)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(wù)后處置成功率與碰撞概率的關(guān)系，得出如果要保持空間環(huán)境的可持續(xù)性，必須保證巨型低軌星座任務(wù)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(fā)生碰撞的概率較高，對軌道空間環(huán)境的影響較大，需要將離軌衛(wèi)星進行分散處理。

衛(wèi)星可靠性也是巨型低軌星座對空間環(huán)境影響的主要因素之一[30]。衛(wèi)星可靠性包括衛(wèi)星故障率和衛(wèi)星爆炸概率，衛(wèi)星故障率直接表現(xiàn)在在軌衛(wèi)星的失效情況，通常這些失效衛(wèi)星和工作衛(wèi)星在同一軌道上，由于衛(wèi)星失效不可控，容易與工作衛(wèi)星發(fā)生碰撞，對空間環(huán)境造成安全隱患。衛(wèi)星爆炸對空間環(huán)境危害大，衛(wèi)星爆炸解體以后，其碎片分布在軌道附近，容易與在軌衛(wèi)星發(fā)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O(shè)neWeb為例，對衛(wèi)星爆炸解體進行了詳細分析，并計算了衛(wèi)星的爆炸概率，得出巨型低軌星座衛(wèi)星的爆炸概率必須遠低于傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星的爆炸概率才能避免環(huán)境惡化。

此外，文獻 [32]分析了衛(wèi)星面積、衛(wèi)星質(zhì)量對空間環(huán)境的影響，得到面積和質(zhì)量越大的衛(wèi)星不僅容易發(fā)生碰撞，并且碰撞產(chǎn)生的碎片也較多，對空間環(huán)境影響越大。而沈丹[33]則綜合考慮了衛(wèi)星數(shù)量、面積、質(zhì)量和星座部署高度對空間環(huán)境的影響，得出巨型低軌星座各個因素對空間環(huán)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(wèi)星質(zhì)量、面積、故障率、避碰成功率、發(fā)射情況、離軌策略、星座和單星壽命等參數(shù)對空間環(huán)境的影響，并根據(jù)不同參數(shù)設(shè)置不同權(quán)重，設(shè)計了星座指數(shù)CCI來量化巨型低軌星座對環(huán)境影響的指標。

巨型低軌星座和空間環(huán)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(huán)境的密度，破壞了空間環(huán)境的穩(wěn)定性，導(dǎo)致空間環(huán)境反過來威脅星座的安全。因此，保護近地空間環(huán)境的可持續(xù)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(shè)對空間環(huán)境的影響，并制定相應(yīng)的減緩策略。

4 巨型低軌星座規(guī)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(fā)生碰撞。因此，必須對巨型低軌星座碰撞規(guī)避方法進行研究，制定規(guī)避策略。由于巨型低軌星座衛(wèi)星質(zhì)量較小，攜帶的燃料或者工質(zhì)有限，衛(wèi)星實施碰撞規(guī)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(gòu)型保持的問題，巨型低軌星座同軌道衛(wèi)星數(shù)量多，衛(wèi)星在碰撞規(guī)避機動后回到原來位置時的時間窗口小，對于規(guī)避時間以及規(guī)避路徑的選擇約束較大。

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

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

因此，在巨型低軌星座衛(wèi)星既需要避開碰撞點，同時又要保持星座構(gòu)型的條件下，若星座存在使用高度分離規(guī)避和碰撞時間規(guī)避方法進行碰撞規(guī)避的時間窗口時，可以優(yōu)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(guī)避的時候，可以把衛(wèi)星轉(zhuǎn)入停泊軌道中，當規(guī)避完成以后，選擇合適時機轉(zhuǎn)移回原軌道，實現(xiàn)碰撞規(guī)避。