大规模星座研究现状优化

由于近年来围绕航天的一系列相关技术的巨大进步，进入和利用空间的门槛大幅降低，航天的商业价值愈发凸显，吸引了大量新兴力量。许多试图投身航天商业应用领域的新参与者带来了独特的商业模式，进一步促进了相关产业的发展。与此同时，由于小卫星技术的巨大进步，人们开始发现低轨大规模小卫星星座在天基全球通信、遥感等一系列应用领域的巨大价值。大规模低轨星座发射计划层出不穷，呈爆炸式发展态势。低轨大型星座在20世纪90年代就出现过一次大发展的浪潮。当时众多低轨通信星座概念中多数没有进入工程研制，仅有投入运营的依星系统、全球星和轨道通信三个星座，但也一度经营惨淡，都经历了破产保护和重组。目前已部署的典型低轨卫星星座有以下几种[21]：

（1）下一代依星（Iridium NEXT）通信星座，是第二代依星系统，由星间链路连接的低地球轨道卫星形成一个全球天基网络，提供高质量话音、数据通信，覆盖包括大洋、极地区域在内的整个地表范围。卫星提供L频段1.5 Mb/s和Ka频段8 Mb/s的高速服务。卫星搭载的载荷除通信载荷外，还有广播式自动相关监视技术（ADS-B）载荷，主要用于飞机飞行监视和追踪飞机位置报告，以及导航增强载荷。2019年1月11日，第8批下一代依星卫星搭载SpaceX公司火箭成功进入低地球轨道，标志着由75颗卫星构成的新一代星座完成部署。

（2）全球星（Globalstar）通信星座，是由美国Globalstar公司运营的低轨道卫星移动通信系统，为全球企业、政府和个人用户提供卫星语音、数据移动服务。空间段48颗卫星分布在8个轨道平面上，可实现全球南北纬70°之间的全覆盖。地面段主要由关口站、卫星运行控制中心、地面运行控制中心和全球星数据网组成。每一个关口站同时与3颗卫星通信，并将来自不同卫星数据流的信号进行合成。

（3）轨道通信（Orbcomm）物联网星座，是美国Orbcomm公司开发的全球非实时、低速率数据传输系统，是全球第一个提供M2M物联网服务的商业卫星网络。目前在轨卫星共40颗，其中第一代轨道通信卫星（OG1）24颗、第二代卫星（OG2）16颗。Orbcomm公司未来还会继续发射卫星，以进一步降低网络时延并增强服务水平。地面段主要由地面网关、控制中心和遍布全球的移动及固定卫星通信单元用户终端组成，目前包括16个网关地面站、3个AIS数据接收地面站和3个区域网关控制中心。

（4）鸽群（Dove）对地观测星座，是美国Planet公司建造的世界最大的商业对地成像卫星星座，目前已部署195颗3U立方体卫星，卫星图像精度为3 m，可分辨大树、汽车、轮船等，但还不足以识别行人。每天下行传输的图像数据大约为550 GB，最大为777 GB，这些数据都会上传到亚马逊网络服务云计算平台上。Planet公司已收购了谷歌的Terra Bella卫星图像公司，将进一步提高图像分辨率，预计精度可达到1 m。地面站网络包括11个全球地面站，具有故障率低、可为多轨道平面服务、上下行传输时间短等优点。

随着技术新、响应快、应用灵活、成本低的微小卫星及航天发射技术、新兴制造技术、新型成像探测器和图像处理技术、以移动通信技术和大数据技术为代表的IT技术在近十几年的高速发展，低轨大规模星座卷土重来。世界各航天大国和商业公司都提出了极其庞大的小卫星星座发射部署计划，典型的新一代低轨卫星互联网星座有以下几种：

（1）一网星座，由882颗（648颗在轨、234颗备份）卫星组成，为全球个人消费者提供全球覆盖互联网宽带服务的低轨卫星星座。2017年6月22日，批准一网星座进入美国市场服务，这是美国首个获批的新一代非地球同步轨道（NGSO）星座计划。2019年2月，首批6颗卫星成功升空，并计划在未来发射更多卫星。

一网卫星工作在Ku波段，每个卫星将能够产生6 Gb/s的吞吐量；使用“渐进俯仰”（progressive pitch）技术，以避免干扰地球静止轨道上的Ku波段卫星。地面上的用户终端天线采用36 cm×16 cm的相控阵天线，并将提供50 Mb/s的互联网接入速度。为了尽快完成组网，一网将卫星各系统组件模块化，在生产线大量使用自动化设备，进行批量化生产。在此模式下，一网计划每周生产16颗卫星，年产量达到648颗卫星，也可降低卫星的生产成本。

（2）星链（Starlink），SpaceX公司的卫星互联网项目星链于2018年3月得到美国联邦通信委员会批准进入美国市场运营。该星座计划总计部署约12 000颗卫星，其中包括4 425颗轨道高度1 100～1 300 km的中轨道卫星和7 518颗不超过346 km高度的近地轨道卫星，2018年3月初发射的测试卫星（Tintin A和B）就属于后者。SpaceX预计，2025年最终完成12 000颗卫星部署时，可为地球用户提供至少1 Gb/s的宽带服务，最高可达23 Gb/s的超高速宽带网络。

2019年5月24日，60颗星链星座试验卫星成功发射，将与2018年2月发射的2颗试验卫星配合，进一步测试星载天线和电推进系统。SpaceX公司计划在2019年安排2～6次卫星的发射，正式开启星座部署工作。

（3）电信卫星（Telesat）公司星座，2017年11月3日，美国联邦通讯委员会批准加拿大Telesat公司的117颗低轨卫星星座计划进入美国市场运营，这是继一网星座之后第二个获批的该类方案。2018年1月12日，首颗Telesat的低轨高通量试验卫星LEO Vantage 1搭载印度极地卫星运载火箭（PSLV）发射入轨，整个星座2021年开始运营，将拥有太字节的通信容量。

（4）以太（Ether），2018年5月，俄罗斯航天国家集团公司推出以太全球多功能通信卫星系统计划。该系统由288颗轨道高度为870 km的卫星组成，为俄罗斯全境及全球用户提供移动通信和互联网接入服务，这是俄罗斯提出的首个低轨卫星互联网星座项目。根据规划，该系统将与俄罗斯新一代信使通信卫星系统、射线数据中继卫星系统等连接，计划于2025年以前完成部署。该计划由于资金和技术问题，进展较慢。

低轨大规模星座的爆炸式发展远远超过了国际社会的原有预期，也在逼近近地轨道空间的承载极限，给空间环境带来一系列的严峻挑战。原本空间碎片环境就在不断恶化中，已经开始威胁到了LEO轨道的安全，并且目前这种恶化仍远未得到遏制。根据NASA研究推算，如果没有有效的控制手段，70年后LEO碎片密度将达到一个临界值，导致碎片链式撞击效应发生（Kessler灾难），进而使得近地空间彻底不可用。而大规模小卫星星座的发射部署将极大地加剧这一趋势[22]。

首先，由于大规模星座数量巨大，发射过程穿越空间目标密集区域将极大地增加部署轨道空间目标数量及撞击概率，同时，其自身受碎片撞击概率也较大。2019年6月28日，SpaceX发射的60颗微小卫星中，3颗失联，2颗主动坠落，5%成为碎片。2019年9月2日，ESA地球观测卫星Aeolus采取了机动规避，以避免与SpaceX发射的60颗微小卫星发生碰撞。其次，由于小卫星相对于传统卫星可靠性低，还面临入轨失败率高、运行中失效率高及可靠任务后离轨难以保证的问题。最后，由于其目标特征小，地面难以对其进行有效的监测预警和规避。

从短期看，大型小卫星星座发射会使LEO轨道目标大量增加，从而威胁到现有空间目标的安全。以OneWeb星座为例^[4][5]，位于1 200 km轨道高度由720颗卫星组成的星座系统在发射部署、在轨运行和任务后离轨三个阶段与已编目空间目标危险交会次数如图3-3所示。仅其运行阶段单年的危险交会次数即已超过现在全部空间目标全年危险交会次数（1 000多次）。持续5年的任务后离轨阶段更是有超过万次的危险交会。虽然通过缩减离轨时间能显著减少危险交汇次数，但目前碎片减缓准则对此并无约束。这仅仅是一个720颗卫星星座的影响，上万颗星座的影响会更加惊人。

从长期来看，大型小卫星星座自身也会遭遇碎片撞击，使得低轨撞击次数增加，产生更多的空间碎片，加剧碎片环境的长期恶化趋势。星座中卫星数量、卫星质量、卫星面积和星座部署高度等因素，都会对星座在空间环境中碰撞次数、新增碎片数量和未来空间碎片有影响。其中，星座中卫星数量是未来空间碎片环境的重要影响因素，星座中卫星面积主要影响未来碰撞次数，而卫星质量则是新增碎片数量的重要影响因素；星座部署于1 100 km高度对空间碎片环境的影响是最严重的，而部署于500 km高度则对空间碎片环境影响最小，但为了实现任务目标，需要对卫星进行轨道维持，成本较大[23]。为应对大型星座对空间碎片环境造成的影响，需要制定相关减缓措施减少碎片的产生。一般空间碎片减缓措施主要包括：钝化，限制正常操作期间释放的物体；PMD及在轨碰撞规避。其中，PMD是将任务阶段已经结束的，并且未来在轨寿命大于25年的航天器或火箭按一定处置成功率从原运行轨道变轨至一条弃置轨道上，该弃置轨道需满足让其在25年内能够自然陨落的条件。研究表明^[6]，一个寿命期50年（2021—2071）的典型的大型小卫星星座（1 080颗200 kg卫星，分布于高度1 100 km、倾角80°的20个轨道平面）的发射运行将导致LEO轨道物体和撞击次数在短时间内激增；当星座中卫星任务后离轨成功率（PMD）高达90%以上时，轨道物体数量和撞击次数才能在星座退役后缓慢恢复到正常水平，而低于90%的PMD将导致轨道物体持续增长，空间环境将不可逆转地持续恶化，如图3-4和图3-5所示。当达到90%PMD成功率时，若缩短离轨时间，LEO区域物体数量和撞击次数峰值将随之缩小，环境恢复速度也将随之提升，如图3-6和图3-7所示。

图3-3　OneWeb星座不同阶段危险交会次数（见彩插）(www.xing528.com)

图3-4　不同PMD执行率下星座对LEO轨道10 cm以上碎片数量的影响（见彩插）

图3-5　不同PMD执行率下星座对LEO轨道物体相撞次数的影响（见彩插）

图3-6　不同PMD时间下星座对LEO轨道10 cm以上碎片数量的影响（见彩插）

图3-7　不同PMD时间下星座对LEO轨道物体相撞次数的影响（见彩插）

联合国和平利用外层空间委员会（UNCOPUOS）和国际机构间空间碎片协调委员会（IADC）现有的空间碎片减缓指南完全无法遏制大规模小卫星星座对空间碎片环境的灾难性影响。为此，IADC从2015年开始，2016年、2017年、2018年连续在外空委大会上提交关于大规模星座问题的声明，声明指出：“大规模星座将导致空间碎片环境严重恶化，对现存减缓指南构成了严峻挑战。”IADC建议：①大型微小卫星星座不要在轨道高度上重叠，避免相互碰撞；②在400 km以上轨道高度的微小卫星必须自带角反射器等，能告知监测系统卫星自身的空间位置，以避免和其他卫星碰撞；③微小卫星在任务结束后进行迅速可靠的钝化、离轨处置，在寿命结束后5年内必须离轨；④微小卫星制造时选用适当的材料，使得卫星在重返大气层时能够彻底分解、烧毁，确保没有碎片到达地面，以免对地面上的人或财产构成重大风险。

【注释】

[1]Liou JC.Orbital debrism itigation in support of space situational awareness and space traffic management，2019.

[2]Liou JC.USA space debris environment，operations，and research updates[C].54 th Session of the Scientific and Technical Subcommittee，Committee on the Peaceful Uses of Outer Space.Vienna：UNCOPOUS，2017.

[3]空天大视野，“星链计划”背后的军事企图.

[4]Christian P.Provide an example of impact probability assessment for constellations above 1000 km.IADC-WG3-IT34-4，2016.

[5]James Hyde，Eric Christiansen，Dana Lear.Impact probabilities for a constellation above 1000 km.35 th IADC-IT34-4，2017.

[6]Holger K.Risk to space sustainability from large constellations of satellites，the 67 th International Astronautical Congress，IAC-16-A6.4.2，Guadalajara，Mexico，2016.