極端地磁暴引發數千顆星鏈衛星軌道變化：數據統計與現象分析

極端地磁暴引發數千顆星鏈衛星軌道變化：數據統計與現象分析

文 | 林翊鈞、徐帆江、劉帥軍、譚晶、秦明宇（中國科學院軟件研究所 ）

PART 01

引 言

據美國國家航空航天局（NASA）估計，第25個太陽活動周期于2019年12月正式開始，太陽活動逐漸增強，約在2025年達到極大期，隨后逐步減弱至2030年前后結束。此期間堪稱衛星軌道阻力研究的“黃金時代”——人類歷史上首次在最強太陽活動期間，同步運營著規模空前的低軌巨型星座。當地磁暴發生時，太陽風能量會大量沉積至地球磁層與熱層，引起高層大氣顯著升溫膨脹，從而增大低軌衛星所承受的大氣阻力、加速其軌道衰減。

根據中國科學院空間環境預報中心發布的地磁暴dst指數數據，自2020年以來，全球已累計發生5次特大地磁暴事件。結合同期衛星軌道數據開展相關研究，對研判巨星座系統在極端空間環境下面臨的風險、制定應對策略具有重要意義。對此，依托本團隊自研的天智巨星座研究平臺，本文聚焦于2024年5月10至12日發生的近二十年來最強地磁暴事件，選取該事件發生前一周處于在軌穩定狀態（軌道半長軸變化<0.3km）的5205顆星鏈衛星為研究對象，分析了其在地磁暴期間的軌道變化情況，主要結論為：

地磁暴發生后，因大氣阻力增加導致的被動降軌及SpaceX隨后采取的軌道維持操作，大量星鏈衛星出現了軌道高度變化短時加劇的現象，升降軌幅度與衛星版本、軌道位置存在強相關性。

圖1 中國科學院空間環境預報中心發布2020-2025地磁暴dst指數變化曲線

PART 02

地磁暴后，大量星鏈衛星

出現軌道高度變化加劇現象

本文中，星鏈衛星的軌道高度由“軌道半長軸-地球半徑（6378.137km）”計算得出，半長軸數據源自SpaceTrack公開發布的兩行軌道根數（TLE）。據此標準篩選，地磁暴發生前一周，軌道高度總變化<0.3km的在軌星鏈衛星共計有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定狀態的5205顆星鏈衛星軌道高度和傾角分布

在地磁暴發生至結束后的7天內，大量星鏈衛星出現軌道高度變化加劇的現象，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2km。然而，在地磁暴結束后的7~14天內，絕大多數衛星的軌道狀態重新趨于穩定，有88.74%（4619顆）的軌道高度變化幅度恢復至不超過0.3km，該比例在隨后的一周內進一步提升到了92.12%（4795顆），具體如圖3所示。這些數據表明，特大地磁暴發生后，星鏈系統出現了普遍且顯著的軌道高度變化影響，不過這種現象只是短時性的，絕大多數星鏈衛星的軌道狀態都會逐漸回歸穩定。

表1 5205顆星鏈衛星在各階段的平均軌道高度變化幅度

序號

時間段

平均軌道高度變化幅度

1

地磁暴發生前7天

(2024.05.0319:00—2024.05.10T19:00)

0.1312km

2

地磁暴發生到結束后的7天

(2024.05.10T19:00—2024.05.19T14:00)

0.5603km

3

地磁暴結束后的7~14天

(2024.05.19T14:00—2024.05.26T14:00)

0.2735km

4

地磁暴結束后的14~21天

(2024.05.26T14:00—2024.06.03T14:00)

0.2720km

圖3 5205顆星鏈衛星在地磁暴發生前后的軌道高度變化情況對比

PART 03

地磁暴后星鏈衛星先降軌后抬升，

升降軌幅度與版本及軌道位置相關

經數據初判與機理研究，在特大地磁暴發生后，星鏈衛星軌道高度變化加劇的主要原因在于——“衛星先因地磁暴引起的大氣阻力增大而出現快速被動降軌，隨后SpaceX為維持軌道高度采取了主動抬升操作，以應對持續的空間環境影響”。幾乎所有批次星鏈衛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 地磁暴發生后各批次星鏈衛星軌道高度變化曲線

升降軌現象在短時間內迅速發生

與地磁暴發生前的平均水平相比，原本在軌穩定的5205顆星鏈衛星在地磁暴后的三天內，軌道高度先出現平均最大0.2km的下降，隨后出現平均最大0.25km的上升。其中，有86.88%（4522顆）的星鏈衛星在2024年5月11日，即地磁暴發生后的第二天，軌道高度降至極小值，隨后這些衛星中有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，平均時間間隔僅為0.91天。這些數據表明，地磁暴對星鏈衛星軌道高度的影響迅速而顯著，為應對軌道衰減，SpaceX在系統層面采取了快速、批量的主動升軌操作，在24小時內就將大量星鏈衛星抬升至略高于原工作軌道的高度，以抵御持續的地磁擾動。

圖5 星鏈衛星在地磁暴發生三天內的最大降軌幅度（相對于地磁暴前基準）

圖6 星鏈衛星在地磁暴發生三天內的最大升軌幅度（相對于地磁暴前基準）

升降軌幅度與星鏈衛星所處位置、版本呈強相關性

經統計，在傾角、版本相同情況下，軌道高度越低的星鏈衛星，降軌幅度普遍越大（可對比表3的1-4、5/6、7-10行），這一現象符合物理認識：軌道高度越低，地磁暴引起的大氣阻力就越強，從而導致更顯著的軌道衰減；在傾角、軌道高度相同情況下，版本更高的星鏈衛星出現的降軌幅度越大（可對比表4的1/2、3-5行），這與不同版本衛星在整星質量、結構設計及迎風面積等方面的差異有關。相應地，針對不同軌道位置和版本的衛星，SpaceX所采取的機動升軌幅度也呈現差異。

表2 版本、傾角相同情況下，星鏈衛星升降軌幅度與軌道高度相關性對比

序號

軌道高度km

傾角°

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

衛星數量

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，星鏈衛星升降軌幅度與版本相關性對比

序號

軌道高度km

傾角°

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

衛星數量

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

依托自研的天智巨星座研究平臺，本文針對24年5月特大地磁暴事件，對原本處于軌道穩定狀態的5205顆星鏈衛星展開了分析。研究表明，該次地磁暴導致大量星鏈衛星的軌道高度變化加劇，相關過程集中發生于地磁暴爆發后的三天內，具體表現為：星鏈衛星先因大氣阻力增大而被動快速降軌，隨后SpaceX迅速在24小時內完成了大批量衛星的升軌操作。同時，星鏈衛星升降軌幅度與其版本及軌道位置存在強相關性，表現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境對低軌巨型星座的系統性宏觀影響，同時反映出SpaceX具備全星座快速軌道維持的應急響應能力。值得關注的是，SpaceX曾在地磁暴期間公開表示其星鏈服務正承受巨大壓力并出現性能下降。這一實時運營反饋與觀測到的大規模軌道變化相互印證，表明巨型星座在面臨劇烈空間環境擾動時，確實會進入高應力狀態。該事件也警示我們，極端空間環境是巨型星座運營中不可忽視的現實威脅，需深入研究具體應對策略與系統韌性邊界。

需要說明的是，本研究采用的公開TLE軌道數據為平根元素，半長軸參數值本身存在一定誤差，且數據發布間隔為小時量級，因此分析結果主要反映地磁暴對衛星軌道的宏觀影響。

>End

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