引用格式：
云朝明,胡敏,阮永井,等.低轨大规模卫星星座内部防碰撞安全性分析[J].中国空间科学技术,2023,43(5):35-45.
YUN C M, HU M, RUAN Y J, et al. Internal anti-collision safety analysis of LEO large-scale satellite constellation[J]. Chinese Space Science and Technology, 2023, 43(5):35-45(in Chinese).
一、文章导读
1.研究背景
低轨大规模星座卫星数量巨大，发生一次解体碰撞会产生成百上千的空间碎片，这些碎片不仅会增加星座的碰撞概率，而且由于碎片面质比较小，在空间停留时间长，会对空间环境造成长期危害。因此，无论从低轨大规模星座自身安全还是空间环境可持续性的角度出发，对低轨大规模星座轨道安全尤其是碰撞安全的研究是必要且亟需进行的。
星座内部的安全性需要关注入轨分离时的碰撞风险、正常工作时的异轨卫星间的碰撞风险。大规模星座在初始设计状态下，其星座构型具有一定的安全性，但是星座卫星在初始化或进行轨道控制时存在控制偏差，造成卫星的实际位置与标称位置出现偏差。由于各个卫星的偏差存在差异，在摄动力的作用下，星座卫星间会发生相对漂移，导致卫星偏离理论相位。当漂移量达到一定程度时，就可能在交会处与其他轨道平面卫星发生碰撞。为了避免星座卫星间的碰撞，必须保证星座空间几何构型维持在一定关系范围内，需要约束卫星沿升交点赤经（right ascension of ascending node，RAAN）和相位的漂移量，这个约束的阈值被称为星座构型最大容许漂移量。
本文通过对星座构型最大漂移量进行研究来分析星座卫星间的安全性。在计算得到卫星轨道平面最小相位差的基础上，分析构型参数和升交点赤经漂移量对最小相位差的影响，并提出基于最小相位差的星座构型参数协同设计方法，最后以Starlink第一期星座为参考进行仿真，验证了该方法的合理性。
2.文章梗概
针对低轨大规模星座卫星间碰撞安全问题，对星座构型的最大漂移量开展了研究。基于球面三角形理论计算了卫星轨道平面的最小相位差；采用控制变量法对星座构型参数进行研究，分析不同构型参数对星座卫星最小相位差的影响，以及升交点赤经漂移量与最小相位差的关系，提出了基于最小相位差的星座构型参数协同设计方法；基于相对相位分析方法，建立升交点赤经漂移量与相位漂移量随时间变化的函数关系；最后，以Starlink第一期星座为参考对象进行仿真，验证了构型参数协同设计方法的合理性。
3.总结与展望
本文通过对低轨大规模星座构型参数进行分析，得到轨道倾角和相位因子能够协同调节星座最小相位差的大小，提出了基于星座构型安全的构型参数协同设计方法。仿真试验表明，通过协同设计能够得到不同轨道倾角和相位因子下星座最小相位差较优的结果，给出满足星座构型安全的构型参数，为星座构型参数设计提供参考。
当确定星座构型参数以后，根据星座最小相位差与升交点赤经漂移量之间的约束以及升交点赤经和相位差随时间的漂移关系，可以得到星座构型升交点赤经和相位最大漂移量，以及不同维持控制策略下的维持控制时间频次。
通过对Starlink第一期星座进行仿真得到，绝对控制策略下升交点赤经和相位最大漂移量分别为0.03°和0.15°，构型维持频次约为4d一次，若对相位进行偏置控制,控制时间为约 8d维持控制一次。相对控制策略下升交点赤经和相位最大漂移量分别为0.01°和0.38°，构型维持频次约为33d一次，与绝对控制策略相比，相对控制策略能够有效延长星座构型维持控制时间。
根据星座构型最大漂移量及维持控制时间，可以得到低轨大规模星座构型安全评价指标，为低轨大规模星座卫星间碰撞安全评估提供参考。
二、作者简介
云朝明，中山大学博士研究生，主要研究方向为低轨巨型星座安全性分析。
胡敏，航天工程大学副教授，博士，主要研究方向为空间管理复杂性及其安全管理与决策。
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来源：《中国空间科学技术》2023年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
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