极端地磁暴引发数千颗星链卫星轨道变化：数据统计与现象分析 文 | 林翊钧、徐帆江、刘帅军、谭晶、秦明宇（中国科学院软件研究所 ） 据美国国家航空航天局（NASA）估计，第25个太阳活动周期于2019年12月正式开始，太阳活动逐渐增强，约在2025年达到极大期，随后逐步减弱至2030年前后结束。此期间堪称卫星轨道阻力研究的“黄金时代”——人类历史上首次在最强太阳活动期间，同步运营着规模空前的低轨巨型星座。当地磁暴发生时，太阳风能量会大量沉积至地球磁层与热层，引起高层大气显著升温膨胀，从而增大低轨卫星所承受的大气阻力、加速其轨道衰减。 根据中国科学院空间环境预报中心发布的地磁暴dst指数数据，自2020年以来，全球已累计发生5次特大地磁暴事件。结合同期卫星轨道数据开展相关研究，对研判巨星座系统在极端空间环境下面临的风险、制定应对策略具有重要意义。对此，依托本团队自研的天智巨星座研究平台，本文聚焦于2024年5月10至12日发生的近二十年来最强地磁暴事件，选取该事件发生前一周处于在轨稳定状态（轨道半长轴变化<0.3km）的5205颗星链卫星为研究对象，分析了其在地磁暴期间的轨道变化情况，主要结论为： 图1 中国科学院空间环境预报中心发布2020-2025地磁暴dst指数变化曲线 地磁暴后，大量星链卫星 出现轨道高度变化加剧现象 本文中，星链卫星的轨道高度由“轨道半长轴-地球半径（6378.137km）”计算得出，半长轴数据源自SpaceTrack公开发布的两行轨道根数（TLE）。据此标准筛选，地磁暴发生前一周，轨道高度总变化<0.3km的在轨星链卫星共计有5205颗，分布在350~580km之间，倾角以43°、53°、70°和97°为主。 图2 地磁暴前处于在轨稳定状态的5205颗星链卫星轨道高度和倾角分布 在地磁暴发生至结束后的7天内，大量星链卫星出现轨道高度变化加剧的现象，平均变化幅度较地磁暴前提升0.43km。其中，有84.34%（4390颗）的变化幅度提高了1倍；1.86%（97颗）的变化较剧烈、超过2km。然而，在地磁暴结束后的7~14天内，绝大多数卫星的轨道状态重新趋于稳定，有88.74%（4619颗）的轨道高度变化幅度恢复至不超过0.3km，该比例在随后的一周内进一步提升到了92.12%（4795颗），具体如图3所示。这些数据表明，特大地磁暴发生后，星链系统出现了普遍且显著的轨道高度变化影响，不过这种现象只是短时性的，绝大多数星链卫星的轨道状态都会逐渐回归稳定。 表1 5205颗星链卫星在各阶段的平均轨道高度变化幅度 图3 5205颗星链卫星在地磁暴发生前后的轨道高度变化情况对比 地磁暴后星链卫星先降轨后抬升， 升降轨幅度与版本及轨道位置相关 经数据初判与机理研究，在特大地磁暴发生后，星链卫星轨道高度变化加剧的主要原因在于——“卫星先因地磁暴引起的大气阻力增大而出现快速被动降轨，随后SpaceX为维持轨道高度采取了主动抬升操作，以应对持续的空间环境影响”。几乎所有批次星链卫星的轨道高度变化曲线均展示出了异于平常的“先下降、后上升、再下降”情况。 图4 地磁暴发生后各批次星链卫星轨道高度变化曲线 与地磁暴发生前的平均水平相比，原本在轨稳定的5205颗星链卫星在地磁暴后的三天内，轨道高度先出现平均最大0.2km的下降，随后出现平均最大0.25km的上升。其中，有86.88%（4522颗）的星链卫星在2024年5月11日，即地磁暴发生后的第二天，轨道高度降至极小值，随后这些卫星中有93.92%（4247颗）在第三天（2024年5月12日）轨道高度就升至了极大值，平均时间间隔仅为0.91天。这些数据表明，地磁暴对星链卫星轨道高度的影响迅速而显著，为应对轨道衰减，SpaceX在系统层面采取了快速、批量的主动升轨操作，在24小时内就将大量星链卫星抬升至略高于原工作轨道的高度，以抵御持续的地磁扰动。 图5 星链卫星在地磁暴发生三天内的最大降轨幅度（相对于地磁暴前基准） 图6 星链卫星在地磁暴发生三天内的最大升轨幅度（相对于地磁暴前基准） 经统计，在倾角、版本相同情况下，轨道高度越低的星链卫星，降轨幅度普遍越大（可对比表3的1-4、5/6、7-10行），这一现象符合物理认识：轨道高度越低，地磁暴引起的大气阻力就越强，从而导致更显著的轨道衰减；在倾角、轨道高度相同情况下，版本更高的星链卫星出现的降轨幅度越大（可对比表4的1/2、3-5行），这与不同版本卫星在整星质量、结构设计及迎风面积等方面的差异有关。相应地，针对不同轨道位置和版本的卫星，SpaceX所采取的机动升轨幅度也呈现差异。 表2 版本、倾角相同情况下，星链卫星升降轨幅度与轨道高度相关性对比 表3 轨道高度、倾角相同情况下，星链卫星升降轨幅度与版本相关性对比 依托自研的天智巨星座研究平台，本文针对24年5月特大地磁暴事件，对原本处于轨道稳定状态的5205颗星链卫星展开了分析。研究表明，该次地磁暴导致大量星链卫星的轨道高度变化加剧，相关过程集中发生于地磁暴爆发后的三天内，具体表现为：星链卫星先因大气阻力增大而被动快速降轨，随后SpaceX迅速在24小时内完成了大批量卫星的升轨操作。同时，星链卫星升降轨幅度与其版本及轨道位置存在强相关性，表现为版本越高或轨道越低，其轨道高度总变化幅度越大。 本研究揭示了极端空间环境对低轨巨型星座的系统性宏观影响，同时反映出SpaceX具备全星座快速轨道维持的应急响应能力。值得关注的是，SpaceX曾在地磁暴期间公开表示其星链服务正承受巨大压力并出现性能下降。这一实时运营反馈与观测到的大规模轨道变化相互印证，表明巨型星座在面临剧烈空间环境扰动时，确实会进入高应力状态。该事件也警示我们，极端空间环境是巨型星座运营中不可忽视的现实威胁，需深入研究具体应对策略与系统韧性边界。 需要说明的是，本研究采用的公开TLE轨道数据为平根元素，半长轴参数值本身存在一定误差，且数据发布间隔为小时量级，因此分析结果主要反映地磁暴对卫星轨道的宏观影响。
