低轨卫星测控技术分析之四：WorldView-2卫星伴随碎片分析

Sevenv55biecss 2022-08-21 发布于江苏

展开全文

WorldView-2卫星（WV-2）发射于2009年10月，是第一个高分辨率的8波段多光谱商用卫星，其外形如左下图所示，全色星下点分辨率0.46m，多光谱星下点分辨率1.84m，星下点幅宽16.4km，最大侧摆角40°。卫星姿态调整加速度为1.5deg/s2、速度3.5deg/s，每天能够收集100万平方公里的8波段图像，卫星的工作模式如右下图所示，支持点、多点和拼图目标观测。

碎片事件发生

2016年7月19日，美国位于加州范登堡空军基地的联合太空作战中心监视到WV-2卫星附近出现了9个空间碎片，并标注是WV-2产生的碎片，但DigitalGlobe公司于当天发布了由WV-2卫星拍摄的加利福尼亚州奥克兰照片，申明卫星的载荷工作和轨道机动控制正常。到2018年4月16日，联合太空作战中心的资料显示WV-2附近又多出5个伴随碎片，并明确标注是WV-2碎片。截止2021年5月标注归属WV-2的碎片共有13块。

2. 原因分析

2016年10月发表的NASA的《轨道碎片》季报分析表明，WV-2卫星第一次经历的碎片事件大概发生在2016年7月18日格林尼治标准时间22:52，这时卫星已经运行了6.7年，轨道倾角98.5°、高度768x767公里。从2016年9月8日开始，所有9块碎片被编入SSN序号，左下图是碎片事件后WV-2卫星和碎片周期对应的近地点和远地点高度Gabbard图，这些碎片的轨道周期最大改变0.8min、倾角最大改变0.02°。碎片的周期增大的现象表明碎片生产事件的原因是碎片事件（a fragmentation event）而不是碎片脱落事件（debris shedding event）事件，因为后者会缩短轨道周期，这些碎片周期的增加值对应分离速度增量小于3m/s。右下图是碎片事件后一个月后，WV-2卫星和其中8个碎片在空间的分布。

美国航空航天公司的MarlonSorge也对WV-2碎片事件进行了分析，他计算WV-2在2016年7月18日22:59:22释放了9块碎片（标准偏差415秒），从地理上看，WV-2的碎片事件发生在北极上空。Marlon Sorge还计算了每个碎片的分离速度，如左下图所示，图中T-切向、R-径向、N-法向，碎片的平均速度9.95m/s。可以看出主星的速度没有变化，其中4个碎片沿卫星运行速度方向的左上方、1个碎片（碎片4）沿速度和轨道法向的反方向，2个碎片（碎片6和8）沿轨道法向反方向，即碎片1、2、5、7的方向与碎片4、6、8 相反。对比2015年11月25日NOAA-16卫星内部爆炸时，NOAA-16卫星本体速度有明显的变化，右下图是NOAA-16碎片事件发生时的半长轴变化情况，半长轴减小了16m。因此，WV-2主星的速度没有变化和这种反冲特性表明产生碎片的产生原因是碰撞而不是星体爆炸。

下图是Marlon Sorge计算的WV-2碰撞事件释放的碎片加权平均面积质量比估值，可以看出许多碎片的面积质量比值小于1平方米/公斤，属于中等密度材料，可能是铝或固体电子碎片，而一块较轻的碎片的面积质量比为2.3 平方米/公斤，可能是复合材料。而按WorldView-1重量2500kg、外形3.6m×2.5m估算，WorldView-2的面质比为0.0036平方米/公斤，远远小于这些碎片。

3. 碎片轨道演变

左下图是2021年5月20日WV-2卫星和其中8个伴随碎片空间分布情况，右下图WV-2卫星和13个伴随碎片空间分布情况，黄线是本星，可以看出，经过大约5年的时间，这些自由漂移的碎片已经分布在不同的轨道面。

左下图是2021年5月WV-2卫星和其中8块伴随碎片轨道高度的比较，最低的一块碎片的轨道高度已经降到607km，它应该就是那块面质比为2.3平方米/公斤的碎片。我们计算了WV-2卫星和8个碎片的轨道倾角与太阳同步轨道面的差值，最大已经差0.3°。右下图画出了4块碎片（41735～41738）从产生到2021年5月轨道高度变化情况，由于分离速度、方向和面质比的不同，这些碎片高度变化的速度差别很大。