鄭景輝,毛銀盾,施 娟,王鯤鵬,溫昌禮
1.上海大學(xué),上海 201900 2.中國科學(xué)院上海天文臺,上海 201600 3.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 10094 4.32035部隊,西安 710200
衛(wèi)星頻軌資源是指衛(wèi)星電臺使用的頻率和衛(wèi)星所處的空間軌道位置,是全人類共有的自然資源,有限且不可再生.因此,頻軌資源的獲取不是單一國家能夠主宰的,各國需要依據(jù)國際電信聯(lián)盟 (international telecommunication union,ITU)制定的規(guī)則進(jìn)行開發(fā)利用,頻軌的申請和投入使用需要經(jīng)過相關(guān)國際組織的協(xié)調(diào).
近年來,空間技術(shù)發(fā)展迅速,人類已朝太空發(fā)射了三萬多顆衛(wèi)星和航天器,頻軌資源日益緊張.以地球同步軌道為例,對地覆蓋范圍大,運(yùn)轉(zhuǎn)周期等于地球自轉(zhuǎn)周期,有利于地面站的跟蹤通信[1].因此,多數(shù)通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星都在地球同步軌道.北美航空司令部 (north american aerospace defense command,NORAD) 最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,目前在地球同步軌道有1500多顆衛(wèi)星,通信衛(wèi)星有946顆,還處在工作狀態(tài)的約 447 顆,地球同步軌道處于十分擁擠的狀況.
隨著衛(wèi)星通信和導(dǎo)航等應(yīng)用的需求增長,地球同步軌道帶的頻軌資源更加稀缺,各國圍繞頻軌資源的競爭日趨激烈.美國、俄羅斯等航天強(qiáng)國從上世紀(jì)五六十年代就已向ITU申報并依照國際程序獲取了大量的頻率軌道資源,以支撐其數(shù)量龐大的衛(wèi)星發(fā)射計劃,這也導(dǎo)致目前很多好用的頻段和軌道位置都已被這些大國占用.并且,在規(guī)則尚未完善之前,許多被申請的頻軌資源處于閑置狀態(tài),囤積在一些運(yùn)營商和國家手中.
2019年10月,世界無線電大會 2019 (WRC-19) 探討對大型星座運(yùn)營商提出更嚴(yán)格的發(fā)射節(jié)點(diǎn)要求,以防止衛(wèi)星運(yùn)營商以1顆衛(wèi)星來囤積供幾百乃至數(shù)千顆衛(wèi)星使用的無線電頻譜資源.WRC-19 最后文件對《無線電規(guī)則》中的條款做出了修訂[2],其中和占頻保軌相關(guān)的條款原文如下:
(1)“通知投入使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或空間電臺任何頻率指配的日期不得遲于無線電通信局收到提交的相關(guān)完整資料之日起的七年.在要求的期限內(nèi)未投入使用的任何頻率指配須予以注銷,無線電通信局須至少在該期限到期日三個月前通知該主管部門”.
(2)“如果一個具有發(fā)射或接受頻率指配能力的對地靜止衛(wèi)星軌道空間電臺部署在所通知的軌道位置并連續(xù)保持 90 天,則該頻率指配須視為已啟用”.
地球同步衛(wèi)星(包括地球靜止衛(wèi)星)通常安裝有推進(jìn)系統(tǒng),以供衛(wèi)星從 GTO 轉(zhuǎn)移軌道入軌,位置保持、姿態(tài)保持、變軌機(jī)動和退役后進(jìn)入墳?zāi)管壍?墳?zāi)管壍赖母叨韧ǔ1韧杰壍栏?00~300 km)等.由于當(dāng)前同步軌道帶軌位資源稀缺,衛(wèi)星密度大,并且有許多通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、軍事偵擦衛(wèi)星和科學(xué)衛(wèi)星等,空間態(tài)勢比較復(fù)雜,存在多種形式,多種目的的軌道機(jī)動:
(1)對正常工作的同步衛(wèi)星,運(yùn)營商須進(jìn)行一系列用于保持位置的常規(guī)性操作,確保衛(wèi)星保持在預(yù)定經(jīng)緯度區(qū)間內(nèi).國際電信聯(lián)盟規(guī)定:地球靜止衛(wèi)星保持位置的區(qū)間在正負(fù) 0.05° 的范圍內(nèi),對于傾角大于 5° 的衛(wèi)星,軌道節(jié)點(diǎn)交叉角在正負(fù) 0.1°[3].
(2)具有很強(qiáng)機(jī)動能力的軍事敏感衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)時會進(jìn)行大范圍機(jī)動,轉(zhuǎn)移軌道位置來執(zhí)行某些任務(wù).
(3)通信衛(wèi)星的“占頻保軌”,為了應(yīng)對 ITU 對頻軌資源的規(guī)定,衛(wèi)星運(yùn)營商通常會在一顆新衛(wèi)星入軌前,將在軌同步通信衛(wèi)星從當(dāng)前位置移動至另一個申請了頻率的位置[3],直至有新的衛(wèi)星入軌接管或至少保持 90 天使該位置的頻率指配視為已啟用.占頻保軌屬于通信衛(wèi)星的常規(guī)操作,非常普遍.
同步軌道上的這些機(jī)動行為給航天活動的安全帶來了挑戰(zhàn).為了更好的掌握同步軌道帶的空間態(tài)勢,同時,更好的理解和利用國際規(guī)則,我們需要對通信衛(wèi)星的“占頻保軌”行為進(jìn)行系統(tǒng)性的分析和整理.
本文以國際通信組織的 INTELSAT 系列衛(wèi)星的開源歷史數(shù)據(jù)為主,實(shí)測數(shù)據(jù)為輔,計算衛(wèi)星的軌道,統(tǒng)計變軌事件并找出其中屬于占頻保軌的變軌行為加以分析,總結(jié)規(guī)律.
兩行根數(shù)(two line elements,TLE)是NORAD基于一般攝動理論生成的預(yù)報地球飛行器位置速度的一組根數(shù)體系.目前,兩行根數(shù)的應(yīng)用比較廣泛,基本上已經(jīng)成為了一個國際標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)也有很多單位利用兩行根數(shù)確定空間目標(biāo)的位置[4-5].TLE由兩行數(shù)據(jù)組成,每行69個字符,可用SGP4 (Simplified general perturbations program No.4)或SDP4 (Simplified deep space portion 4) 軌道模型來計算相關(guān)衛(wèi)星的位置和速度,兩者的差別只在于大氣攝動項.
SGP4/SDP4模型是利用Brouwer衛(wèi)星運(yùn)動理論,考慮了大氣攝動,地球非球形引力田諧項攝動和日月攝動,形成的軌道分析理論,用作空間目標(biāo)的編目,以雙行根數(shù)TLE的形式發(fā)布[6].美國國防部 (United States department of defense,DoD) 在上世紀(jì)通過Space-Track Report No.3[7]發(fā)布了基于SGP4/SDP4模型和雙行根數(shù)預(yù)測衛(wèi)星位置的方程式和源代碼,但是并未公布在使用中發(fā)現(xiàn)問題并修改后的模型和代碼,導(dǎo)致Space-Track Report No.3這個報告中的模型和代碼跟DoD用于生產(chǎn)并發(fā)布TLE的模型不同.2006年VALLADO等人,合成了 SGP4/SDP4 模型最新且準(zhǔn)確的版本,并提供源代碼與測試案例,測試結(jié)果以及對SGP4理論版本的分析,可以和NORAD發(fā)布的根數(shù)吻合[8].總之,為了保證計算星歷表的精度,建議使用最新的 SGP4/SDP4 模型和相應(yīng)的計算工具.
圖2 在軌同步衛(wèi)星位置分布Fig.2 Distributuion of GEO Satellites
由于觀測等限制,NORAD發(fā)布的TLE軌道數(shù)據(jù)一般每天更新一次.然而在采用衛(wèi)星長期的(從發(fā)射至今) TLE軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析時,發(fā)現(xiàn)有些 TLE數(shù)據(jù)時間完全一致,或時間間隔很短的,但軌道相差很大的根數(shù).這是由于定軌弧段包含了軌控期間的數(shù)據(jù),而定軌的動力學(xué)模型 (SGP4/SDP4) 并沒有引入軌控期間的力學(xué)模型.NORAD對于 TLE 數(shù)據(jù)有一套自動檢核的標(biāo)準(zhǔn),針對誤差較大的根數(shù)會調(diào)整定軌策略,生成并發(fā)布另外一組根數(shù),通常來說,后面的根數(shù)要比之前更準(zhǔn)確[4].重復(fù)的 TLE 根數(shù)在導(dǎo)入模型計算時會出錯,因此,在處理有大量 TLE 軌道的數(shù)據(jù)時需要進(jìn)行篩選,剔除重復(fù)數(shù)據(jù).例如INTELSAT 706 (23571) 自 2012/08/21 到 2020/05/01 共有TLE根數(shù) 5743組,剔除重復(fù)歷元根數(shù)150組,占比2.61%,有效數(shù)據(jù)約97.39%.
對于時間間隔很短的根數(shù),若TLE的數(shù)據(jù)軌道偏差較大,在長期軌道分布的曲線中會表現(xiàn)為離散的點(diǎn),一些出錯的TLE根數(shù)同理.對于INTELSAT系列衛(wèi)星,多數(shù)已經(jīng)在軌運(yùn)行了多年,一些看似散點(diǎn)的數(shù)據(jù)可能是包含了數(shù)周甚至幾個月的數(shù)據(jù),無法簡單分辨,如圖3,INTELSAT 706的半長軸有不少地方表現(xiàn)為散點(diǎn),超出正常的分布范圍,其中有些屬于誤差較大的異常值,有些處于變軌中的弧段.本次研究使用聚類方法中的kNN (k-nearest neighbor) 算法檢測離群點(diǎn),并剔除其中屬于異常點(diǎn)的數(shù)據(jù).
圖3 INTELSAT 706 半長軸隨時間的分布(未篩選野值)Fig.3 INTELSAT 706 Semi-major Axis’s relation with time
1.3.1k最近鄰算法
k最近(k-nearest neighbor,kNN) 算法最初由兩位學(xué)者 COVER和HART 在1967年提出[9],目的是為了給數(shù)據(jù)集分類.在訓(xùn)練集中尋找k個距離測試點(diǎn)s最近的點(diǎn),若k個距離最近點(diǎn)中的多數(shù)屬于某一個類別,則將s歸于那個類別.因其對一些數(shù)據(jù)集能簡單高效的進(jìn)行分類(或回歸),目前被廣泛用于訓(xùn)練基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分類模型,并被評為Top 10 algorithms in data mining[10].
若有訓(xùn)練集D={(x,y)},x為數(shù)據(jù)集,如衛(wèi)星軌道參數(shù)等,y為類別作為標(biāo)簽.對測試點(diǎn)s(x′,y′)計算它與點(diǎn)集中所有元素的歐式距離
(1)
對根據(jù)距離d的大小對訓(xùn)練集進(jìn)行排序,得到前k個最近鄰列表Ds,接下來引入投票方法[10]
(2)
其中v是代表類別標(biāo)簽,yi是第i個s最近鄰點(diǎn)的標(biāo)簽,I返回有變括號內(nèi)等式是否成立,成立則為1,否則為0.最終,算法便依照以上兩式,將測試點(diǎn)分類到類別:y′中.如圖4使用kNN算法為藍(lán)色的星形點(diǎn)分類,將其分到k個最近鄰點(diǎn)所屬顏色占多的那一類中(綠或紅).
圖4 kNN示意圖,若k=7,藍(lán)色星形點(diǎn)將被歸類到綠色三角形點(diǎn)集Fig.4 kNN:If k=7,test point will be grouped into point set 2
1.3.2 離群點(diǎn)檢測
(3)
以INTELSAT 706的半長軸分布為例,在給定一個k值的情況下,某個點(diǎn)的離群點(diǎn)得分如下:
(1)如果該點(diǎn)是距離點(diǎn)集大部分元素較遠(yuǎn)的孤立點(diǎn),則密度會很低,可以視作誤差較大的異常值,需要進(jìn)行剔除.
(2)如果是處于正在正常工作階段,半長軸保持不變,則該弧段所有點(diǎn)位的離群點(diǎn)得分O會約等于一常數(shù)c波動小于0.01.
(3)處于弧段兩端或持續(xù)調(diào)整軌道的弧段,點(diǎn)位的離群點(diǎn)得分略小于c.
在使用SGP4/SDP4模型預(yù)報軌道參數(shù)時,大部分根數(shù)間隔1天,由于許多目標(biāo)有多達(dá)十幾年的數(shù)據(jù),所以選取預(yù)報的步長為12 h,這樣能使絕大部分根數(shù)得到利用,同時使數(shù)據(jù)不會過于龐大.在進(jìn)行離群點(diǎn)檢測時,若數(shù)據(jù)弧段處于同步衛(wèi)星正常在軌工作狀態(tài),通常相鄰半長軸變化量小于0.1,為了凸顯半長軸變化的影響,時間單位設(shè)為(10 h),即Δt=1.2(10h).則當(dāng)k=7時,O=c=0.364.本次研究中,以半長軸a為參照,計算半長軸隨時間分布的點(diǎn)集A=(t,a),令剔除異常點(diǎn)的閾值為0.2,若點(diǎn)(ti,ai)的離群度得分O小于0.2即視為異常點(diǎn),剔除t=ti時的軌道參數(shù)(半長軸,傾角,星下點(diǎn)位置等).
圖5是23571在剔除前后的半長軸散點(diǎn)圖,篩選前孤立的離散點(diǎn)(用紅圈標(biāo)出)在篩選后已被剔除,剩下的離群點(diǎn)看似孤立其實(shí)有不少數(shù)據(jù)聚集,屬于變軌弧段.
圖5 INTELSAT 706 數(shù)據(jù)篩選前后的半長軸分布Fig.5 INTELSAT 706 Semi-major Axis
利用NORAD在網(wǎng)上發(fā)布的TLE根數(shù)計算 INTELSAT系列同步通信衛(wèi)星的軌道,在篩選異常值后,計算衛(wèi)星半長軸,傾角,星下點(diǎn)經(jīng)度,緯度這四個參數(shù)隨時間的分布.通過這些參數(shù)的變化來斷同步衛(wèi)星的變軌事件,并分析是否存在占頻保軌行為.
如圖6和7是INTELSAT 706的星下點(diǎn)經(jīng)度,以及星下點(diǎn)經(jīng)緯度密度分布.
圖6 INTELSAT 706 星下點(diǎn)經(jīng)度分布Fig.6 INTELSAT 706 longitude
圖7中,橫軸為衛(wèi)星工作經(jīng)度,縱軸為緯度,顏色越紅,該區(qū)域散點(diǎn)密度越大,表明衛(wèi)星在此位置停留的時間越長.可以看出,該衛(wèi)星從2000年1月1日起直至退役離軌,一共在5個不同位置長期停留過,停留的時間均超過90天,足以使軌道頻率指配啟用.該衛(wèi)星在不同經(jīng)度停留的時間如表1.
圖7 INTELSAT 706 星下點(diǎn)密度分布Fig.7 INTELSAT 706 sub-satellite point's density
表1 INTELSAT 706工作經(jīng)度Table 1 INTELSAT 706 longitude
INTELSAT 706在50.2°E和54.8°E停留最久,在圖7中表現(xiàn)為在經(jīng)度50°E附近,顏色最深,最紅.衛(wèi)星退役后,進(jìn)入比同步軌道高約300 km的墳?zāi)管壍溃鄬τ诘孛嫦蛭髌?,并且傾角也隨之變化,在圖7上留下有一定分布規(guī)律的離散的點(diǎn).
圖8是TNTELSAT 709(23915)的軌道參數(shù).這顆衛(wèi)星同INTELSAT 706一樣,在軌期間多次變換定位點(diǎn),在每個定位點(diǎn)的保持時間均超過90天,實(shí)質(zhì)上達(dá)到了占頻保軌的作用.值得注意的是,該衛(wèi)星在2012年10月11日起停留在47.5°E的定位點(diǎn),持續(xù)約112天,隨即退役,進(jìn)入墳?zāi)管壍?這是一種標(biāo)準(zhǔn)的占頻保軌行為,在老齡衛(wèi)星退役前,用剩余燃料機(jī)動至另外一個頻軌來啟用當(dāng)前軌道位置的頻率指配,然后可以結(jié)束使命,進(jìn)入墳?zāi)管壍缊髲U.
圖8 INTELSAT 709 軌道參數(shù)Fig.8 INTELSAT 709 orbit
事實(shí)上,利用即將退役的衛(wèi)星進(jìn)行占頻保軌是運(yùn)營商普遍采用的策略,在分析的67個INTELSAT衛(wèi)星中,除去分析起始之日2000/01/01起已經(jīng)退役的衛(wèi)星,有39顆在在軌期間進(jìn)行過軌道機(jī)動,轉(zhuǎn)移定位點(diǎn),其中21顆確認(rèn)退役進(jìn)入墳?zāi)管壍溃?顆在退役前轉(zhuǎn)移定位點(diǎn)進(jìn)行占頻保軌,占比1/3.
圖9是國際通信衛(wèi)星INTELSAT 901(26715)的軌道參數(shù)隨時間分布,INTELSAT 901入軌的位置在67.5°W,短暫停留60天后,轉(zhuǎn)移到18°W的位置,持續(xù)運(yùn)行了十六年.這種在入軌初期停留在一個位置60天左右隨后變軌的行為,應(yīng)是占頻保軌.在當(dāng)時規(guī)則并未完善的情況下,利用有通信能力的衛(wèi)星前往申請到的軌位,并通知ITU無線電通信局已啟用頻率指配,則該頻軌資源就可以被國際電信聯(lián)盟登記為已啟用,不會因超過期限而被注銷.目前能找到的最早對頻率指配的啟用做出相關(guān)規(guī)定的法律/規(guī)章文件是2012年修訂出版《無線電規(guī)則》,規(guī)定靜止軌道衛(wèi)星須在軌道位置保持90天,該軌道的頻率指配才能被視作已啟用.
圖9 INTELSAT 901 軌道參數(shù)Fig.9 INTELSAT 901 orbit
2017年,中科院上海天文臺在云南麗江部署了一套同步軌道動態(tài)監(jiān)視光學(xué)系統(tǒng) (FocusGEO)[10-12],收集了大量觀測數(shù)據(jù).以INTELSAT 37E(42950)為例.這顆衛(wèi)星在2017年10月27日前后入軌,軌道位置在84.5°E,96天后,抬升軌道,向西漂移,2018年2月24日在18°W定點(diǎn),如圖10.衛(wèi)星在入軌的位置短暫停留后就變軌轉(zhuǎn)移,正是一次典型的占頻保軌行為,停留天數(shù)96天,符合《無線電規(guī)則》對頻率指配啟用的相關(guān)規(guī)定.
圖1 在軌同步衛(wèi)星類別統(tǒng)計,通信衛(wèi)星占比約 80%Fig.1 Kind of GEO satellites,80% are communication satellites
2017年10月至2018年1月INTELSAT 37E占頻保軌期間,該衛(wèi)星正好在在麗江FocusGEO系統(tǒng)的觀測范圍內(nèi),并觀測到它變軌的過程.2018/01/28—2018/02/06,對 INTELSAT 37E共收集到4個站圈數(shù)據(jù),經(jīng)過定軌得到衛(wèi)星的 TLE 和軌道參數(shù)和如表2,3.
表2 INTELSAT 37E自主根數(shù)Table 2 INTELSAT 37E TLEs
可以看出,2018年1月29日的觀測弧段,INTELSAT 37E還保持在84.49°E但半長軸已經(jīng)小幅升高,有變軌跡象.2018年2月5號和6號,再次觀測到INTELSAT 37E,發(fā)現(xiàn)該衛(wèi)星已經(jīng)大幅變軌,半長軸 在 42574.7 km,已經(jīng)處于墳?zāi)管壍?,正在快速向西漂移,星下點(diǎn)經(jīng)度在50.14°E.當(dāng)時推測INTESAT 37E在29號和5號間變軌抬升了軌道.從圖10中可以看出,根據(jù)網(wǎng)上根數(shù)計算的軌道,INTELSAT 37E在2018年2月1日發(fā)生的變軌,變軌前后的半長軸,星下點(diǎn)位置等與麗江站FOCUS GEO系統(tǒng)觀測結(jié)果一致,后續(xù)觀測結(jié)果表明,INTELSAT 37E進(jìn)一步提高軌道高度,向西漂移,逐漸漂出我們的觀測范圍.
圖10 INTELSAT 37E 軌道參數(shù)Fig.10 INTELSAT 37E orbit
值得注意的是,INTELSAT 37E在向西漂移時,軌道高度很高,已進(jìn)入墳?zāi)管壍?對于航天器來說,墳?zāi)管壍烙休^多空間碎片,在這個軌道上移動,風(fēng)險較高.在本次研究中發(fā)現(xiàn)有變軌行為的39顆INTELSAT衛(wèi)星中,除了退役離軌,有30顆衛(wèi)星做過向西漂移的機(jī)動,衛(wèi)星數(shù)量和向西變軌弧段最高半長軸A(單位 km)的對應(yīng)關(guān)系如下:
(4)
大部分INTELSAT選擇 42200 km~42300 km的軌道轉(zhuǎn)移定位點(diǎn),具體高度取決于目標(biāo)經(jīng)度與當(dāng)前經(jīng)度的距離.
表3 INTELSAT 37E 軌道參數(shù)Table 3 INTELSAT 37E’s Orbit parameters
JCSAT 16 (41729),是一顆日本通信衛(wèi)星,2016 年8月14日發(fā)射,作為Super bird 8衛(wèi)星的在軌備份星.
如下圖,自2018年8月14日起,JCSAT 16開始機(jī)動,在 144.9°E,144.0°E,136.0°E 分別停留了83天,91天,84天.2019/07/29漂移至124°E停留了350天后再次開始機(jī)動.這種頻繁的轉(zhuǎn)移軌道且駐留時間不長的行為,疑似運(yùn)營商利用這顆備份星來占頻保軌,其中在144.0°E停留的天數(shù)符合ITU啟用頻率指配的規(guī)定,在其他兩個軌位停留的時間也與ITU規(guī)定接近.
本文以 INTELSAT 國際通信衛(wèi)星為研究對象,研究同步衛(wèi)星的占頻保軌行為.利用TLE和 SGP4/SDP4軌道模型計算這些衛(wèi)星的軌道,提出了基于密度和k-最近鄰的離群點(diǎn)檢測來篩選數(shù)據(jù)野值的方法.分析發(fā)現(xiàn),“占頻保軌”行為在同步軌道通信衛(wèi)星中非常普遍.在67顆INTELSAT衛(wèi)星中,有 39顆在運(yùn)行期間有變軌行為,占比56.7%,這些變軌行為實(shí)質(zhì)上都能起到占頻保軌的作用.存在明顯占頻保軌行為(在軌道位置上短暫的停留后再次變軌機(jī)動,停留時間剛好能使頻率指配視作啟用)的INTELSAT衛(wèi)星有11顆,占比16.4%,其中有7顆衛(wèi)星在臨近退役前采取占頻保軌的操作,占已退役衛(wèi)星的1/3.統(tǒng)計了變軌弧段的軌道特征,發(fā)現(xiàn)大部分衛(wèi)星的機(jī)動幅度不超過150 km,只有個別急需大范圍機(jī)動的衛(wèi)星會冒險接近空間碎片較多的墳?zāi)管壍?
通信衛(wèi)星的占頻保軌行為體現(xiàn)了如今頻軌資源稀缺和寶貴,各國圍繞頻軌資源的競爭正在加劇.美、俄等老牌航天強(qiáng)國更是在早期參與了相關(guān)國際規(guī)則的制定,利用技術(shù)先發(fā)優(yōu)勢搶先占據(jù)了大量優(yōu)質(zhì)的頻軌資源.我國在早期并非規(guī)則的制定者,掌握的頻軌資源有限,應(yīng)當(dāng)充分利用國際規(guī)則,采取靈活的策略來更高效的使用頻軌資源,占頻保軌就是其一.
致謝:感謝負(fù)責(zé)執(zhí)行日常觀測任務(wù)的觀測助手,他們的辛勤工作為本次研究提供了數(shù)據(jù)支持.感謝麗江觀測站和驪山觀測站在設(shè)備運(yùn)行期間提供的大力幫助.