[論文レビュー] Satellite Drag Analysis During the May 2024 Gannon Geomagnetic Storm

W. E. Parker, Richard Linares|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2024

Earthquake Detection and AnalysisEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、2024年5月の磁気ストームが低地球軌道（LEO）衛星運用に与えた影響を分析し、TLEデータと経験的大気モデルを用いて、不良なストーム予報が広範囲にわたる予期しない衛星の機動を引き起こしたことを示している。このストームにより熱圏密度が著しく増加し、大気抵抗が増加してスターリンクなどのコンstellationにわたるほぼ同時発生の軌道制御機動を引き起こし、衝突評価の信頼性を損なう一方で、現在の宇宙交通管理システムの脆弱性を浮き彫りにした。一方で、デブリの崩壊が促進され、被動的デブリ低減効果をもたらした。

ABSTRACT

Between May 10-12, 2024, Earth saw its largest geomagnetic storm in over 20 years. Since the last major storm in 2003, the population of satellites in low Earth orbit has surged following the commercialization of space services and the ongoing establishment of proliferated LEO constellations. In this note, we investigate the various impacts of the geomagnetic storm on satellite operations. A forecast performance assessment of the geomagnetic index ap shows that the magnitude and duration of the storm were poorly predicted, even one day in advance. Total mass density enhancements in the thermosphere are identified by tracking satellite drag decay characteristics. A history of two-line element (TLE) data from the entire NORAD catalog in LEO is used to observe large-scale trends. Better understanding how geomagnetic storms impact satellite operations is critical for maintaining satellite safety and ensuring long-term robust sustainability in LEO.

研究の動機と目的

• 2024年5月のストームに先立って、地磁気活動指数（例：ap）の予測精度を評価すること。
• ストーム中における経験的上層大気モデルを用いて、熱圏全質量密度の増加を定量化すること。
• NORADカタログのTLEデータを用いて、LEO衛星およびデブリの全体的な軌道崩壊と機動行動を分析すること。
• ストームが衛星衝突評価および衝突回避システムに与える影響を評価すること。
• 地磁気ストームが運用上の脅威である一方で、被動的デブリ除去メカニズムとしても機能する二重の役割を調査すること。

提案手法

• 1日前の予測精度を評価するため、地磁気指数$ap$の予報性能評価を実施した。
• 上層大気の経験的モデルを適用し、ストーム中の熱圏密度増加をシミュレートして強調した。
• 2024年5月10日から13日までの間、NORADカタログに収録されたすべてのLEOオブジェクトのTLEデータを用いて、衛星高度の変化を追跡した。
• オペレーショナルペイロード、デブリ、ロケットブロックの3つのオブジェクトグループにおける高度変化の分布を分析し、A/m比に注目した。
• 予期しない軌道制御活動を特定することで、大規模な機動が衝突評価パイプラインに与える運用上の影響を評価した。
• 2003年ハローウィンストームなどの歴史的イベントと比較することで、運用のレジリエンスに変化が生じたかを評価した。

Figure 1: Number of payloads launched to Earth orbit per year. The May 2024 geomagnetic storm was the first major storm to occur during a new paradigm in LEO satellite operations dominated by commercial small satellites and proliferated LEO constellations. These storms are more likely throughout 202

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2024年5月の磁気ストームの大きさと持続時間は、特に1日前に予測されていたか。その程度はどの程度か。
• RQ2 ストーム中における熱圏全質量密度はどのように変化したのか。その結果、衛星の抵抗にどのような影響があったか。
• RQ3 LEO衛星運用者がストームにどのように反応したか。特に、予期しない機動の集団的行動はどのようなものか。
• RQ4 ストームは衛星衝突評価および衝突回避システムの信頼性と継続性にどのような影響を与えたか。
• RQ5 ストームはデブリの崩壊をどの程度速めたのか。A/m比はこのプロセスにおいてどのような役割を果たしたか。

主な発見

• $ap$指数の2024年5月ストーム予報は、1日前でさえ著しく不正確であり、大規模な宇宙天気イベントの予測能力が著しく低いことを示している。
• ストーム中、熱圏全質量密度は10倍以上に増加し、衛星の抵抗が顕著に増加した。
• ほぼ半数のアクティブなLEO衛星が、主にスターリンクの自動システムによって、ストームに伴い同時に予期しない軌道制御機動を実施した。
• 大規模な機動が衝突評価パイプラインを混乱させ、ストーム後、運用者が新たな初期状態から再起動を余儀なくされた。これにより運用の複雑さが増した。
• デブリオブジェクトは平均A/m比が高いため、最も速く崩壊し、2024年5月10日から13日までの間に数キロメートルの高度低下を示した。
• このストームは、非運用オブジェクトの崩壊を促進する被動的デブリ除去メカニズムとして機能し、長期的なLEOの持続可能性に貢献した。

Figure 2: Observed solar and geomagnetic indices during the May 2024 storm. F 10.7 is issued daily, while $ap$ is issued every three hours.