[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究分析了2024年5月地磁风暴对近地轨道（LEO）卫星运行的影响，利用TLE数据和经验大气模型表明，由于风暴预测不佳，导致广泛且非计划的卫星机动。风暴引致热层密度显著增强，增加了阻力，引发星链等星座中近乎同时的轨道保持机动，干扰了接近评估，并凸显了当前空间交通管理系统中的脆弱性，同时加速了碎片衰减，带来了被动碎片清除的益处。

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.

研究动机与目标

• 评估在2024年5月风暴发生前，地磁活动指数（如ap）的预测准确性。
• 利用经验大气模型量化风暴期间热层总质量密度的增强程度。
• 利用美国航空航天局（NORAD）目录中的两行根元素（TLE）数据，分析近地轨道卫星和碎片的整体轨道衰减及机动行为。
• 评估风暴对卫星接近评估与碰撞规避系统的影响。
• 研究地磁风暴在作为操作风险源与被动碎片清除机制方面的双重作用。

提出的方法

• 利用地磁指数 $ap$ 的预测性能评估，评估提前一天的预测准确性。
• 应用高层大气的经验模型，模拟并突出风暴期间热层密度的增强。
• 利用2024年5月10日至13日期间美国航空航天局（NORAD）目录中全部近地轨道物体的两行根元素（TLE）数据，追踪卫星高度的变化。
• 分析三类物体组的海拔变化分布：运行中的有效载荷、碎片和上面级，重点关注A/m比值。
• 通过识别非计划的轨道保持活动，评估大规模机动对接近评估流程的运行影响。
• 将风暴期间的机动行为与历史事件（如2003年万圣节风暴）进行比较，以评估运行韧性的变化。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 2024年5月地磁风暴的强度和持续时间在风暴发生前，尤其是提前一天，预测得如何？
• RQ2 风暴期间热层总质量密度发生了怎样的变化？其对卫星阻力产生了何种影响？
• RQ3 近地轨道卫星运营商对风暴的整体响应如何，特别是非计划机动的频率？
• RQ4 风暴如何影响卫星接近评估与碰撞规避系统的可靠性与连续性？
• RQ5 风暴在多大程度上加速了空间碎片的衰减？A/m比值在此过程中起到了什么作用？

主要发现

• $ap$ 指数对2024年5月风暴的预测极不准确，即使提前一天也如此，表明对重大空间天气事件的预测能力较差。
• 风暴期间热层总质量密度增加了超过一个数量级，显著增强了卫星阻力。
• 近一半的近地轨道活跃卫星同时执行了非计划的轨道保持机动，主要由于星链等自动化系统。
• 大规模机动干扰了接近评估流程，迫使运营商在风暴后从新的初始状态重新开始，增加了运行复杂性。
• 由于平均A/m比值较高，碎片物体衰减最快，部分碎片在2024年5月10日至13日期间损失了数公里的轨道高度。
• 风暴起到了被动碎片清除机制的作用，加速了非运行物体的衰减，有助于长期近地轨道可持续性。

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.