西安电子科技大学盛敏教授等学者在中国工程院院刊Engineering发表题为“Effects of Space Environment on Satellite Mega-Constellations: From Nodes and Links to Network Performance”（空间环境效应对大规模卫星星座的影响：从节点、链路到网络性能）的研究性文章。该研究系统梳理了太阳辐射、电离辐射、空间碎片等典型空间环境效应对巨型星座节点与星间链路的损伤机制及时空分布规律，在此基础上进一步揭示了这些损伤如何一步步从“单星故障”演变为“全网容量下降”，填补了空间环境物理现象与网络级性能建模之间长期存在的研究空白，为未来大规模卫星星座的可靠设计提供了系统性的理论依据与工程参考。

几千颗卫星上天了，但太空并不“友好”

今天，以Starlink为代表的卫星巨型星座（SMCs）正以前所未有的规模扩张，全球已有约30个由数百至数千颗低轨卫星组成的星座在运行或筹建之中。它们相互连接，织成一张能够实时采集、传输、处理数据的天基网络，承担着填补全球数字鸿沟、支撑低延迟通信的重要使命。

然而，太空绝非一片坦途。卫星在轨运行期间，时刻暴露在来自四面八方的“暗礁”之中——高能粒子轰击、太阳光线直射、漂浮碎片碰撞……这些空间环境效应轻则导致卫星设备性能衰退，重则引发永久性故障，并最终拖累整个星座网络的服务质量。美国国家地球物理数据中心的统计数据显示，1977年至1986年间，40颗美国卫星共记录到1589次在轨异常，其中70%与空间环境效应直接相关；中国航天科技集团的数据同样表明，2000年至2017年间120颗航天器所经历的在轨故障中，空间环境效应贡献了约50%。

问题的关键在于：现有研究大多聚焦于单颗卫星或某一孤立的环境因素，缺乏一套能够将空间环境的时空特性与星座网络级性能有机关联起来的分析框架。一颗卫星“生病”，到底会对整张天网造成多大的影响？这正是本研究试图回答的核心问题。

太空里的三类“隐形杀手”

要理解空间环境对星座的威胁，首先要认识三类最具代表性的“杀手”（如图1所示）。

图1.各类空间环境效应示意图

第一类：电离辐射引发的单粒子事件（SEE）。地球磁层将太阳风中的高能带电粒子引入辐射带，当卫星穿越这些区域时，高能质子和重离子会轰击微电子电路的敏感区域，引发存储器位翻转（即单粒子翻转，SEU），导致数据错误或程序中断。研究团队利用空间环境信息系统（SPENVIS）进行仿真后发现，SEU发生率随轨道高度的增加而显著上升，且在轨道倾角约15°和150°附近出现峰值——这与地球磁场结构和范艾伦带的粒子分布密切相关（如图2所示）。

图2.南大西洋异常区（SAA）分布与SEU节点失效率

第二类：空间碎片的碰撞威胁。截至2024年4月，在轨编目物体已超过2.7万个，其中仅44%为在役有效载荷，其余56%均为废弃火箭体和碎片。碎片与航天器的平均相对撞击速度约为10 km/s，即便是毫米级的微小碎片，在这一速度下产生的冲击波也足以对太阳能板、天线等外部结构造成不可逆损伤（如图3所示）。星座规模越大、在轨时间越长，遭遇碎片碰撞的累积概率就越高——这对正在迅速扩张的巨型星座而言是一个不容忽视的长期风险。

图3.空间碎片空间密度分布及节点失效率

第三类：太阳辐射对激光星间链路的干扰。卫星之间通过激光建立通信链路时，接收端的视场角（FOV）极小，通常不超过1°。一旦阳光的入射角小于卫星激光接收机的太阳规避角，光链路便会中断。仿真结果显示，链路中断最集中发生在晨昏分界线附近，且视场角越大、轨道倾角越高，受影响的链路数量就越多（如图4所示）。

图4.太阳辐射下星间链路中断比例的时空分布

“几条链路中断”，为何能让全网容量腰斩？

个别节点或链路失效，后果究竟有多严重？答案令人警醒。

研究团队针对由60个轨道面、每面60颗卫星组成的星座进行了网络容量仿真。结果显示，当相位因子为0时（即轨道间链路与太阳保持固定角度关系，同时受到干扰的链路最多），太阳辐射导致网络容量下降最为显著，容量下界仅为无干扰状态的64.2%，平均受影响容量也降至73.9%。

SEU效应的影响同样不容小觑。以由72个轨道面、每面22颗卫星组成的Starlink典型构型为例，当轨道高度升至1400 km、倾角为60°时，网络容量相较于低轨条件下降了约35.3%（如图5所示）。

图5.太阳辐射与SEU影响下不同参数的网络容量

这一连锁反应的根源在于路由机制：当少量链路失效后，原本分配给这些链路的流量必须绕行至相邻的星间链路，造成局部拥堵，进而引发全局性的容量下滑——即便失效链路的数量本身并不多。研究还发现，网络容量随轨道高度变化存在一个明显的“阈值点”：在阈值以下，容量基本稳定；一旦超过，便会急剧恶化。这为星座部署高度的选择提供了清晰的量化依据。

从“被动承受”到“主动应对”，还需迈过哪些坎？

面对空间环境的持续威胁，研究团队从通信与组网角度提出了六个颇具前景的未来研究方向。

第一，硬件层面，需要探索抗辐射加固器件的应用，并设计多星热备份机制，一旦某节点失效，可快速切换至备份卫星，确保网络连续性。第二，协议层面，自适应通信协议是关键——通过动态频谱分配规避电磁干扰，并借助先进的纠错编码（如低密度奇偶校验码）提升恶劣环境下的数据传输可靠性。第三，网络层面，多路径路由与链路扰动技术可在环境变化时动态调整网络拓扑，将流量分散至多条路径，避免单路径失效引发雪崩效应。第四，管理层面，引入人工智能进行太阳风暴等环境事件的预测与主动防御，将是提升星座韧性的重要手段。第五，在星座设计阶段就充分考虑空间碎片密度、辐射强度等环境因素，合理规划轨道间距与卫星分布，能从源头上降低环境脆弱性。第六，数据压缩与边缘计算的引入，则可在链路资源受限时通过减少传输量来弥补容量损失。

结果与讨论

本研究讨论的不是孤立的物理现象，而是一个从“空间环境→节点/链路损伤→网络容量下降”的完整因果链条。其核心价值在于：将长期割裂的物理层分析与网络层建模打通，使研究者得以在设计阶段就定量预判不同星座参数在真实空间环境下的性能表现。

研究揭示了若干具有工程价值的规律：SEU发生率随轨道高度增加而上升，在特定倾角处出现峰值；空间碎片碰撞风险随星座规模扩大和在轨时间延长而累积；太阳辐射对星间链路的干扰呈现出清晰的晨昏分界线空间特征；而即便是局部链路失效，也可能通过路由拥塞机制引发超预期的全局性容量下降。

从更宏观的视角看，这项研究代表着一种研究范式的必要转变：从理想化的无损场景走向贴近实际的有损条件，从单星物理模型走向网络级系统分析。随着巨型星座规模持续扩张，轨道资源日趋拥挤，如何在真实空间环境中保障星座的长期稳定运行，将成为下一代天基基础设施建设绕不开的核心命题。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809925004333