超低地球轨道（Very Low Earth Orbit，VLEO）长期被视为商业卫星的禁区。这片位于地表 100 至 400 公里之间的空间，大气密度比传统低轨高出数个数量级，原子氧侵蚀无处不在，航天器在此区域的寿命通常以周而非年计算。Albedo 的首颗卫星 Clarity-1 于 2025 年 3 月 14 日发射，在轨运营九个月后失联，但其任务复盘为 VLEO 卫星工程提供了极具价值的工程参数与闭环验证数据。本文聚焦姿态控制子系统与大气阻力建模两个维度，提炼可落地的设计准则与参数阈值。
阻力系数验证：从地面模型到在轨确认
Clarity-1 在 350 至 380 公里高度进行了多次阻力系数测量，结果比设计目标高出 12%。这一偏差看似不利，实则验证了团队的高保真动力学模型的准确性。根据任务报告披露的细节，阻力系数的确定依赖于三个关键环节的协同：大气密度模型、力模型参数化以及自然轨道衰减数据的长期积累。
团队采用最新的大气密度状态模型，结合高保真轨道动力学力模型，对 Clarity-1 在 350 至 380 公里高度区间的自然衰减数据进行了拟合。反演得到的阻力系数在不同高度上具有可重复性，这一结果直接支撑了寿命预测模型的可信度。模型外推表明，在 275 公里平均高度、跨越完整太阳周期的情况下，卫星可实现五年在轨寿命。这一参数对于 VLEO 任务的任务规划具有直接指导意义：设计初期应将阻力系数的不确定性纳入寿命预算，预留 10% 至 15% 的冗余度。
从工程实现角度看，阻力系数的精确获取依赖于两个前提条件。首先是足够长的观测窗口 ——Clarity-1 的数据积累周期为数周，期间卫星未执行主动变轨操作，确保了衰减信号的纯净性。其次是准确的轨道确定能力。任务报告提到，Clarity-1 的轨道确定精度达到了「dialed」级别，这意味着轨道传播误差对阻力系数反演的影响已被有效控制。对于后续 VLEO 任务，建议在设计阶段即明确轨道确定精度指标，将其与阻力系数反演精度解耦。
原子氧效应的原位验证
原子氧（Atomic Oxygen，AO）是 VLEO 环境的隐性杀手。大气氧分子在太阳紫外线照射下解离为高活性原子氧，与航天器表面材料发生化学反应，导致太阳能电池阵列效率下降、表面材料侵蚀加剧。Clarity-1 的解决方案是开发一类新型太阳能电池阵列，采用特殊防护措施应对 AO 侵蚀。
任务期间，卫星携带的原子氧传感器实测数据显示，随着轨道高度下降至 275 公里，AO 注量呈对数增长。然而，太阳能电池的功率输出在 AO 注量显著增加后保持恒定，定性验证了防护设计的有效性。这一结果为后续 VLEO 任务提供了两点启示：AO 防护材料的选择与设计应在地面试验阶段完成，模拟注量应覆盖任务全周期的累积量；原位监测传感器（如 Clarity-1 所携带的 AO 传感器）是验证防护性能的关键手段，建议纳入有效载荷配置。
CMG 故障背景下的三轴姿态控制
Clarity-1 采用控制力矩陀螺仪（Control Moment Gyroscope，CMG）作为主要姿态执行机构。CMG 通过改变高速转子的框架角度输出力矩，相比传统反作用轮具有力矩大、功耗低、动量容量高的优势，是高敏捷度卫星的常用选择。Clarity-1 初始配置为四个单框架 CMG，构成金字塔型构型，理论上可实现三轴任意力矩输出。
2025 年 4 月 14 日，任务运营的第 31 天，一个 CMG 的飞轮轴承出现温度异常。故障检测与隔离（FDI）逻辑立即触发，陀螺被自动停转。然而，后续恢复尝试未能成功。更糟糕的是，故障模式具有渐进性 —— 第二个月，另一 CMG 开始呈现相同征兆。事后分析表明，CMG 温升限值设定存在偏差，润滑油实际可承受的温度低于规格书标称值，这一 corner case 在地面测试中未被触发。
面对两个 CMG 失效的局面，团队面临两种选择：开发三 CMG 控制算法并承受进一步失效的风险，或利用磁力矩杆实现三轴控制过渡到 VLEO。团队选择了后者。Clarity-1 的磁力矩杆配置功率高于同类卫星，这是考虑到 VLEO 环境中动量管理需求更为严苛而有意为之的设计冗余。GNC 团队在一个月内开发了纯磁力矩杆三轴控制算法，实现了约 15 至 20 度的指向精度，峰值误差可达 45 度。
这一应急方案的工程意义在于验证了磁力矩杆作为备份执行机构的可行性，但也暴露了其局限性。对于 VLEO 下降机动这类需要精确速度矢量控制的场景，大角度指向误差意味着推力矢量偏离设计方向，导致燃烧效率下降、变轨时间延长。团队后续通过飞行软件更新，将推力矢量控制精度恢复至 5 度以内，挽回大部分性能损失。
三元数框架下的奇异点规避转向律
当 Clarity-1 恢复至三 CMG 运行状态时，团队面临一个更具挑战性的控制问题：开发适用于非冗余三 CMG 构型的奇异点规避转向律。传统观点认为，单框架 CMG 系统至少需要四个单元才能在角动量包络内提供无奇异区域。三 CMG 构型必然存在奇异点，控制系统必须在奇异点附近维持可控性。
从航天器姿态控制领域的文献来看，三 CMG 奇异点规避策略主要分为三类。第一类是奇异点逃离（Singularity Escape）方法，通过在奇异点附近引入微小扰动或采用时间最优控制轨迹使系统离开奇异区域。第二类是奇异点规避（Singularity Avoidance）方法，预先规划框架角运动轨迹（null motion），使角动量包络始终避开奇异构型。第三类是奇异点鲁棒（Singularity Robust）方法，在控制律中引入奇异测度的反馈项，降低控制系统对奇异构型的敏感性。
Clarity-1 采用的具体算法细节未在报告中披露，但任务描述提到这是「据我们所知，在非精致卫星上首次尝试并实现在轨上传的三 CMG 控制」。从工程实现角度，三 CMG 系统的控制软件架构应包含以下模块：实时奇异测度计算模块，基于当前框架角和目标力矩计算奇异程度；奇异方向判断模块，识别奇异点的类型（内部奇异或边界奇异）及其对应的危险方向；框架角规划模块，在满足力矩需求的前提下生成规避奇异点的框架角指令序列；以及控制分配模块，将期望力矩映射为各 CMG 的力矩指令。
对于后续任务，建议在地面阶段完成三 CMG 控制算法的离线验证，包括奇异点附近的可控性分析、不同初始条件下的收敛性测试，以及在轨上传后的快速验证流程。考虑到三 CMG 构型的固有脆弱性，冗余设计仍应是首选方案。
变轨推力规划与大气密度扰动响应
VLEO 环境的另一个显著特征是大气密度对太阳活动的敏感性。Clarity-1 在轨期间经历了一次太阳风暴事件，大气密度短暂飙升。然而，任务报告指出，这次扰动对卫星下降速率的影响「几乎可以忽略」。这一结果验证了两方面设计：一是推力规划系统具备足够的响应速度，二是卫星的阻力系数较低使得密度扰动的绝对影响有限。
推力规划系统在 Clarity-1 任务中承担了两项核心功能：一是计算达到目标下降速率所需的推力大小与方向；二是考虑大气密度的时间变化，生成未来若干轨道的推力指令序列。该系统与地面站网络协同工作，支持每日 30 次以上的变轨机动。从工程参数角度看，VLEO 变轨推力规划应纳入以下约束：大气密度模型的更新周期（Clarity-1 采用实时或准实时密度模型）、推力器的最小脉冲宽度（影响变轨精度）、以及卫星的姿态可控范围（决定了推力矢量的可指向范围）。
热管理与在轨软件迭代能力
Clarity-1 采用了创新的热管理系统，但具体技术细节未在报告中展开。值得强调的是，任务期间团队成功推送了 14 次飞行软件功能更新，涵盖 GNC 算法、模式切换逻辑、故障恢复流程等多个方面。「从第一天起，Clarity-1 的设计就围绕在轨软件升级能力展开」，这一设计理念对于长周期运营任务尤为重要。
在轨软件升级能力的工程实现涉及多个层面：引导程序的双备份设计确保软件更新失败时可回退至安全版本；内存分区管理将关键功能与更新功能隔离；增量更新机制减少上注数据量，降低传输错误概率。Clarity-1 的经验表明，具备快速软件迭代能力的卫星在面对在轨问题时具有更强的适应性，这一能力应在任务设计初期就被纳入考量。
工程参数速查清单
综合 Clarity-1 任务复盘，以下参数可供 VLEO 卫星设计参考。阻力系数方面，设计裕度建议预留 10% 至 15%，275 公里高度、完整太阳周期下的寿命预测应基于经过在轨验证的模型。原子氧防护方面，太阳能电池阵列的 AO 防护设计需通过地面模拟注量验证，注量水平应覆盖任务全周期累积量。姿态控制方面，三 CMG 构型需具备奇异点规避能力，磁力矩杆应作为备份执行机构且功率需冗余配置，推力矢量控制精度在 VLEO 下降机动中应达到 5 度以内。轨道确定方面，VLEO 任务应明确轨道确定精度指标，确保阻力系数反演不受传播误差主导。
Clarity-1 任务虽然最终失联，但其在 VLEO 环境中的九个月运营验证了商业卫星在该轨道 regime 长期生存的可行性。阻力系数、原子氧效应、CMG 故障应对等关键问题的闭环数据，为后续任务提供了可量化的设计基准。VLEO 作为下一代对地观测与通信卫星的潜在轨道，其工程可行性已由 Clarity-1 迈出了实质性的一步。
资料来源：Albedo 官方任务复盘报告《Clarity-1: What Worked, and Where We Go Next》，https://albedo.com/post/clarity-1-what-worked-and-where-we-go-next