Увы, на этот вопрос нет однозначного ответа. В орфографии, вопреки общему представлению о безальтернативности написаний, подобное изредка встречается.

Рекомендация писать в городе — спутнике Владивостока прошел фестиваль основана на правиле: «Вместо дефиса должен употребляться знак тире в сочетаниях с неоднословными приложениями: творчество поэтов — современников Пушкина; статьи о Горьком — общественном деятеле, о Маршаке — переводчике Шекспира; печальная судьба дома — памятника архитектуры; обратиться к директору — художественному руководителю; среди стран — участников переговоров. Ср. поэты-современники, Горький-писатель, Маршак-переводчик, дом-памятник, директор-распорядитель».

Однако возможность дефисного написания не исключается, покольку город-спутник — вполне словарное слово, в отличие от, например, поэт-переводчик. Поэтому можно сказать, что выбор варианта здесь зависит от интерпретации. С одной стороны, это и правда составной термин и разбивать его на части как-то нелогично; с другой стороны, Волгограда или, например, Владивостока — это все-таки зависимые слова именно ко второй части спутник, а ведь главное, определяемое слово здесь город (город Владивостока — невозможно, спутник Владивостока — пожалуйста). Стремление подчеркнуть эту зависимость заставляет разбивать это выражение на части, а его устойчивость, терминологичность запрещает его разбивать. Поэтому и возникает эта орфографическая коллизия. Конечно, такие тонкие различия в стандартных правилах никак не отражены.