空間碎片碰撞預(yù)警國際標準

李大衛(wèi) 陳凱 劉靜（ 中國科學院國家天文臺 北京強度環(huán)境研究所）

空間碎片碰撞預(yù)警國際標準

李大衛(wèi)1陳凱2劉靜1（1 中國科學院國家天文臺 2 北京強度環(huán)境研究所）

目前，空間碎片受到多方面關(guān)注，空間碎片的碰撞預(yù)警與應(yīng)用的研究從科研領(lǐng)域逐漸走向成熟的工程應(yīng)用。伴隨碰撞預(yù)警工作工程化進程，需要加強整個碰撞預(yù)警流程的各個環(huán)節(jié)的規(guī)范性。國際上正積極制定空間碎片碰撞預(yù)警相關(guān)標準，了解這些標準對我國的碰撞預(yù)警標準化工作與國際合作有積極參考意義。本文調(diào)研了國際上兩個主要的空間碎片標準制定組織，介紹了這些組織的職能、組織結(jié)構(gòu)、出版物等。此外，本文對碰撞預(yù)警相關(guān)國際標準進行了全面的解析，包括碰撞預(yù)警的流程、碰撞概率的基本計算等技術(shù)方法、影響規(guī)避決策的要素、交會數(shù)據(jù)信息等內(nèi)容。

1 引言

隨著航天活動廣泛開展，空間環(huán)境保護受到越來越多方面的關(guān)注。2002年空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）發(fā)布了《空間碎片減緩指導方針》。2007年IADC對《空間碎片減緩指南（2002）》進行了補充修訂。2008年，美國通過聯(lián)合國和平利用外太空委員會（COPUOS），發(fā)布了另外一份《空間碎片減緩指導方針》。這兩份指導方針在內(nèi)容保持了一致性，并為空間碎片國際標準奠定了基礎(chǔ)。然而，空間碎片碰撞規(guī)避方面的國際標準則相對欠缺。

航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）于2013年6月發(fā)布了交會數(shù)據(jù)信息（CDM）標準，旨在規(guī)范交會數(shù)據(jù)的內(nèi)容與格式，為數(shù)據(jù)供需雙方傳遞交會信息提供方便。國際標準組織（ISO）下屬的第20技術(shù)委員會（TC20）制定的《空間碎片碰撞規(guī)避》技術(shù)報告，包含了空間碎片碰撞預(yù)警的流程、碰撞概率的基本計算等技術(shù)方法、影響規(guī)避決策的要素等技術(shù)內(nèi)容。

ISO及ISO國際標準制定過程

ISO是國際標準制定與發(fā)布組織，為行業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、實踐等提供先進的規(guī)范，促進行業(yè)高效運作。ISO成立于1947年，現(xiàn)已開發(fā)了超過19500份國際標準，幾乎涵蓋了技術(shù)與商業(yè)領(lǐng)域的各個方面。目前，ISO共有114個正式成員機構(gòu)，45個通訊成員機構(gòu)以及8個訂閱成員機構(gòu)。我國以中國國家標準化管理局的名義參加ISO的工作。

ISO的標準由技術(shù)委員會（TC）的專家負責編寫，每個技術(shù)委員會負責一個相對獨立的方向。目前，ISO有超過250個技術(shù)委員會。其中，第20技術(shù)委員會（TC2O）代表航空航天技術(shù)委員會，其下屬的第14分技術(shù)委員會（SC14）負責航天系統(tǒng)及其應(yīng)用。TC20／SC14包含7個工作組，這些工作組共同負責起草和制定與空間碎片有關(guān)的國際標準。其中空間碎片工作組同時負責空間碎片方面的協(xié)調(diào)工作。我國是第14分技術(shù)委員會的積極成員。

ISO國際標準的制定需要經(jīng)過6個階段：第一階段是提案階段，提出新的工作項目提案；第二階段是準備階段，起草標準工作草案，形成初版委員會草案或公用規(guī)范；第三階段是委員會階段，制定委員會草案，形成國際標準草案或者技術(shù)規(guī)范；第四階段是征詢階段，制定國際標準草案，形成最終的國際標準；第五階段是批準階段，形成國際標準定版文檔；第六階段是發(fā)布階段，形成最終的國際標準。其中第一、二、四、六個階段是必要階段。

航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會介紹

航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）成立于1982年，是由國際上主要航天機構(gòu)組成的論壇，討論航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)與運營中的常見問題。目前，CCSDS有11個成員機構(gòu)，28個觀察員機構(gòu)，以及151個合作機構(gòu)，中國國家航天局是CCSDS的成員機構(gòu)之一。

CCSDS同時也是ISO TC20/SC13分技術(shù)委員會，負責制定空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)相關(guān)標準。CCSDS正式發(fā)布的標準，若被ISO接收，則直接成為委員會投票通過的國際標準草案（DIS）。

CCSDS發(fā)布的標準涉及6個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域又細分成多個工作組：系統(tǒng)工程領(lǐng)域（SEA）、任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)（MOIMS）、橫向支持業(yè)務(wù)（CSS）、星載接口業(yè)務(wù)（SOIS）、空間鏈路業(yè)務(wù)（SLS）、空間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)（SIS）。

國際空間碎片標準概況

ISO于2011年發(fā)布了ISO 24113《空間碎片減緩需求》。ISO 24113是頂層的空間碎片減緩標準，它包含了一系列切實有效的空間碎片減緩措施，并且易于通過商業(yè)合同、國家強制規(guī)范等方式來實現(xiàn)。ISO24113提出的減緩措施主要涉及以下幾個方面：避免航天器在正常工作過程中釋放空間碎片；任務(wù)結(jié)束后將航天器從GEO與LEO區(qū)域清除；避免航天器在軌解體事件；隕落風險評估。ISO還開發(fā)了一系列輔助標準，細化了ISO 24113標準。在ISO 24113及其附屬標準之外，ISO正在開發(fā)有關(guān)空間碎片的碰撞防護方面的一系列標準。

ISO 16158《在軌目標碰撞規(guī)避》技術(shù)報告，介紹了碰撞風險評估及規(guī)避的流程與主要技術(shù)方法。該標準已于2013年底發(fā)布。

CCSDS的《交會數(shù)據(jù)信息（CDM）》標準，介紹了空間碎片預(yù)警單位與衛(wèi)星運營單位之間交會數(shù)據(jù)信息的內(nèi)容標準與格式標準。CCSDS是在ISO 16158內(nèi)容的基礎(chǔ)上建立的。目前該標準是CCSDS正式發(fā)布標準，同時也是ISO國際標準草案，即將進入國際征詢階段。

2 碰撞預(yù)警國際標準

目前公開的ISO/CD 16158技術(shù)報告，介紹了碰撞規(guī)避工作的工作流程、數(shù)據(jù)需求、碰撞預(yù)警以及規(guī)避等方面內(nèi)容。

碰撞預(yù)警的頂層流程

碰撞預(yù)警與規(guī)避計算的工作流程

整個工作流程的輸入為交會分析綜合信息，包括軌道根數(shù)信息、軌道質(zhì)量信息、衛(wèi)星屬性信息等。綜合數(shù)據(jù)由衛(wèi)星運營單位、觀測單位提供或通過互聯(lián)網(wǎng)獲取。其余可選擇的輸入信息還包括：衛(wèi)星的尺寸、質(zhì)量、幾何形狀、和工作狀態(tài)等。碰撞概率計算主要的步驟包括：輸入數(shù)據(jù)、初始篩選、近距離交會篩選、碰撞概率計算與生存概率計算。碰撞預(yù)警與規(guī)避的頂層工作流程圖。

危險交會篩選方法

1）輸入軌道數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)篩選：交會計算的輸入數(shù)據(jù)包括軌道信息與軌道的不確定性信息。在軌道預(yù)報中，隨著預(yù)報期增加，預(yù)報精度下降。不建議使用預(yù)報期超過7天的軌道根數(shù)做交會計算，因此，在交會計算前，需要排除掉預(yù)報期超過7天的軌道根數(shù)。

2）初始篩選：去掉兩顆衛(wèi)星之間重復的交會計算；排除不可能發(fā)生的交會，如兩顆同步衛(wèi)星的經(jīng)度相差180°。

為了進一步排除不會發(fā)生的交會的衛(wèi)星，減少計算總量，還采用以下幾種篩選算法：直接篩選法、環(huán)形篩選法、體篩選。

碰撞風險評估與規(guī)避

初始篩選的結(jié)果不足以給出碰撞風險，下文介紹用于判斷衛(wèi)星是否遭遇高碰撞風險的方法。首先要判斷兩顆衛(wèi)星是否真的足夠接近，即判斷這次交會是否是近距離交會，考慮因素有衛(wèi)星尺寸、碰撞后果、定軌與預(yù)報精度等。

（1）衛(wèi)星的危險區(qū)域

衛(wèi)星的危險區(qū)域指圍繞在衛(wèi)星周圍的區(qū)域。這個區(qū)域的形狀由衛(wèi)星運控方提供，該區(qū)域的形狀與衛(wèi)星的尺寸、碰撞后果、軌道確定和預(yù)報的誤差等因素有關(guān)。危險區(qū)域的形狀通?？梢苑殖蓪ΨQ區(qū)域、非對稱區(qū)域兩類。

（2）碰撞概率計算

碰撞概率是交會的兩顆衛(wèi)星發(fā)生碰撞的概率密度函數(shù)在衛(wèi)星尺寸上的積分。因此，計算碰撞概率的要素包括：交會距離、目標尺寸、協(xié)方差矩陣。

衛(wèi)星軌道誤差包含系統(tǒng)誤差與測量誤差，軌道誤差由3×3協(xié)方差位置矩陣來表征。當相對速度較大時，可以將交會的相對運動近似為直線運動；若交會速率遠小于相對速度，那么交會的路徑為曲線，如地球靜止軌道衛(wèi)星的交會就是這種情況。

計算協(xié)方差橢球到交會平面的投影前，先將協(xié)方差橢球歸算到對稱的球形空間中，再投影到二維平面上，代入碰撞概率計算公式。

（3）最大概率計算

碰撞概率的計算要素包括：衛(wèi)星的外部結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、瞬時軌道、軌道協(xié)方差等。以上信息通常是不完整。此外，統(tǒng)計定軌所采用的模型、樣本量、采樣頻率等可能不完全匹配，使得協(xié)方差矩陣計算不準。上述因素都會影響碰撞概率計算結(jié)果的準確性。為了降低此類影響，在碰撞概率信息不完整時，建議采用最大概率替代碰撞概率。

（4）概率中的危險區(qū)域分析

另外一種解決碰撞概率計算要素不足的方法是分析危險區(qū)域，即詳細地研究危險區(qū)域尺寸與形狀，使危險區(qū)域能夠包含盡可能多的大概率交會事件。選擇大且保守的危險區(qū)域，計算得到的大碰撞概率事件多，虛警率也高。選擇小的危險區(qū)域，虛警低，大碰撞概率事件少。通常情況下，建議采用保守的危險區(qū)域，以免漏警。

1）生存概率計算。碰撞規(guī)避的目標是保證衛(wèi)星在指定時間段內(nèi)安全。衛(wèi)星在指定時間段內(nèi)安全的概率就是生存概率。生存概率可以用來輔助規(guī)避決策，包含：危險交會變化趨勢、累計碰撞概率和貝葉斯估計。

·危險交會變化趨勢。危險交會的變化趨勢是指兩顆衛(wèi)星在指定時間內(nèi)主要交會參數(shù)的變化情況。最近距離降低，碰撞概率增大，是危險交會的特點。但如果在整個交會預(yù)報過程中，只有一次小距離大概率交會結(jié)果，這一次危險交會預(yù)報的可信度相對較低，所預(yù)報的交會很可能不會發(fā)生。

·累計碰撞概率。累計碰撞概率是指一個衛(wèi)星在指定時間段內(nèi)所受到的碰撞威脅總和，用來分析一個衛(wèi)星的生存概率。在一段時間內(nèi)，衛(wèi)星可能受到多次碰撞威脅，即使單次危險交會沒有超過閾值，但累計多次交會很可能超過閾值。

·貝葉斯估計。貝葉斯估計利用條件概率的基本原理，能夠系統(tǒng)地評估多因素事件的概率。碰撞事件也是一個多因素事件，其主要影響因素包括交會距離、指定時間段內(nèi)的最大概率、軌道誤差等，附屬因素包括：衛(wèi)星是否有機動能力、碰撞后果、剩余燃料等。貝葉斯估計碰撞概率模型能夠解釋如下的現(xiàn)象：部分衛(wèi)星經(jīng)常發(fā)生近距離交會，但不會發(fā)生碰撞。貝葉斯估計中，影響因素與發(fā)生碰撞的概率之間的關(guān)系可以通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c統(tǒng)計結(jié)合的方法來確定。盡管貝葉斯估計算法能夠評估出多因素條件下的碰撞風險，但缺點是物理含義不明，不能明確揭示碰撞風險原因，也不能給出風險減緩的指導意見。

2）規(guī)避的影響因素。影響規(guī)避決策的要素還包括：機動能力、航天器特征、軌道數(shù)據(jù)質(zhì)量、碰撞后果評估等。

CDS數(shù)據(jù)要素表

·軌道數(shù)據(jù)質(zhì)量。不同軌道數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量是不同的，即使用相同來源的數(shù)據(jù)，也會因觀測設(shè)備誤差、觀測頻率不同，而造成數(shù)據(jù)質(zhì)量的差異。因此，提供軌道數(shù)據(jù)的同時需要提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量信息。

·碰撞后果評估。碰撞規(guī)避后果評估包括兩個方面，一是評估碰撞發(fā)生以后，空間碎片的增量；二是評估碰撞規(guī)避對空間交通的影響。

·機動能力。盡管機動能力本身不是決定性因素，但交會雙方是否能夠機動是非常關(guān)鍵的信息。機動消耗了推進能量，而這些能量原本用于軌道保持、姿態(tài)調(diào)整、任務(wù)結(jié)束后的棄置等任務(wù)。因此，規(guī)避機動前，需要考慮規(guī)避是否會影響衛(wèi)星的上述任務(wù)。

·航天器特征。航天器的尺寸、幾何形狀、姿態(tài)調(diào)整能力都是要考慮的。大型航天器通常配置大型太陽帆板，這類航天器的橫截面上有很多間隙。計算碰撞概率時，這些間隙的面積也應(yīng)包含到航天器的橫截面積中。

3 國外交會數(shù)據(jù)標準

1）目前已在ISO 16158的基礎(chǔ)上，編寫了交會數(shù)據(jù)推薦標準《交會數(shù)據(jù)信息（CDM）》。該推薦標準的目的是：方便交會事件的操作，確保預(yù)警發(fā)起者與衛(wèi)星所有者/運營者雙方的交會結(jié)果一致；促進碰撞交會自動化計算；提供關(guān)鍵交會信息，確保及時做出交會評估風險以及碰撞規(guī)避決策。

該推薦標準用于規(guī)范與促進衛(wèi)星交會評估的發(fā)起者與接收者之間的交會數(shù)據(jù)交換，適用于衛(wèi)星在任何工作環(huán)境中所遭遇的近距離交會以及碰撞。交會信息包含最近距離、碰撞概率，交會時間、最近相對位置與相對速度等信息。

2）交會數(shù)據(jù)信息內(nèi)容。CCSDS的《交會數(shù)據(jù)信息》標準規(guī)定每個CDM文件包含兩個空間目標的一次交會事件。CDM文件中包含數(shù)據(jù)頭、相對元數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)、注釋信息幾個部分。上述信息又分為必要信息與可選信息。

3）交會數(shù)據(jù)信息格式。交會數(shù)據(jù)信息可以用純本文或者XML編碼，這兩種編碼可以互相轉(zhuǎn)換。XML是可擴展標記語言，具有良好的可擴展性，內(nèi)容與形式的分離，遵循嚴格的語法要求，便于不同系統(tǒng)之間信息的傳輸，使用周期長。

國內(nèi)外碰撞預(yù)警與規(guī)避技術(shù)標準對比

4 與國際碰撞預(yù)警技術(shù)標準與數(shù)據(jù)標準對比

（1）碰撞預(yù)警技術(shù)對比

通過對比可見，在衛(wèi)星危險區(qū)域分析、碰撞規(guī)避與碰撞后果評估方面，我國的碰撞預(yù)警流程仍能做進一步細化完善。

（2）交會數(shù)據(jù)對比

CDM標準與我國目前的碰撞預(yù)警結(jié)果在內(nèi)容上的區(qū)別有四點：

·目標危險區(qū)域表示方法。CDM定義了多種危險區(qū)域的形狀。通常我們將碎片的危險區(qū)域設(shè)為目標的大概尺寸，默認為危險區(qū)域為球形。

·體現(xiàn)多種碰撞概率算法。目前國際上存在多種碰撞概率計算方法，CDM能夠明確體現(xiàn)出不同的碰撞概率計算方法。CCSDS下屬的網(wǎng)站上，注冊了14種碰撞概率計算算法。國內(nèi)通常選用歷史統(tǒng)計誤差來定義誤差橢球，采用單一的碰撞概率計算方法，不在碰撞預(yù)警結(jié)果中特別說明。

·衛(wèi)星屬性信息。CDM中列出的衛(wèi)星屬性信息，如衛(wèi)星是否能夠機動等。衛(wèi)星的機動能力是規(guī)避決策的重要影響因素之一。此類衛(wèi)星屬性信息目前尚未納入到我國的碰撞預(yù)警結(jié)果中。

·定軌參數(shù)與附屬參數(shù)。在交會結(jié)果中明確寫出定軌參數(shù)與附屬參數(shù)，既有助于避免因軌道根數(shù)類型不同而造成的交會結(jié)果不同，還便于在后續(xù)的規(guī)避分析中選擇正確的預(yù)報模型。CDM中的協(xié)方差數(shù)據(jù)，還能夠反映出碰撞預(yù)警結(jié)果的可信度。碰撞預(yù)警報告中通常不包含這一類信息。

5 小結(jié)

為了促進我國碰撞預(yù)警的標準化與國際合作，以下方面的工作需加以完善：

1）碰撞預(yù)警流程的國際標準中包括了碰撞規(guī)避分析，CCSDS提出的數(shù)據(jù)標準中，也列出了輔助規(guī)避決策所需要的數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)的碰撞預(yù)警通常以危險交會報告作為預(yù)警的結(jié)束，碰撞預(yù)警與規(guī)避決策是兩個相對獨立的工作。碰撞預(yù)警與規(guī)避決策分析的主要輸入都包含了軌道根數(shù)等信息，在數(shù)據(jù)與計算方面存在重復，將兩者統(tǒng)一起來，有助于完善碰撞預(yù)警結(jié)果，同時，也助于避免因數(shù)據(jù)不一致造成的分歧和重復計算。

2）加強碰撞后果的分析，如碰撞解體事件發(fā)生后，二次解體、多次解體事件對空間環(huán)境的影響。

3）危險交會信息的方面，國內(nèi)外數(shù)據(jù)主要內(nèi)容基本一致。CDM能夠更好的兼容計算機之間的交互、多種碰撞概率的計算方法。我國的交會報告通常關(guān)注交會計算輸出的結(jié)果，如交會時間、交會距離、碰撞概率等，省略危險交會的輸入數(shù)據(jù)信息。這類輸入數(shù)據(jù)（如軌道根數(shù)、定軌相關(guān)參數(shù)、協(xié)方差、機動能力等）能夠幫助交會信息接收一方掌握交會結(jié)果的可靠性，同時，便于交會信息的接收方做進一步分析。