空間交通管理研究現(xiàn)狀與分析

胡敏 范麗 任子軒

1.裝備學(xué)院航天指揮系 北京101416 2.清華大學(xué)航天航空學(xué)院北京100084

隨著空間物體數(shù)量的不斷增長,空間環(huán)境日趨復(fù)雜,研究空間交通管理問題以規(guī)范空間活動變得越來越重要[1].至今人類的空間活動已有58年歷史,據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)(Space Surveillance Network,SSN)觀測(截至2015年1月),地球附近空間物體的規(guī)模已接近7000t[2].人類航天發(fā)射活動產(chǎn)生的空間碎片持續(xù)威脅著航天器和空間站的安全,航天大國都意識到空間碎片問題的嚴(yán)重性,并提出了一系列減緩空間碎片的計(jì)劃.由憂思科學(xué)家聯(lián)盟公布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫顯示,截止到2015年1月31日,在軌運(yùn)行的航天器共1265個(gè),其中運(yùn)行在近地軌道的航天器為669個(gè),運(yùn)行在中地球軌道的航天器為94個(gè),運(yùn)行在地球靜止軌道的航天器為465個(gè)[3].如何通過制定合理的管理規(guī)則,保障在軌運(yùn)行航天器的安全,避免空間交通事故的發(fā)生,一直是人們關(guān)注的核心.

本文從兩大方面對空間交通管理研究的現(xiàn)狀進(jìn)行述評.一方面綜述了空間碎片相關(guān)模型研究現(xiàn)狀,包括空間碎片演化模型、空間碎片壽命計(jì)算模型以及空間碎片碰撞危險(xiǎn)評估模型,在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對“凱斯勒現(xiàn)象”(Kessler Syndrome)這一理論假設(shè)的提出和研究進(jìn)展進(jìn)行了分析.另一方面綜述了空間交通管理方法研究現(xiàn)狀,主要針對碰撞規(guī)避問題、太陽同步軌道管理問題、地球靜止軌道管理問題以及載人飛行軌道管理問題進(jìn)行綜述.

1 空間碎片相關(guān)模型

研究航天器解體或碰撞后空間碎片的生成、演化分布規(guī)律、碎片的軌道壽命,以及它們與現(xiàn)有航天器的碰撞概率,并最終建立空間碎片環(huán)境模型,有助于人們了解航天器解體或碰撞事件對空間環(huán)境的影響;評估不同軌道航天器的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu),同時(shí)也是制定空間碎片減緩措施的重要依據(jù).

1.1 空間碎片演化模型

空間碎片演化模型是一種長期演化模型,這里的“長期”是相對于短期工程模型而言的,演化模型更側(cè)重于從機(jī)理上描述空間碎片環(huán)境,主要用于預(yù)測未來整個(gè)空間碎片環(huán)境的長期演化行為.空間碎片演化模型建模時(shí),要根據(jù)已探測到的數(shù)據(jù)建立當(dāng)前空間碎片環(huán)境數(shù)據(jù)庫,再結(jié)合碎片的自增長與自消亡兩方面因素的影響,引入一系列輔助因子,例如發(fā)射活動模型、軌道衰減模型、爆炸事件模型等,預(yù)測未來特定時(shí)間內(nèi)的空間碎片環(huán)境[4].常用的空間碎片演化模型有:EVOLVE模型、LEGEND模型以及CHAIN/CHAINEE模型等.

EVOLVE4.0模型由NASA開發(fā),采用蒙特卡洛隨機(jī)模擬的方法,由發(fā)射、解體、固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒熔渣及反應(yīng)堆冷卻劑泄露、太陽活動4個(gè)子模塊組成,這4個(gè)子模塊也就相當(dāng)于4個(gè)特征量,可以預(yù)測軌道根數(shù)、碎片通量的變化情況,以及太空物體之間的碰撞概率,目前應(yīng)用廣泛[4].

LEGEND模型也通過蒙特卡洛仿真的方法對同步軌道以下200～50000km范圍內(nèi)的所有空間目標(biāo)進(jìn)行演化計(jì)算,包括未來的發(fā)射事件、大氣阻力、太陽輻射等數(shù)值計(jì)算模型,同時(shí)也考慮歷史發(fā)射模型,可以給出與時(shí)間、高度、經(jīng)度及緯度相關(guān)的碎片分布,如碎片尺寸、密度、速度等分布[6].

CHAIN/CHAINEE模型采用Particles-In-a-Box模型,將空間碎片環(huán)境簡化為一系列在不同質(zhì)量域和軌道高度域內(nèi)的隨機(jī)變量,為時(shí)間較長的演化行為分析提出了新的方法.因?yàn)镋VOLVE等模型對于計(jì)算機(jī)內(nèi)存消耗很大,一般不適宜進(jìn)行包含連續(xù)碰撞的空間碎片演化行為分析,由于經(jīng)過簡化處理,CHAIN模型計(jì)算速度比EVOLVE模型快103～104倍,但可信度低一些,主要用于分析空間碎片環(huán)境長期演化及連鎖碰撞問題[7].

此外,目前國際上比較常用的空間碎片工程模型有NASA的ORDEM模型和ESA的MASTER模型.文獻(xiàn)[8]比較了最新的ORDEM 3.0模型和MASTER 2009模型的特點(diǎn).

1.2 空間碎片壽命計(jì)算模型

空間碎片壽命估計(jì)主要是針對近地軌道區(qū)域內(nèi)的碎片,其消亡主要因素是攝動力,攝動力影響主要包括地球非球形攝動、大氣阻力、太陽光壓以及日月引力等.現(xiàn)有的空間碎片壽命計(jì)算方法主要有數(shù)值法、半解析法和解析法[9].數(shù)值法精度高,但是計(jì)算時(shí)間長.半解析法利用平均軌道根數(shù)作為狀態(tài)變量,計(jì)算速度有了很大提高.空間碎片壽命計(jì)算模型的關(guān)鍵在于大氣模型的選取,由于大氣密度受時(shí)間、空間等多個(gè)因素的影響,建立精確的大氣模型往往很難.目前相關(guān)研究主要集中在衛(wèi)星墜入大氣層方面,文獻(xiàn)[10]針對衛(wèi)星墜入大氣層問題進(jìn)行了仿真,分析認(rèn)為影響預(yù)測精度的因素的變化范圍為15%～20%.事實(shí)上,使得近地軌道航天器消亡的最節(jié)省燃料的行為,就是將其機(jī)動到25年內(nèi)注定會消亡的軌道,這種軌道的高度一般在600km以下.在這個(gè)高度區(qū)域內(nèi)的空間碎片將在25年之內(nèi)消亡.

1.3 空間碎片碰撞危險(xiǎn)評估模型

空間碎片碰撞危險(xiǎn)評估模型主要基于空間物體碰撞概率模型,碰撞概率模型有多種建模方式.文獻(xiàn)[5]提出了一種基于幾何距離接近事件的確定方法.這種碰撞檢測是通過連續(xù)的高度篩選、軌道幾何篩選和相位篩選.一般來說,高度篩選會篩選出與目標(biāo)軌道近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的高度相交的空間目標(biāo),在這個(gè)過程中需要考慮高度的衰減和短周期變化.篩選出的目標(biāo)再經(jīng)過軌道幾何篩選,確定危險(xiǎn)目標(biāo)和關(guān)注目標(biāo)的軌道面交線,計(jì)算最近距離,與安全距離進(jìn)行對比.最后應(yīng)用軌道相位篩選,分析預(yù)報(bào)時(shí)間內(nèi)兩目標(biāo)的過交線時(shí)間窗口是否有交疊.另外還有學(xué)者基于空間密度越大碰撞概率越大的觀點(diǎn),對空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使用統(tǒng)一采樣的方式,統(tǒng)計(jì)采樣時(shí)刻每個(gè)空間網(wǎng)格內(nèi)的碎片數(shù),如果同一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的碎片數(shù)目大于或等于2個(gè),那么認(rèn)為這些碎片兩兩之間具有一定的概率發(fā)生碰撞.

1.4 凱斯勒現(xiàn)象

在空間碎片日益稠密的今天,越來越多的人在關(guān)注空間碎片密度是否存在一個(gè)極限值,大于這個(gè)極限值,人類的太空探索活動將變得舉步維艱.可以直觀地想象,這個(gè)極限值是存在的,達(dá)到這個(gè)密度值之后,將會產(chǎn)生一系列的正反饋現(xiàn)象,導(dǎo)致產(chǎn)生碰撞級聯(lián)效應(yīng),使密度無法阻擋地增長下去,從而使太空變得無法利用.NASA專家Donald J.Kessler首先對這種碎片的碰撞級聯(lián)效應(yīng)進(jìn)行了研究,因此,這種現(xiàn)象也就以他的名字命名為“凱斯勒現(xiàn)象”(Kessler Syndrome)[12].Kessler首先提出了一個(gè)惡性循環(huán)的可能性,當(dāng)某一軌道高度的碎片密度達(dá)到臨界值時(shí),這一軌道變得尤為擁堵,加劇了碎片之間碰撞的可能性,碎片之間的碰撞產(chǎn)生更多新碎片,新碎片能夠繼續(xù)碰撞使得空間更加擁堵[10],這種惡性循環(huán)可以用圖1表示.

圖1 凱斯勒現(xiàn)象示意圖

根據(jù)之前空間碎片演化模型來看,碎片有多種消亡的方式,有人認(rèn)為,如果在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生衛(wèi)星碰撞等使碎片數(shù)目劇增的行為,碎片會始終控制在一個(gè)穩(wěn)定的、可控的范圍,Kessler的估計(jì)過于悲觀.然而事實(shí)上,Liou和Johnson利用LEGEND模型,在假設(shè)2005年以后停止發(fā)射活動的條件下,對未來200年后的空間目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行了演化分析,從預(yù)測結(jié)果來看,Kessler并沒有過于悲觀,相反,他可能過于樂觀了[13].他們認(rèn)為在接下來的200年內(nèi),即使從2006年起不發(fā)生新的衛(wèi)星碰撞事件,就近地軌道空間而言,盡管爆炸產(chǎn)生的碎片和與任務(wù)相關(guān)的碎片數(shù)目會降低,但是碰撞產(chǎn)生的碎片數(shù)目會升高,總碎片數(shù)目也會增加,空間碎片數(shù)目估計(jì)如圖2所示[14].

Liou和Johnson同時(shí)也指出,盡管很多學(xué)者基于不同的假設(shè)和模型開展了很多分析,但是最終都得到了相同的結(jié)論,即近地軌道空間內(nèi)的碎片數(shù)目將會不可阻擋地增長,并且,這種不安全的態(tài)勢將持續(xù)相當(dāng)長一段時(shí)間[15].更有資料證實(shí),這種碰撞的級聯(lián)效應(yīng)已經(jīng)成為了現(xiàn)階段尺寸小于1mm碎片數(shù)目達(dá)到百萬量級的最重要原因[16].為了更好地描述這種不可控的增長,Kessler在1991年提出了臨界密度的概念[17].

2 空間交通管理方法

研究空間交通管理規(guī)則和相關(guān)法規(guī)問題,例如航天器運(yùn)行管理規(guī)則、航天器入軌和離軌管理規(guī)則等,可以實(shí)現(xiàn)航天器的安全運(yùn)行和空間資源的高效利用[18].目前對空間交通管理問題研究比較系統(tǒng)的是國際空間大學(xué)于2007年發(fā)布的研究報(bào)告[19].

2.1 碰撞規(guī)避問題

防止衛(wèi)星碰撞有兩個(gè)步驟:一是碰撞危險(xiǎn)評估,二是碰撞規(guī)避機(jī)動.碰撞危險(xiǎn)評估就是對在軌運(yùn)行的空間飛行器發(fā)生碰撞的預(yù)判.碰撞規(guī)避機(jī)動是通過對空間飛行器的在軌機(jī)動來避免相互碰撞.碰撞危險(xiǎn)評估一般分為多個(gè)級別,針對低級別的預(yù)警,需要對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的評估,逐步提高精度;而對于中等級別的預(yù)警,需要確定規(guī)避策略;對于高級別的預(yù)警,則需要執(zhí)行規(guī)避策略.文獻(xiàn)[19]提出了衛(wèi)星碰撞規(guī)避的4條規(guī)則,提出由空間交通管理系統(tǒng)計(jì)算出碰撞概率、碰撞速度以及解體碎片對其他飛行器的影響概率,當(dāng)碰撞概率超過1/10000時(shí),向運(yùn)營商提供碰撞規(guī)避機(jī)動的建議;當(dāng)碰撞概率小于1/3000時(shí),運(yùn)營商可以選擇是否進(jìn)行碰撞規(guī)避、何時(shí)進(jìn)行碰撞規(guī)避以及怎樣進(jìn)行碰撞規(guī)避;當(dāng)碰撞概率大于1/3000時(shí),并且碎片很有可能會危及到其他航天器,那么運(yùn)營商需要執(zhí)行合適的規(guī)避行動.

2.2 太陽同步軌道管理問題

有研究顯示近地軌道上空間目標(biāo)主要集中在800km、950km 高度的軌道層,而且軌道傾角為98.7?到99?的軌道上的航天器數(shù)目是最多的.在近地空間航天器中,運(yùn)行在太陽同步軌道上的航天器占44%[20].這是因?yàn)樘柾杰壍赖奶匦允沟眯l(wèi)星每次飛越某地上空時(shí),太陽都從同一角度照射地球,有較固定的光照條件,成為成像偵察、氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星爭奪的寶貴資源.太陽同步軌道管理問題有其自身的難點(diǎn),太陽同步軌道和地球靜止軌道不同,地球靜止軌道的資源是唯一的,是高度大約36000km的赤道上空的一條軌道,而太陽同步軌道是一系列軌道,其高度是有區(qū)別的,軌道傾角也是有區(qū)別的,軌道高度和軌道傾角是耦合的,這樣考慮問題就很復(fù)雜.文獻(xiàn)[18]提出了太陽同步軌道管理的1條規(guī)則,以不同的升交點(diǎn)赤經(jīng)為準(zhǔn),分別定義42條軌道帶;同時(shí)從500km高度到1000km高度之間定義12條太陽同步軌道,每條軌道至少相距20km;每條軌道上相距50km定義一個(gè)軌位,則大概能定義1000個(gè)軌位.所有的太陽同步軌道衛(wèi)星都放置在這些軌位上,大約504000個(gè)軌位.

2.3 地球靜止軌道管理問題

在地球靜止軌道上,機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)提議設(shè)置上下40km為機(jī)動區(qū),其中40km～+40km為浮動帶,用來進(jìn)行軌道維持的,其東西方向的預(yù)警區(qū)為0.1?,南北方向?yàn)椤?7km,這樣可以保證東西、南北方向的距離足夠衛(wèi)星用來抵抗攝動力影響.靜止軌道上下區(qū)域41km至200km 是留給衛(wèi)星進(jìn)行變換位置機(jī)動用的,使得衛(wèi)星能夠每天至少向西漂移0.524?,向東漂移0.525?[18].

圖2 近地軌道空間碎片數(shù)目估計(jì)示意圖

圖3 地球靜止軌道衛(wèi)星機(jī)動區(qū)域示意圖

另外,設(shè)置靜止軌道向外235km的地方為墳?zāi)管壍?讓衛(wèi)星在留有一些燃料的時(shí)候機(jī)動至墳?zāi)管壍?讓出靜止軌道寶貴的空間資源.文獻(xiàn)[18]提出了地球靜止軌道管理的4條規(guī)則,包括地球靜止軌道衛(wèi)星的運(yùn)營商必須定期向空間交通管理系統(tǒng)提供衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)來支撐系統(tǒng)的碰撞規(guī)避分析任務(wù),而且有權(quán)把自己的衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)信息,通過空間交通管理系統(tǒng)分享給該衛(wèi)星附近的其他衛(wèi)星運(yùn)營商,用以共同優(yōu)化衛(wèi)星在軌維護(hù)機(jī)動計(jì)劃.地球靜止軌道衛(wèi)星應(yīng)該提前48h向空間交通管理系統(tǒng)提供衛(wèi)星的最初軌道位置、在軌維護(hù)機(jī)動和變換位置機(jī)動的信息.

2.4 載人飛行軌道管理問題

現(xiàn)階段,國際普遍規(guī)定500km以下的圓形軌道保留給載人航天器使用,民間的、商業(yè)性的非載人航天器除特殊情況,不能使用該區(qū)域的軌道.在這一區(qū)域,主要的碰撞的威脅來自于碎片,在高度約為300km～400km的國際空間站內(nèi),就不止一次地發(fā)生有碎片碰撞的預(yù)警之后,宇航員全部進(jìn)入逃生艙躲避的情況,因?yàn)橐坏┌l(fā)生撞擊事故,宇航員需要通過逃生艙脫離空間站.文獻(xiàn)[18]提出了載人飛行軌道管理的2條規(guī)則,任何載人航天器發(fā)射飛行之前,運(yùn)營商要提前48h向空間交通管理系統(tǒng)提交的飛行詳情,內(nèi)容包括:運(yùn)載器類型、載人數(shù)量、發(fā)射的日期、時(shí)間和軌位、發(fā)射軌道和運(yùn)行軌道、在發(fā)射段飛行時(shí)間和在軌運(yùn)行時(shí)間、返回的日期、時(shí)間和位置等.

3 結(jié)論

針對日益增多的空間碎片和日益復(fù)雜的空間交通現(xiàn)狀,開展空間交通管理問題研究刻不容緩.一種可行的技術(shù)途徑就是構(gòu)建人工空間系統(tǒng),除了能夠開展航天器、空間碎片的計(jì)算試驗(yàn),還將通過與實(shí)際空間系統(tǒng)的平行映射、平行發(fā)展,構(gòu)成一個(gè)相互影響、相互促進(jìn)的平行系統(tǒng),為空間系統(tǒng)的安全運(yùn)行和管理提供計(jì)算試驗(yàn)環(huán)境.通過大量的計(jì)算試驗(yàn),優(yōu)化制定出合理的空間交通管理規(guī)則,從而指導(dǎo)實(shí)際空間系統(tǒng)的交通管理.涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括基于Agent的人工空間系統(tǒng)建模方法、計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)融合和處理方法以及空間交通管理輔助決策方法等.

本文綜述了空間碎片相關(guān)模型和空間交通管理方法的研究現(xiàn)狀,并提出了利用平行系統(tǒng)方法來解決空間交通管理問題的思路.空間交通平行系統(tǒng)的建立,將為空間系統(tǒng)的運(yùn)行與管理提供更豐富的評估手段、內(nèi)容和方法,將起到拓展空間系統(tǒng)能力,提高空間系統(tǒng)控制與決策科學(xué)性的作用,為空間交通管理準(zhǔn)則的制定提供支撐.