空間碎片與空間交通管理

江海,劉靜

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京100012;2.國(guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心,北京100012)

1 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步,航天技術(shù)在越來(lái)越多的方面引領(lǐng)著科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、社會(huì)生活的發(fā)展,太空作為人類新的活動(dòng)疆域,太空資源成為同陸地、海洋、水和空氣一樣重要的戰(zhàn)略資源。

當(dāng)前的空間狀況不容樂觀,目前外空環(huán)境發(fā)展表現(xiàn)為:小衛(wèi)星和大型星座迅速發(fā)展,空間物體數(shù)量持續(xù)增加;典型軌道區(qū)域衛(wèi)星密集,軌道和頻率資源緊張;空間碰撞事件頻繁發(fā)生,空間交通亟需進(jìn)行管理。

截至2019年初,估計(jì)地球附近由人造物體形成的空間碎片規(guī)模已超過(guò)7000噸,其中能被美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)編目的空間物體數(shù)目超過(guò)2.3萬(wàn)個(gè),對(duì)外公開編目的空間碎片數(shù)量超過(guò)1.8萬(wàn)個(gè),據(jù)模型估計(jì)能對(duì)在軌運(yùn)行的航天器造成致命破壞的、尺寸介于1～10cm的空間碎片超過(guò)70萬(wàn)個(gè)。

2 空間交通現(xiàn)狀

2.1 小衛(wèi)星和大型星座迅速發(fā)展

隨著科技的不斷進(jìn)步,進(jìn)入太空的門檻不斷降低,衛(wèi)星應(yīng)用在民用和商用領(lǐng)域不斷拓展,微納衛(wèi)星數(shù)量急劇增多,從圖1中可以看出2014年微納衛(wèi)星的數(shù)量首次超過(guò)了其它任何一類衛(wèi)星,并且最近幾年一直保持著高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

2014年 《俄羅斯2030軍事技術(shù)裝備發(fā)展戰(zhàn)略》提出,其面臨的主要軍事威脅之一是 “主要國(guó)家加緊發(fā)展包括以各種 (作戰(zhàn)、偵察、電子壓制)小型衛(wèi)星和微納衛(wèi)星為基礎(chǔ)的航天技術(shù)”。美國(guó)航天基金會(huì)在2014年6月發(fā)布的 《2014年航天報(bào)告》中指出,未來(lái)幾年小衛(wèi)星將占據(jù)更多的市場(chǎng)份額。

圖1 2010年以來(lái)小衛(wèi)星發(fā)射統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of small satellite launches since 2010

未來(lái)各種大型星座計(jì)劃將廣泛開展,表1統(tǒng)計(jì)了目前公布的大型衛(wèi)星星座計(jì)劃。根據(jù)對(duì)照歷史數(shù)據(jù)并參照衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃,分析了未來(lái)幾年小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的預(yù)估,估計(jì)未來(lái)10年發(fā)射的小衛(wèi)星的總數(shù)將超過(guò)1萬(wàn)顆,這些發(fā)射到空間的小衛(wèi)星星座將會(huì)對(duì)空間的在軌空間物體造成極大的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

表1 衛(wèi)星星座發(fā)射計(jì)劃Tab.1 Satellite constellation launch plan

2.2 空間軌道和頻率資源緊張

空間碎片的分布并不均勻,主要集中在高度在2000km以下的低軌區(qū)域和高度在36000km附近的地球同步軌道區(qū)域。目前GEO軌道區(qū)域衛(wèi)星密集,截至2019年3月底,在軌工作的GEO衛(wèi)星約為554顆,C頻段已近飽和,Ku頻段也很擁擠,衛(wèi)星登記數(shù)量還在逐年遞增。在大部分在軌航天器工作的低軌區(qū)域,空間碎片分布更為密集,是空間突發(fā)事件的密集區(qū)域。

2.3 空間碰撞事件頻繁發(fā)生

自人類進(jìn)入太空以來(lái),共發(fā)生了200多次在軌解體事件。近年來(lái)空間碰撞事件發(fā)生更加頻繁。2007年歐洲的地球同步氣象衛(wèi)星Meteosat-8被未編目的碎片擊中,導(dǎo)致軌道改變。同年,失效的美國(guó)高層大氣研究衛(wèi)星UARS被未編目的碎片擊中,產(chǎn)生了許多新碎片。2009年俄羅斯廢棄的軍用電子通信衛(wèi)星宇宙-2251與美國(guó)銥星-33相撞,產(chǎn)生大量的空間碎片。2013年,厄瓜多爾立方體衛(wèi)星飛馬座與1985年發(fā)射的蘇聯(lián)火箭S14燃料箱殘骸碎片相撞,導(dǎo)致衛(wèi)星壽命終結(jié)。這些頻繁發(fā)生的空間碰撞解體事件產(chǎn)生了成千上萬(wàn)的空間碎片,其中最為嚴(yán)重的是2009年的美俄碰撞事件,目前已編目2269個(gè)這次碰撞解體事件產(chǎn)生的碎片,這些碎片大幅提升了低地球軌道區(qū)域的空間密度,尤其是對(duì)800km以下的低軌道區(qū)域影響更為明顯,這些碎片每年都將會(huì)與在軌航天器之間產(chǎn)生成千上萬(wàn)次的近距離交會(huì)。

解體事件產(chǎn)生的碎片還會(huì)繼續(xù)在軌道中運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。一些主要的航天機(jī)構(gòu)都建立了碎片演化模型對(duì)空間碎片未來(lái)的分布情況進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明即使在不再發(fā)射的前提下,未來(lái)空間碎片還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。圖2給出用NASA的LEGEND模型仿真的未來(lái)不再發(fā)射、未來(lái)繼續(xù)發(fā)射不進(jìn)行任務(wù)后處理和未來(lái)繼續(xù)發(fā)射并進(jìn)行90%的任務(wù)后處理的三種不同條件下的結(jié)果。結(jié)果表明即使未來(lái)沒有任何新的發(fā)射,不斷增長(zhǎng)的空間碎片將導(dǎo)致到2050年左右LEO區(qū)域?qū)l(fā)生8～9次碰撞,其中一半是類似于2009年銥星-宇宙碰撞一樣的災(zāi)難性碰撞。

圖2 利用NASA的LEGEND模型預(yù)測(cè)未來(lái)LEO區(qū)域的碰撞Fig.2 Prediction of collision in future LEO region by LEGEND model of NASA

3 空間碎片相關(guān)國(guó)際規(guī)則

從國(guó)際外空規(guī)則制定來(lái)看,目前多個(gè)組織積極推動(dòng)國(guó)際規(guī)則立法,部分涉及到空間交通管理相關(guān)內(nèi)容,與空間交通管理有著密切關(guān)系的國(guó)際法規(guī)主要有:聯(lián)合國(guó) 《空間碎片減緩指南》,包含空間碎片減緩的技術(shù)規(guī)則與規(guī)范; 《外層空間活動(dòng)中的透明度和建立信任措施》,主要包含一些基本原則和方針; 《外空活動(dòng)長(zhǎng)期可持續(xù)性準(zhǔn)則》討論一些空間交通管理的實(shí)施相關(guān)內(nèi)容。目前國(guó)際上對(duì)空間碎片規(guī)則正在逐步深入制定,下面將分別介紹。

3.1 聯(lián)合國(guó) 《空間碎片減緩指南》

機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì) (IADC)將空間碎片減緩定義為 “通過(guò)與給定空間飛行任務(wù)的設(shè)計(jì)、制造、操作和處置階段有關(guān)的措施減少空間碎片產(chǎn)生的整體努力?！彼槠瑴p緩開始于地面和在航天器發(fā)射到軌道之前,這解釋了空間交通管理的概念理想地應(yīng)該在廣義上解釋,包括任務(wù)設(shè)計(jì)和發(fā)展以及發(fā)射、操作和處置階段。

聯(lián)合國(guó) 《空間碎片減緩指南》匯總了修訂后的2002年形成的IADC《空間碎片減緩準(zhǔn)則》關(guān)于空間碎片緩減各種技術(shù)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)的基本要求,于2007年經(jīng)由聯(lián)合國(guó)外空委員會(huì)提交并通過(guò)聯(lián)合國(guó)大會(huì)決議。

除了航天器設(shè)計(jì)和鈍化要求外,減少碎片的關(guān)鍵是從某些軌道,即所謂的 “受保護(hù)的軌道區(qū)域”,移除任務(wù)結(jié)束后的衛(wèi)星。對(duì)于低地球軌道區(qū)域 (低于2000km的高度),IADC建議在25年內(nèi)移除航天器,因此首選的解決方案是直接控制再入,其次是地面?zhèn)鲲L(fēng)險(xiǎn)小于10-4不受控再入,最后是再回到2000km上方。對(duì)于GEO區(qū)域,建議非常相似,將任務(wù)后衛(wèi)星機(jī)動(dòng)到地球同步軌道高度保護(hù)區(qū)的±200km之外,相應(yīng)的機(jī)動(dòng)要求較低,需要11 m/s的δ-V(對(duì)應(yīng)于300km,超過(guò)IADC但符合國(guó)際電信聯(lián)盟的規(guī)定),這相對(duì)于用于GEO軌道維持需要的燃料是相當(dāng)少的。

3.2 《外空透明度和建立信任措施》

聯(lián)合國(guó)是 《外空透明度與建立信任措施》(TCBM)進(jìn)程的主要推動(dòng)者。聯(lián)大決議中強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)外空活動(dòng)透明度的必要性,肯定了建立信任措施的重要性。2010年,根據(jù)聯(lián)大決議的要求,聯(lián)合國(guó)秘書長(zhǎng)設(shè)立了政府專家組,對(duì) “外空透明與建立信任措施”進(jìn)行研究,并于2013年向第68屆聯(lián)大提交了最終報(bào)告,美、俄、中等主要空間國(guó)家均支持并積極參與該進(jìn)程。聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)確定了能夠提高空間操作安全和利于空間活動(dòng)的長(zhǎng)期可持續(xù)性的建議。

報(bào)告中指出,首先要提高外層空間活動(dòng)的透明度,特別關(guān)注與空間交通管理相關(guān)的活動(dòng),應(yīng)注意下面有關(guān)降低風(fēng)險(xiǎn)的通知,其中包括:

(1)外層空間自然災(zāi)害預(yù)測(cè)信息的交換;

(2)可能會(huì)對(duì)其他空間物體的飛行安全造成威脅的飛行機(jī)動(dòng)的通知;

(3)通知和監(jiān)控不受控制高風(fēng)險(xiǎn)再入事件;

(4)與自然的和人為的威脅空間物體飛行安全的相關(guān)緊急情況通知;

(5)故意軌道解體通知。

相關(guān)條約包含某些具有強(qiáng)制性本質(zhì)的透明度和建立信任措施,但外層空間活動(dòng)措施是不具法律約束力的措施,應(yīng)補(bǔ)充現(xiàn)有關(guān)于外空活動(dòng)的法律框架。聯(lián)合國(guó)大會(huì)將決定如何進(jìn)一步推進(jìn)TCBM,并為其提供包括參照和平利用外層空間委員會(huì)、裁軍審議委員會(huì)和裁軍談判會(huì)議審議的上述建議的一般考慮和支持的建議。此外,該組織建議成員國(guó)采取措施,盡可能落實(shí)由和平利用外層空間委員會(huì)和聯(lián)合國(guó)大會(huì)一致同意的基礎(chǔ)上簽署的原則和指導(dǎo)方針。

3.3 外空活動(dòng)長(zhǎng)期可持續(xù)性準(zhǔn)則

外空活動(dòng)長(zhǎng)期可持續(xù)性議題 (LTS)是在法國(guó)的推動(dòng)下,于2010年2月正式列入聯(lián)合國(guó)外空委科技小組委員會(huì)議程,并設(shè)立了外層空間活動(dòng)的長(zhǎng)期可持續(xù)性工作組。該工作組的目標(biāo)是確定與空間活動(dòng)長(zhǎng)期可持續(xù)性相關(guān)的領(lǐng)域,并提出可以提高空間可持續(xù)利用的措施。這些措施建立在自愿的基礎(chǔ)上,不具約束力。為了準(zhǔn)備其建議,設(shè)立了四個(gè)專家組分別審議以下議題:(1)可持續(xù)空間利用支持地球上的可持續(xù)發(fā)展;(2)空間碎片、空間操作和支持協(xié)同空間態(tài)勢(shì)感知的工具;(3)空間天氣;(4)在空間領(lǐng)域的行動(dòng)者的監(jiān)管制度和指導(dǎo)方針。

2013年11月發(fā)布的第一份報(bào)告草案中提出了一套分別包含指導(dǎo)方針、解決政策、監(jiān)管機(jī)制、國(guó)際合作和管理問題等33條組成的一系列措施。該政策方針包括,對(duì)空間活動(dòng)開展的信息和專業(yè)知識(shí)更容易交流采取措施,還有通過(guò)政府和非政府機(jī)構(gòu)的研究和開發(fā),以促進(jìn)長(zhǎng)期可持續(xù)的空間活動(dòng)。在監(jiān)管機(jī)制方面,指導(dǎo)方針本質(zhì)上要求通過(guò)采納監(jiān)管框架和促進(jìn)預(yù)定的自愿措施來(lái)增強(qiáng)空間活動(dòng)安全和可持續(xù)性。

在國(guó)際合作框架下,該指導(dǎo)方針提倡增強(qiáng)技術(shù)合作,包括遵從不擴(kuò)散的規(guī)范和原則的技術(shù)轉(zhuǎn)移,以及給予發(fā)展中國(guó)家必要的技術(shù)支持以進(jìn)行能力建設(shè)。空間天氣信息、相關(guān)的數(shù)據(jù)交換和接入以及建模也是國(guó)際合作的重要組成部分。最后兩個(gè)準(zhǔn)則要求開展空間活動(dòng)合適的管理實(shí)體,確保其有更新的手段、相應(yīng)的設(shè)備和組織文化以遵守政府和政府間框架。

目前LTS工作組已經(jīng)結(jié)束,工作組的各國(guó)成員現(xiàn)已就其準(zhǔn)則前言和21條準(zhǔn)則達(dá)成一致意見,可作為各國(guó)開展相關(guān)工作的基礎(chǔ),后續(xù)工作還在持續(xù)推進(jìn)中。

4 空間交通管理發(fā)展現(xiàn)狀

空間交通管理是指一整套技術(shù)和條例規(guī)定,用以提升在進(jìn)入外層空間、在外層空間運(yùn)行以及從外層空間返回地球時(shí)的安全性,免遭物質(zhì)的或電磁波的干擾。

空間交通管理與空間態(tài)勢(shì)感知密不可分,空間態(tài)勢(shì)感知是開展空間交通管理、制定空間交通規(guī)則的基礎(chǔ),而空間交通管理則是空間態(tài)勢(shì)感知的成果體現(xiàn),最終的目標(biāo)都是為了維護(hù)外空和平、安全和可持續(xù)發(fā)展。

圖3 空間交通管理與空間態(tài)勢(shì)感知關(guān)系Fig.3 Correlation between space traffic management and space situation awarenesss

4.1 美國(guó)的發(fā)展歷程

2004年,美國(guó)國(guó)防部、NASA和美國(guó)聯(lián)邦航空管理局聯(lián)合設(shè)計(jì)并發(fā)布了航天器運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)理念,詳細(xì)介紹了一個(gè)如何能為了處理我們今天看到的擁擠的和競(jìng)爭(zhēng)的空間的目的,而把不同的機(jī)構(gòu)放到一起的空間和空中交通管理系統(tǒng) (SATMS)。

2010年,美國(guó)的空間交通管理行政部門分散在不同組織的獨(dú)立部門,各種條約和政策也松散地為目前的空間提供保護(hù)。除了空間操作有巨大的技術(shù)障礙外,美國(guó)的所有者/運(yùn)營(yíng)者必須了解圖4中每一個(gè)負(fù)責(zé)組織的要求和含義。隨后發(fā)布美國(guó)國(guó)家空間政策,行政部門組織召開會(huì)議研究美國(guó)STM能力深入需要和可能的設(shè)計(jì)。

圖4 美國(guó)空間交通管理概念發(fā)展中涉及的組織Fig.4 The organizations involved in the concept development of American space traffic management

2017年,特朗普政府時(shí)隔24年重啟航天委員會(huì),并制定了全面的空間交通管理政策。新政策考慮到商業(yè)航天的快速發(fā)展,確定由商務(wù)部負(fù)責(zé)空間交通管理事務(wù),指出商務(wù)部將根據(jù)國(guó)防部的空間目標(biāo)編目,為公眾和私人實(shí)體提供基本的空間態(tài)勢(shì)感知服務(wù),使得軍方能夠?qū)Ｗ⒂诒Ｗo(hù)和捍衛(wèi)美國(guó)太空資產(chǎn)安全。新政策還將鼓勵(lì)商業(yè)航天企業(yè)與政府合作,制定數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)、技術(shù)指南和安全標(biāo)準(zhǔn),以便在國(guó)內(nèi)實(shí)施并在國(guó)際上得到推廣,從而有助于減少碎片,避免航天器在發(fā)射期間和在軌道上發(fā)生碰撞。這項(xiàng)政策正在逐步完善。

4.2 其他國(guó)家的情況

近年來(lái),歐盟也開始推進(jìn)空間交通管理相關(guān)工作。2008年,歐盟制定的 《歐洲外空活動(dòng)行為準(zhǔn)則》逐步演變?yōu)?《國(guó)際外空活動(dòng)行為準(zhǔn)則》。經(jīng)過(guò)幾次修改,目前的最新版本為2014年3月的版本,該準(zhǔn)則分為目的、范圍和主要原則;外空活動(dòng)的安全、保障和可持續(xù)發(fā)展;合作機(jī)制;組織方面四大部分,共分為10個(gè)小節(jié)111條詳細(xì)的準(zhǔn)則。其中有專門的章節(jié)介紹空間交通管理的相關(guān)條款。盡管美國(guó)已同意歐盟推薦的概述的原則,但是它們的實(shí)現(xiàn)方法可能會(huì)妨礙美國(guó)國(guó)家安全的措施,雖然歐盟進(jìn)行了多年的努力,但取得的進(jìn)展非常少。其他國(guó)家和商業(yè)實(shí)體在發(fā)展STM能力中也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,但都沒有能夠進(jìn)入一個(gè)成熟的規(guī)劃階段。

5 我國(guó)應(yīng)對(duì)的建議

目前國(guó)際上的空間交通管理研究還處在起步階段,但已經(jīng)成為國(guó)際熱點(diǎn)。我國(guó)開展空間交通管理實(shí)施時(shí),首先需要加強(qiáng)國(guó)家監(jiān)管,要求工業(yè)部門嚴(yán)格遵守碎片管理辦法的要求,減少碎片產(chǎn)生;其次要積極推進(jìn)空間碎片監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提升空間態(tài)勢(shì)感知能力,并加強(qiáng)法律問題研究,積極參與外空國(guó)際規(guī)則制定;還應(yīng)依托碎片中心等實(shí)體機(jī)構(gòu),開展空間交通管理服務(wù)系統(tǒng)建設(shè),并在聯(lián)合監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)交換、避碰協(xié)調(diào)等方面開展實(shí)質(zhì)性國(guó)際合作,深入開展空間交通管理框架體系和關(guān)鍵技術(shù)研究,支持空間交通管理相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定,推動(dòng)我國(guó)空間交通管理能力不斷發(fā)展壯大。