StarLink 星座對(duì)空間安全態(tài)勢(shì)的影響

田 鑫，崔 文，張 煒，王麗潔，羅 朗

（西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043）

0 引言

微小衛(wèi)星具有體積小、重量輕、成本低、靈活性高和研制周期短等優(yōu)點(diǎn)［1］，通過(guò)微小衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，并大幅度降低大衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)行所承擔(dān)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，微小衛(wèi)星星座受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，越來(lái)越多的航天任務(wù)采用衛(wèi)星組網(wǎng)的方式來(lái)完成。同時(shí)，為了滿足全球不斷增長(zhǎng)的衛(wèi)星寬帶接入需求，全球多家企業(yè)開(kāi)始打造低軌寬帶衛(wèi)星星座計(jì)劃，在已公布的低軌衛(wèi)星通信方案中，新增加衛(wèi)星的總數(shù)量達(dá)到2 萬(wàn)多顆。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016 年2 月24 日，地面能觀測(cè)到面積達(dá)到或超過(guò)亞平方分米的空間目標(biāo)總數(shù)為17 552 個(gè)，其中，形態(tài)基本完整且可能在用的航天器不超過(guò)2 000 個(gè)，其余均為空間碎片［2］。新增加的星座衛(wèi)星將使低軌空間目標(biāo)密度大幅度增加，低軌空間變得越來(lái)越擁堵，空間目標(biāo)的區(qū)域密集化會(huì)增大航天器通過(guò)該區(qū)域時(shí)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。1981 年，蘇聯(lián)衛(wèi)星“宇宙1275”與一片空間碎片相撞而被摧毀；1991 年，俄羅斯“COSMOS 1934”與一片空間碎片相撞；2009 年，美國(guó)“銥星33”通信衛(wèi)星與俄羅斯“宇宙2251”在太空相撞，兩顆衛(wèi)星都粉身碎骨，產(chǎn)生大量的碎片。因?yàn)樗槠c航天器、航天器與航天器相撞會(huì)產(chǎn)生更多的碎片，每次撞擊事件不僅直接摧毀了航天器，其產(chǎn)生的大量碎片滯留太空，進(jìn)一步惡化了太空環(huán)境，從而提高了太空“交通事故”的發(fā)生概率。數(shù)量龐大的星座衛(wèi)星涌入低地球軌道空間，必然會(huì)對(duì)太空安全產(chǎn)生影響。本文構(gòu)建了StarLink 星座布局，利用碰撞概率計(jì)算方法，分別對(duì)StarLink 計(jì)劃部署后對(duì)其他在軌航天器產(chǎn)生的碰撞風(fēng)險(xiǎn)以及StarLink 星座在當(dāng)前太空環(huán)境下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。

根據(jù)《外層空間條約》，太空是人類共有的資源，各國(guó)都有和平探索和利用太空資源的權(quán)力，為了從太空公地中獲得最大利益，一些國(guó)家與企業(yè)不顧太空的承受能力而最大限度地向太空中投放衛(wèi)星。資料顯示，當(dāng)前一些大型星座正在籌劃部署與逐步實(shí)施，例如SpaceX 公司的StarLink 星座、Leo-Sat 公司的LeoSat 的和“一網(wǎng)”公司的OneWeb 星座等均計(jì)劃部署在低軌空間區(qū)域，低軌空間衛(wèi)星數(shù)量的劇增必將使各類空間目標(biāo)發(fā)生碰撞的可能性大大增加。數(shù)萬(wàn)顆衛(wèi)星一旦部署，不僅將增加鄰近軌道航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)給其他航天器的入軌與離軌帶來(lái)安全隱患。通過(guò)分析StarLink 星座部署后對(duì)太空安全帶來(lái)的影響，思考了StarLink 等大型星座衛(wèi)星部署后可能帶來(lái)的安全隱患，并提出了應(yīng)對(duì)太空交通擁堵和預(yù)防航天器碰撞的建議，從而保證航天器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和太空的可持續(xù)利用。

1 低軌空間目標(biāo)和StarLink星座的分布

空間目標(biāo)包括航天器、火箭箭體和空間碎片3類［3］。運(yùn)行在低于2 000 km高度軌道上的目標(biāo)稱為低軌空間目標(biāo)，低軌空間是人們開(kāi)展空間應(yīng)用活動(dòng)的主要區(qū)域。根據(jù)美國(guó)北美防空司令部2019年7月1日公布的空間目標(biāo)編目目錄，低軌空間目標(biāo)已達(dá)14 089個(gè)，不同軌道高度與傾角下的各類空間目標(biāo)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)信息分別見(jiàn)表1和表2，現(xiàn)有低軌空間目標(biāo)主要分布在高度400～1 600 km、傾角40°～100°的軌道上。

表1 低軌空間目標(biāo)不同軌道高度分布統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Low orbit spatial target distributions at different orbit altitudes

表2 低軌空間目標(biāo)在不同傾角分布統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Low orbit spatial target distributions at different inclination angles

StarLink 計(jì)劃是SpaceX 公司推出的全球高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，旨在通過(guò)太空在全球范圍內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。SpaceX 公司計(jì)劃通過(guò)發(fā)射兩批衛(wèi)星（第1 批4 425 顆衛(wèi)星、第2 批7 518 顆衛(wèi)星）構(gòu)成龐大的衛(wèi)星星座，從而將互聯(lián)網(wǎng)覆蓋到全球每一個(gè)角落。2018 年3 月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)SpaceX公司發(fā)射4 425顆衛(wèi)星，2018 年11 月15 日又批準(zhǔn)第2 批共7 518 顆衛(wèi)星的發(fā)射計(jì)劃，StarLink 星座規(guī)劃的衛(wèi)星數(shù)達(dá)到了驚人的11 943 顆。

為了減少如此數(shù)量龐大的衛(wèi)星對(duì)近地空間造成的影響，SpaceX 公 司2018 年12月對(duì)StarLink 計(jì) 劃做出修訂，修訂后軌道設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表3。第1 批發(fā)射計(jì)劃分為兩個(gè)階段執(zhí)行，修訂主要是針對(duì)第1 階段，該階段發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)由1 600 顆減少至1 584 顆，軌道高度由1 150 km 降至550 km，分布在傾角為53°的24 個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面66 顆衛(wèi)星，部署后的軌道構(gòu)型如圖1 所示。StarLink 星座第2 批7 518 顆衛(wèi)星分布在330～350 km 軌道范圍，其星座軌道設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表4。

圖1 StarLink 星座構(gòu)型圖Fig.1 Diagram of the Starlink constellation configuration

表3 StarLink 第一批軌道設(shè)計(jì)Tab.3 Orbit design of the first StarLink constellation

表4 StarLink 第二批軌道設(shè)計(jì)Tab.4 Orbit design of the second StarLink constellation

2019 年5 月16 日美國(guó)SpaceX 公司使用獵鷹9 號(hào)運(yùn)載火箭，在卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射的60 顆StarLink 測(cè)試星現(xiàn)分布在550 km、傾角53°的軌道上，可以推斷StarLink 星座計(jì)劃的第1 批已經(jīng)付諸實(shí)施，第1 階段、第2 階段部署完成后低軌衛(wèi)星將增至現(xiàn)有數(shù)量的1.5 倍和2.2 倍。由于第1 批StarLink 星座衛(wèi)星恰分布于低軌空間目標(biāo)密集的區(qū)域，部署完成后勢(shì)必會(huì)給低軌空間的“交通安全”帶來(lái)新的影響。

2 碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析

空間目標(biāo)碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析中常用的方法有最小距離法和碰撞概率法，相對(duì)于最小距離法，碰撞概率法虛警概率更低。基于碰撞概率的軌跡安全分析方法，采用碰撞概率作為碰撞危險(xiǎn)程度的描述指標(biāo)，碰撞概率定義為兩個(gè)位置預(yù)報(bào)有誤差的空間目標(biāo)發(fā)生碰撞的概率。碰撞概率的計(jì)算需要用到兩個(gè)空間目標(biāo)在相遇時(shí)刻的位置、速度和位置協(xié)方差矩陣信息。

碰撞概率Pc就是兩目標(biāo)中心的距離小于等效半徑之和的概率，可以表示為

式中：r=R1+R2為等效半徑之和；ρ為兩目標(biāo)中心的距離，

式中：r1和r2分別為兩目標(biāo)的實(shí)際位置矢量，可以表示為兩目標(biāo)的分布中心矢量加上隨機(jī)誤差矢量，即

式中：r1o、r2o為分布中心矢量；e1、e2為隨機(jī)誤差矢量。

經(jīng)論證［4］，兩目標(biāo)距離達(dá)到最小時(shí)，它們的相對(duì)位置矢量ρ(tcpa)和相對(duì)速度矢量vr互相垂直。也就是說(shuō)，當(dāng)兩目標(biāo)間的距離最近時(shí)，它們處在與相對(duì)速度矢量vr垂直的平面內(nèi)，定義這個(gè)平面為相遇平面（Encounter Plane）［5］。這樣就可以把兩物體的位置不確定性投影到相遇平面上，從而將三維問(wèn)題化為二維問(wèn)題。

定義相遇坐標(biāo)系o-xeyeze，如圖2 所示。原點(diǎn)在目標(biāo)2 的分布中心o2，ye軸指向相對(duì)速度方向vr、xe軸和ze軸在相遇平面內(nèi)，xe軸指向目標(biāo)1 的分布中心在相遇平面內(nèi)的投影點(diǎn)，ze軸在相遇平面內(nèi)與xe軸垂直。

圖2 位置誤差在坐標(biāo)系中的投影Fig.2 Projection of the position error in the coordinate system

兩個(gè)三維隨機(jī)矢量投影到了相遇平面上，兩目標(biāo)在相遇平面內(nèi)的位置矢量X1和X2服從二維正態(tài)分布，分布中心分別為(0，0)和(ρcpa，0)，協(xié)方差矩陣分別為Var(X1)和Var(X2)。由于兩物體的位置隨機(jī)矢量相互獨(dú)立，故目標(biāo)1 對(duì)目標(biāo)2 的相對(duì)位置矢量X=X1?X2也是二維正態(tài)隨機(jī)矢量，均值為

方差矩陣為

辛伐他汀片的主要成分為辛伐他汀，可與CYP3A4相互作用，影響其正常代謝，但不會(huì)抑制CYP3A4的生物活性，因此，該藥不會(huì)影響通過(guò)CYP3A4代謝的其他藥物的血漿濃度。辛伐他汀作用于機(jī)體后，可降低升高的總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、載脂蛋白B和甘油三酯，且可升高高密度脂蛋白膽固醇，從而降低低密度脂蛋白膽固醇/高密度脂蛋白膽固醇和總膽固醇/高密度脂蛋白膽固醇的比率。單獨(dú)用藥，有可能會(huì)引起肌病，而影響到患者的治療效果。

由X1和X2相互獨(dú)立得Cov(X1，X2)=0，則

這樣，就可以把相對(duì)位置矢量X表示在相遇平面上。

兩目標(biāo)發(fā)生碰撞的概率就是它們之間距離小于它們等效半徑之和的概率，即相對(duì)位置矢量落入以r=R1+R2為半徑的圓域的概率。這樣，可以把兩目標(biāo)的大小聯(lián)合到目標(biāo)2 上形成聯(lián)合球體，把兩目標(biāo)的位置不確定橢圓聯(lián)合到目標(biāo)1 上形成聯(lián)合不確定橢圓［6］。

二維正態(tài)分布概率密度函數(shù)（Probability Density Function，PDF）為

碰撞概率可表示為PDF 在圓域內(nèi)的積分：

這樣，就把計(jì)算概率的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求概率密度函數(shù)在圓域內(nèi)的積分問(wèn)題，該二重積分在計(jì)算機(jī)上可以用數(shù)值積分求解。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，最大碰撞概率的計(jì)算十分重要，因?yàn)橐话闱闆r下航天器和空間目標(biāo)的實(shí)際位置誤差協(xié)方差矩陣都是未知的，或者是只知道他們的誤差橢球的形狀而不知具體的參數(shù)大小，這時(shí)就需要確定最壞情況下的碰撞概率大小。最大碰撞概率可用于空間目標(biāo)的預(yù)篩選，當(dāng)最大碰撞概率小于某個(gè)設(shè)定的門(mén)限值時(shí)認(rèn)為該空間目標(biāo)不會(huì)對(duì)航天器造成威脅［7］。2009 年2 月10 日的美、俄衛(wèi)星相撞事件中，采用國(guó)外公布的軌道數(shù)據(jù)計(jì)算的最大碰撞概率為6.45×10?5［8］，似乎這是一個(gè)非常小概率的事件，但由于雷達(dá)測(cè)量誤差、預(yù)報(bào)誤差等因素的影響，該值在太空碰撞預(yù)警中已經(jīng)是高風(fēng)險(xiǎn)事件了。

3 StarLink 星座影響分析

StarLink 星座衛(wèi)星第1 批第1 階段的平均軌道高度為550 km，美國(guó)SpaceX 公 司于2019 年5 月16 日發(fā)射了60 顆測(cè)試星，截至7 月1 日，其中的52 顆已按計(jì)劃爬升到預(yù)定軌道，近、遠(yuǎn)地點(diǎn)分布如圖3 所示。其中的3 顆在發(fā)射時(shí)失聯(lián)，這3 顆衛(wèi)星將繼續(xù)繞地球運(yùn)行一段時(shí)間，最終墜入大氣層，其中的2 顆正常衛(wèi)星將被用來(lái)開(kāi)展離軌測(cè)試，剩余3 顆仍在爬升當(dāng)中。大部分衛(wèi)星運(yùn)行在近地點(diǎn)535～550 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)540～560 km、傾角53°的軌道上，少數(shù)衛(wèi)星的近地點(diǎn)處于520～530 km 的高度，遠(yuǎn)地點(diǎn)處于560～570 km的高度?；诖耍梢源笾抡J(rèn)為第1 階段的其余的StarLink 星座衛(wèi)星與測(cè)試星在同一空域飛行，在仿真中參考公布的試驗(yàn)星的TLE 數(shù)據(jù)，依據(jù)公布的軌道部署計(jì)劃設(shè)計(jì)生成其余衛(wèi)星的TLE。將第1 階段StarLink 星座衛(wèi)星的空間分為3 個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析：區(qū)域1 為520～530 km 的高度，少數(shù)星座衛(wèi)星的近地點(diǎn)位于該區(qū)域；區(qū)域2 為530～560 km 的高度，是星座衛(wèi)星主要的運(yùn)行空間；區(qū)域3 為560～570 km 的高度，少數(shù)星座衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)位于該區(qū)域，由于第1 階段已經(jīng)開(kāi)始部署，將作為重點(diǎn)的研究。

圖3 第1 批StarLink 第1 階段衛(wèi)星近、遠(yuǎn)地點(diǎn)分布圖Fig.3 Perigee and apogee distributions of the first StarLink satellites in the first phase

首先，針對(duì)性地選擇以上3 個(gè)區(qū)域的5 顆衛(wèi)星，見(jiàn)表5，進(jìn)行碰撞預(yù)警計(jì)算來(lái)研究第1 批第1 階段的StarLink 星座衛(wèi)星對(duì)520～570 km 高度范圍的衛(wèi)星帶來(lái)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。利用美國(guó)北美防空聯(lián)合司令部開(kāi)發(fā)的SGP4/SDP4軌道預(yù)報(bào)模型［9-10］和2019年1月1日—2019年7月1日半年時(shí)間內(nèi)的TLE 數(shù)據(jù)，分別計(jì)算5 顆衛(wèi)星在星座部署前后與所有低軌目標(biāo)在180 d 內(nèi)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。分別選取3 個(gè)最大碰撞概率門(mén)限：1×10?4（極度危險(xiǎn)）、1×10?5（很危險(xiǎn)）、1×10?6（危險(xiǎn)）對(duì)接近事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表5 選取衛(wèi)星的基本情況Tab.5 Basic information of satellite selection

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于分別位于區(qū)域1 和區(qū)域3的衛(wèi)星17 191 和40 420，如圖4 和圖5 所示。

圖4 180 d 內(nèi)17 191 衛(wèi)星最大碰撞概率的次數(shù)Fig.4 Times of the maximum collision probability of 17 191 satellites within 180 d

圖5 180 d 內(nèi)40 420 衛(wèi)星最大碰撞概率的次數(shù)Fig.5 Times of the maximum collision probability of 40 420 satellites within 180 d

星座部署前后這2 顆衛(wèi)星與其他空間目標(biāo)的最大碰撞概率進(jìn)入門(mén)限的次數(shù)幾乎沒(méi)有差異，這是由于位于區(qū)域1 和區(qū)域3 的StarLink 星座衛(wèi)星數(shù)目很少，對(duì)其他衛(wèi)星產(chǎn)生的影響非常小。然而對(duì)于位于區(qū)域2 的衛(wèi)星42 758、26 702 和14 699，分別如圖6、圖7 和圖8 所示，星座部署前位于該區(qū)域的3 顆衛(wèi)星與其他空間目標(biāo)的最大碰撞概率進(jìn)入1×10?4門(mén)限的次數(shù)非常少，半年分別為0 次、3 次和3 次，星座部署后，進(jìn)入1×10?4門(mén)限的次數(shù)分別增加到11 次、20 次和11 次，可見(jiàn)星座部署后使區(qū)域2 其他衛(wèi)星進(jìn)入極度危險(xiǎn)的狀況增加了數(shù)倍；對(duì)最大碰撞概率門(mén)限1×10?5，星座部署前，3 顆衛(wèi)星進(jìn)入的次數(shù)分別為16 次、22 次和40 次，部署后增 加至89 次、236 次和164 次，可見(jiàn)星座部署后使其他衛(wèi)星進(jìn)入很危險(xiǎn)的狀況大幅度增加，平均幾乎1 顆衛(wèi)星一兩天就會(huì)處于1 次高危險(xiǎn)碰撞的情況；對(duì)于最大碰撞概率門(mén)限1×10?6，星座部署前，3 顆衛(wèi)星每半年進(jìn)入門(mén)限的次數(shù)在兩三百次，平均每天1～3 次，星座部署后，每半年進(jìn)入門(mén)限的次數(shù)達(dá)到了一兩千次，平均每天有十幾次之多，這意味著平均而言位于該區(qū)域的衛(wèi)星幾乎每一圈都會(huì)面臨碰撞的威脅。

圖6 180 d 內(nèi)42 758 衛(wèi)星最大碰撞概率的次數(shù)Fig.6 Times of the maximum collision probability of 42 758 satellites within 180 d

圖7 180 d 內(nèi)26 702 衛(wèi)星最大碰撞概率的次數(shù)Fig.7 Times of the maximum collision probability of 26 702 satellites within 180 d

圖8 180 d 內(nèi)14 699 衛(wèi)星最大碰撞概率的次數(shù)Fig.8 Times of the maximum collision probability of 14 699 satellites within 180 d

其次，從碰撞風(fēng)險(xiǎn)角度研究StarLink 星座衛(wèi)星第1 批第1 階段部署后對(duì)整個(gè)550 km 附近軌道空間帶來(lái)的影響?？臻g目標(biāo)的選擇上盡可能考慮這個(gè)空間帶內(nèi)所有的空間目標(biāo)，由于觀測(cè)能力的限制，非常小的空間碎片不考慮在內(nèi)，以美國(guó)公布的TLE數(shù)據(jù)在該軌道帶的所有空間目標(biāo)為目標(biāo)集進(jìn)行7 d的碰撞風(fēng)險(xiǎn)性分析。仿真情況如圖9 所示。

圖9 在軌衛(wèi)星（550 km 高度帶）最大碰撞概率的次數(shù)Fig.9 Times of the maximum collision probabilities of onorbit satellites at the altitude of 550 km

星座部署前，7 d 內(nèi)最大碰撞概率進(jìn)入1×10?4門(mén)限的事件有90 次，星座部署后進(jìn)入1×10?4門(mén)限的事件增至250 次。可見(jiàn)星座部署后該區(qū)域極度危險(xiǎn)的事件發(fā)生的次數(shù)幾乎增長(zhǎng)了近3 倍，碰撞事件一旦發(fā)生，產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重威脅未來(lái)幾年這個(gè)軌道帶所有航天器的安全，同時(shí)也給進(jìn)入更高軌道的航天器帶來(lái)了威脅，3 倍的增長(zhǎng)量必須敲響警鐘。對(duì)1×10?5門(mén)限和1×10?6門(mén)限，星座部署前，7 d 內(nèi)最大碰撞概率進(jìn)入門(mén)限分別350 次和2 669 次；部署后，7 d 內(nèi)最大碰撞概率進(jìn)入門(mén)限分別1 918 和16 512 次?？梢?jiàn)隨著門(mén)限量級(jí)的縮小，進(jìn)入門(mén)限內(nèi)的次數(shù)呈現(xiàn)量級(jí)反比的增長(zhǎng)，星座部署后其進(jìn)入門(mén)限的次數(shù)比部署前幾乎增長(zhǎng)一個(gè)量級(jí)。

按照計(jì)劃，StarLink 星座衛(wèi)星第1 批第2 階段將部署于1 100～1 325 km 軌道高度空間，選擇美國(guó)公布的TLE 數(shù)據(jù)在軌道高度1 000～1 500 km 的所有空間目標(biāo)研究星座部署后對(duì)這個(gè)范圍軌道空間7 d內(nèi)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。如圖10 所示，第2 階段星座部署后對(duì)相應(yīng)軌道空間產(chǎn)生的影響沒(méi)有第1 階段產(chǎn)生的影響明顯，這是由于第2 階段選擇的軌道高度和傾角的附近空間目標(biāo)較少。但仍能發(fā)現(xiàn)，在相同的門(mén)限下，部署后進(jìn)入門(mén)限的次數(shù)比部署前高出一個(gè)量級(jí)；隨著門(mén)限量級(jí)的減小，進(jìn)入門(mén)限的次數(shù)呈量級(jí)反比的增長(zhǎng)。

圖10 在軌衛(wèi)星（1 100 km 高度帶）最大碰撞概率的次數(shù)Fig.10 Times of the maximum collision probabilities of onorbit satellites at the altitude of 1 100 km

第2 批StarLink 星座衛(wèi)星按計(jì)劃將部署于高度340 km 附近軌道空間，該軌道范圍內(nèi)航天器非常少，一旦發(fā)生太空交通事故，殘骸可以盡快隕落，這里對(duì)第2 批StarLink 星座衛(wèi)星部署后對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的影響暫不做研究。

StarLink 星座衛(wèi)星完全部署后將位于不同高度的軌道空間，由于衛(wèi)星數(shù)量多、軌道機(jī)動(dòng)頻繁，不可避免地會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星故障、失效等問(wèn)題，從而使衛(wèi)星失去軌道機(jī)動(dòng)能力而滯留太空，更有甚者一旦某顆StarLink 星座衛(wèi)星與其他空間目標(biāo)發(fā)生碰撞，其殘荷與產(chǎn)生的空間碎片亦會(huì)滯留太空，在沒(méi)有太空垃圾清理的能力下，這些廢棄物只能靠自然隕落。在地球非球形和大氣阻力情況下，考慮StarLink 星座衛(wèi)星所在軌道高度范圍，通過(guò)隕落預(yù)報(bào)計(jì)算得出的不同高度的空間目標(biāo)自然隕落時(shí)長(zhǎng)，見(jiàn)表6。330～350 km 軌道空間的空間目標(biāo)在1 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)可以墜入地球，因此，對(duì)太空安全的影響持續(xù)期短；520～570 km 軌道空間衛(wèi)星需要數(shù)年才可以墜入地球，該軌道帶又是航天器密集區(qū)域，因此，對(duì)太空安全會(huì)帶來(lái)較大的隱患；1 100 km 以上的軌道空間，空間目標(biāo)自然隕落需要數(shù)百年的時(shí)間，因此為太空安全埋下了長(zhǎng)期的定時(shí)炸彈。

表6 不同高度空間目標(biāo)自然隕落時(shí)長(zhǎng)Tab.6 Natural falling time of space targets at different altitudes

4 思考與建議

1）根據(jù)StarLink 試驗(yàn)星的發(fā)射運(yùn)行情況，至今有15 顆衛(wèi)星的近地點(diǎn)掉高在1～10 km 之間，另外有7 顆衛(wèi)星軌道誤差超過(guò)50 km?？梢酝茰y(cè)，如果數(shù)以萬(wàn)計(jì)的星座衛(wèi)星發(fā)射升空一定存在發(fā)射失敗、部分衛(wèi)星失效或者軌道機(jī)動(dòng)出現(xiàn)大誤差的情況，同時(shí)這些星座衛(wèi)星壽命短、回收難，容易形成太空垃圾，必然會(huì)對(duì)其他在軌航天器造成碰撞威脅。

2）StarLink 星座衛(wèi)星在離軌處置時(shí)，其95%以上的部件可在再入大氣時(shí)燒毀，但由于其數(shù)量多、壽命短，其再入過(guò)程會(huì)威脅地面居住地和設(shè)施安全。

3）對(duì)于航天器密度大的星座而言（如StarLink計(jì)劃、OneWeb 計(jì)劃等），從碰撞安全角度考慮，其他航天器都要盡量避免部署于或者經(jīng)過(guò)其所在區(qū)域，同時(shí)星座衛(wèi)星位于從低到高分層的低軌空間，對(duì)其他航天器的發(fā)射入軌與返回帶來(lái)了較大的風(fēng)險(xiǎn)。

4）為了避免太空碰撞的發(fā)生，需要利用地基和天基設(shè)備進(jìn)行空間目標(biāo)探測(cè)。地基探測(cè)是空間目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源，但其受測(cè)站部署位置限制，無(wú)法達(dá)到對(duì)空域、時(shí)域的無(wú)縫覆蓋；天基探測(cè)方法分辨率高，但其成本高且體積功率受限。因此，提高空間目標(biāo)探測(cè)能力具有重要意義。針對(duì)于大批量目標(biāo)的編目管理可借鑒美“太空籬笆”系統(tǒng)，增加空間目標(biāo)探測(cè)容量，提高空間目標(biāo)探測(cè)精度和時(shí)效性，針對(duì)于發(fā)生碰撞后短期無(wú)觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況，加強(qiáng)碰撞碎片短期演化風(fēng)險(xiǎn)分析，為航天器規(guī)避提供參考［11］。此外，發(fā)展航天器自主規(guī)避技術(shù)、高效且低成本的太空垃圾回收技術(shù)等也是可以拓展的解決方案。

5）空間碎片在空間目標(biāo)的數(shù)量中占絕對(duì)多數(shù)，且逐年遞增，尤其是在諸如2009 年2 月11 日美、俄衛(wèi)星相撞事件等重大空間碰撞事件發(fā)生后，碎片數(shù)量都會(huì)急劇增加［2］。若在高密度的星座衛(wèi)星空間發(fā)生碰撞事件，則更可能會(huì)引起空間碎片成爆炸式膨脹。就當(dāng)前技術(shù)而言，大規(guī)?；厥仗绽媾R較大的困難，這會(huì)對(duì)同軌道帶的其他航天器造成嚴(yán)重威脅，并且隨著自然隕落還會(huì)對(duì)處于更低軌道空間的航天器造成數(shù)年乃至數(shù)十年的威脅。因此，亟需完善新型空間碎片回收技術(shù)，如空間碎片網(wǎng)捕法［12］、繩系拖拽法［13］、激光輻照法［14］、運(yùn)載火箭末級(jí)鈍化處理［15］等。

5 結(jié)束語(yǔ)

微小衛(wèi)星組網(wǎng)開(kāi)展航天任務(wù)能帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施的StarLink 星座計(jì)劃部署完畢后將在低軌空間部署1 萬(wàn)多顆衛(wèi)星，OneWeb 公司計(jì)劃在太空投放4 000 多顆微小衛(wèi)星，這類大型星座計(jì)劃全部實(shí)現(xiàn)，低軌空間將呈現(xiàn)更加擁擠的狀態(tài)。本文通過(guò)仿真對(duì)比了StarLink 星座部署前后的低軌空間航天器進(jìn)入碰撞預(yù)警門(mén)限的次數(shù)變化情況，可見(jiàn)StarLink 星座部署后將極大增加附近軌道航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，而一旦發(fā)生衛(wèi)星相撞，產(chǎn)生的空間碎片又會(huì)產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，造成進(jìn)一步的安全隱患，對(duì)衛(wèi)星的安全防護(hù)及碰撞預(yù)警帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了太空安全和可持續(xù)發(fā)展，大型星座的部署需要慎重。