如何在太空安全“會車”

文/ 江山

▲ “獵鷹9”發(fā)星鏈組網(wǎng)衛(wèi)星

前不久，太空探索技術公司和一網(wǎng)公司因為衛(wèi)星之間的一次近距離靠近，同美國負責通信衛(wèi)星監(jiān)管工作的聯(lián)邦通信委員會（FCC）舉行了一場會面，并提交了材料，但雙方的有關說法并不完全一致。兩家公司的衛(wèi)星在太空成功避撞，但在地球上的口水戰(zhàn)中卻互不相讓，吃瓜群眾紛紛圍觀。在衛(wèi)星越來越多的情況下，如何采取措施，保證在軌衛(wèi)星互不干擾、各行其是，確?？臻g環(huán)境安全一直頗受業(yè)界關注。

有驚無險的“會車”

“一網(wǎng)”官員4月初稱，為避免同太空探索技術公司一顆“星鏈”衛(wèi)星接近，他們被迫讓一顆衛(wèi)星實施了機動?！耙痪W(wǎng)”那顆衛(wèi)星編號為“一網(wǎng)”0178，是3月25日由聯(lián)盟號火箭從俄東方航天發(fā)射場發(fā)射入軌的36顆衛(wèi)星中的一顆。根據(jù)美國天軍3月30日數(shù)據(jù)，該星據(jù)預測會在升軌過程中來到“星鏈”1546衛(wèi)星附近，當時初步估計4月3日兩者相距不到60米，相撞概率為1.3%。后者發(fā)射于去年9月，處在高約450千米的一條軌道上?！耙痪W(wǎng)”官員后來對媒體表示，太空探索技術公司向“一網(wǎng)”通報稱，它無法做任何事情來避免相撞，所以才關掉了那顆星上的自動避撞系統(tǒng)。言下之意，太空探索技術公司在協(xié)調(diào)過程中不太配合，而且“一網(wǎng)”對太空探索技術公司“大干快上”的星座發(fā)展策略頗有微詞。

太空探索技術公司并未就那些報道公開置評，但的確在4月20日安排了同“一網(wǎng)”和FCC國際局的一場會面，后者負責通信衛(wèi)星監(jiān)管工作。根據(jù)太空探索技術公司報送給FCC的一份材料，會上討論了這次衛(wèi)星交會事件以及該公司自己對該事件的評估情況。太空探索技術公司表示，雙方根本就沒出現(xiàn)什么僥幸脫險或差點撞上的情況；太空探索技術公司和“一網(wǎng)”一致認為雙方做了成功的協(xié)調(diào)，從而促成了積極的結局。在4月2日的一次通話中，太空探索技術公司指出，根據(jù)低軌實驗室公司預測，兩星相撞概率遠低于用以決定是否要實施機動的閾值，即10萬分之一?！耙痪W(wǎng)”和太空探索技術公司的軌道數(shù)據(jù)對比曾短暫顯示碰撞概率較高，包括相關報道中所說的1.3%，但太空探索技術公司稱，“一網(wǎng)”已承認其軌道預測低估了不確定性。在不到兩小時后進行的第二次通話中，“一網(wǎng)”表示已決定實施避撞機動，原因是其無法等待更多數(shù)據(jù)?！耙痪W(wǎng)”請求太空探索技術公司關掉“星鏈”1546的自動避撞系統(tǒng)，而太空探索技術公司也照做了。“一網(wǎng)”隨后便在4月3日讓“一網(wǎng)”0178實施了機動。不過，從細化后的軌道數(shù)據(jù)來看，到實施機動時，相撞概率已經(jīng)不大。根據(jù)天軍的數(shù)據(jù)，兩者實際接近距離為1120米。低軌實驗室公司利用其自有數(shù)據(jù)做出的估計是1072米。低軌實驗室公司利用其雷達網(wǎng)絡來跟蹤空間物體。

太空探索技術公司在其報送材料中說，太空探索技術公司就一網(wǎng)公司官員選擇公開謊報相關協(xié)調(diào)情況向FCC表示失望；太空探索技術公司因此也要對一網(wǎng)公司在與FCC會談時表示會收回其先前的不正確言論表示感謝。

▲ 俄制聯(lián)盟2-1b弗雷蓋特型運載火箭5月28日在俄東方航天發(fā)射場發(fā)射了一網(wǎng)公司的36顆組網(wǎng)衛(wèi)星

“一網(wǎng)”并未收回其言論，但在報送給FCC的材料中表示，它覺得在與FCC會面時太空探索技術公司和“一網(wǎng)”工程團隊之間的事實和數(shù)據(jù)交流做得非常好。“一網(wǎng)”致力于同太空探索技術公司和所有其它衛(wèi)星運營商一道就衛(wèi)星的物理協(xié)調(diào)開展全面合作。

降軌已成事實

這起事件正值太空探索技術公司請求FCC批準其修改現(xiàn)有許可證，把2825顆衛(wèi)星的軌道從原先獲得批準的超過1000千米調(diào)低到約550千米。這將讓那些衛(wèi)星加入到已獲準在550千米軌道上運行的1584顆衛(wèi)星之列。太空探索技術公司聲稱這項調(diào)整會提升其星座的安全性，因為衛(wèi)星軌道調(diào)低后在軌壽命會縮短。在包括一網(wǎng)、衛(wèi)訊、休斯網(wǎng)絡系統(tǒng)和亞馬遜在內(nèi)的多家公司的強烈反對聲中，F(xiàn)CC4月底批準了太空探索技術公司的請求。

這并不是第一起涉及“星鏈”衛(wèi)星同他方衛(wèi)星接近的爭議。2019年9月，在確定一顆“星鏈”衛(wèi)星會從過近距離上經(jīng)過后，歐空局被迫對其“風神”衛(wèi)星實施了機動。歐空局當時抱怨稱，它在同太空探索技術公司協(xié)調(diào)方面遇到了問題，而后者則宣稱那是因為人員休假等幾個因素趕在了一起，但那些問題隨后已得到解決。歐空局官員表示，當時的情況千鈞一發(fā)，協(xié)調(diào)機制沒能很好地發(fā)揮作用，但后來情況有了改善。此后歐空局同太空探索技術公司一直保持著密切聯(lián)系，配合良好。

擁堵的太空讓人愁

通常來說，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)有兩種方案，一種是地球同步軌道衛(wèi)星，一種是類似“星鏈”和“一網(wǎng)”的低軌衛(wèi)星星座。地球同步軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的缺點是軌道高度高，信號往返時間長，延遲明顯。地球同步軌道衛(wèi)星一般為大型衛(wèi)星，功率大，能滿足遠距離通信要求，衛(wèi)星成本高，對運載火箭運載能力要求高。其優(yōu)點是所需衛(wèi)星數(shù)量少，只需3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球。每一顆衛(wèi)星帶寬有限，每顆衛(wèi)星服務的用戶數(shù)量越少，用戶的帶寬越大。

低軌衛(wèi)星星座互聯(lián)網(wǎng)的缺點是所需衛(wèi)星數(shù)量多，由于軌道較低，需要很多衛(wèi)星才能覆蓋全球。其優(yōu)點是軌道低、延遲少；衛(wèi)星功率無需太大，通常采用小型衛(wèi)星，成本較低；既可用大運載火箭群發(fā)，也可用小火箭單發(fā)，發(fā)射方式靈活。

太空探索技術公司低軌互聯(lián)網(wǎng)星座項目最早于2015年提出。目前該公司已獲得國際電聯(lián)和FCC批準，獲得了Ku、Ka和V頻段資源及美國落地許可?！靶擎湣毙亲媱澐秩诮ㄔO。一期和二期約為4400顆衛(wèi)星。目前太空探索技術公司已在550千米的高度部署了超過1600顆衛(wèi)星。按照FCC規(guī)定，“星鏈”星座到2024年需要完成一期和二期計劃中的一半衛(wèi)星（約2200顆）的部署，到 2027年需要完成所有衛(wèi)星的部署，意味著在2025—2027年需要發(fā)射約2300顆衛(wèi)星。但是，從2023年開始，前期部署衛(wèi)星開始退役。為維持星座的正常運行，太空探索技術公司要不停地進行補網(wǎng)和組網(wǎng)發(fā)射，預計年均發(fā)射要達到40次。長期來看，維持一個4000多顆衛(wèi)星的星座，年均補網(wǎng)衛(wèi)星約為900顆?！靶擎湣毙亲谝?guī)劃衛(wèi)星數(shù)量為7518顆衛(wèi)星。

一網(wǎng)公司的低軌衛(wèi)星星座計劃于2013年提出，計劃在1200千米高度的軌道上部署720顆衛(wèi)星，后來調(diào)整為648顆，2017年得到 FCC批準。2018年“一網(wǎng)”向FCC提出將衛(wèi)星數(shù)量增加到1980顆，并在2020年得到批準。2021年年初，一網(wǎng)公司大幅壓縮其下一代衛(wèi)星星座的規(guī)模。在提交給FCC的一份申請材料中，一網(wǎng)公司請求準許其對2020年5月提交的一項申請進行修改，把二期星座發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量從47844顆降為6372顆。目前“一網(wǎng)”在軌衛(wèi)星數(shù)量接近200顆。

利用其自有的可復用“獵鷹9”火箭編隊，太空探索技術公司正在以比“一網(wǎng)”快得多的節(jié)奏部署其“星鏈”星座。包括亞馬遜（3236顆）和電信衛(wèi)星公司（298顆）在內(nèi)，其他公司也在建設自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，但都還沒有啟動業(yè)務型衛(wèi)星組網(wǎng)發(fā)射工作。到目前為止，太空探索技術公司是距啟動商業(yè)服務最近的一家，“一網(wǎng)”則緊隨其后。

這些商業(yè)項目旨在向欠服務社區(qū)、商業(yè)和軍用艦船、飛機以及其他偏遠用戶發(fā)送互聯(lián)網(wǎng)信號。太空探索技術公司初期把重點放在消費者寬帶市場上，但美國軍方已試用了“星鏈”服務。“一網(wǎng)”則把向政府部門和企業(yè)銷售服務作為重點，最近也向美國軍方展示了其網(wǎng)絡連接能力。

“星鏈”網(wǎng)絡軌道高度較低一些，所以需要有比一網(wǎng)星座更多的衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球覆蓋。太空探索技術公司稱，采用較低的軌道可降低衛(wèi)星成為太空垃圾長期來源的風險。

▲ 待發(fā)的一網(wǎng)衛(wèi)星

▲ 待發(fā)星鏈衛(wèi)星

▲ 蜂群被罰（太空蜜蜂）

▲ 低軌太空碎片

根據(jù)聯(lián)合國外空司2019年統(tǒng)計，自1957年第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射升空以來，全球共發(fā)射約8500個航天器。如果太空探索技術公司和一網(wǎng)公司等持續(xù)大量發(fā)射衛(wèi)星，將使在軌衛(wèi)星數(shù)量爆炸式增長。作為國際空間站和對地觀測衛(wèi)星星座所在軌道，由于立方星、小衛(wèi)星和新型通信星座的日漸流行，低地軌道正變得越來越“動蕩不安”。

美國航天司令部司令迪金森上將稱，地球軌道上衛(wèi)星數(shù)量的快速增長正在引發(fā)不安，主要由商業(yè)活動導致的太空擁擠局面若管理不好會帶來安全問題。由于商業(yè)實體計劃未來幾年發(fā)射數(shù)以千計的衛(wèi)星，越來越擁擠的太空疆域的安全性和可持續(xù)性問題將變得更加復雜，如何避免碰撞發(fā)生變得越來越重要。

美國收緊“上路”標準

根據(jù)1967年的《外空條約》，各國要負責批準和持續(xù)監(jiān)督從其領土或設施發(fā)射的衛(wèi)星。在美國發(fā)射衛(wèi)星必須經(jīng)過FCC的許可，F(xiàn)CC會從多個角度對衛(wèi)星做出全面分析，決定是否批準衛(wèi)星發(fā)射。FCC是一個獨立的美國聯(lián)邦政府機構，由美國國會法令授權創(chuàng)立，并由國會領導。FCC對申請在美國經(jīng)營通信衛(wèi)星的公司頒發(fā)許可證，進行等級評定并規(guī)定其相應權利；為通信衛(wèi)星規(guī)定技術規(guī)范，向國際無線電聯(lián)盟等機構提出美國對有關頻率分配、對外直播等問題的建議。它還負責管理所有非聯(lián)邦政府機構使用無線電頻譜（無線電和電視廣播），美國國內(nèi)州際通信（固定電話網(wǎng)、衛(wèi)星通信和有線通信）和所有從美國發(fā)起或在美國終結的國際通信。

FCC下設10個辦公室和7個職能局，具體負責制定相關政策（包括國際間通信政策），在政府層面進行協(xié)調(diào)，在消費者保護、地區(qū)競爭、公共安全和國土安全等方面執(zhí)行相關法案、規(guī)定及命令等。

在航天領域，F(xiàn)CC雖然不是航天局，可它一打噴嚏，航天界就要吃藥。2020年，F(xiàn)CC發(fā)布了其《新航天時代軌道碎片減緩》規(guī)則草案。這是FCC自2004年以來首次修訂其空間碎片規(guī)則。新規(guī)將會影響從立方星到大型靜地通信衛(wèi)星等所有衛(wèi)星。衛(wèi)星行業(yè)對FCC的新規(guī)草案有很多擔憂，其中最大的一點擔憂是FCC可能不再為集體碰撞風險超過千分之一的星座項目發(fā)放許可證。美國宇航局的標準是單顆衛(wèi)星碰撞風險不得超過千分之一，相對更為寬松。新規(guī)草案要求星座項目在離軌時造成人員傷亡的風險不能超過萬分之一。FCC還計劃要求工作軌道在400千米以上的新衛(wèi)星自帶推進系統(tǒng)或其它避撞手段。為讓已經(jīng)開始建造的衛(wèi)星能夠繼續(xù)建造，無需再進行耗時而又費錢的重新設計，這條規(guī)定到2022年4月23日才會生效。FCC計劃讓申請許可證的衛(wèi)星運營商交納履約保證金。一旦未能正確處置退役衛(wèi)星，它們就會失去這筆保證金。按FCC的保證金計算公式，靜地衛(wèi)星運營商可能要為此增加數(shù)千萬美元的成本，而低軌大星座項目的這筆額外成本則可能會高達1億美元。

對錯誤行為FCC絕不手軟。美國硅谷初創(chuàng)企業(yè)蜂群技術公司未經(jīng)聯(lián)邦監(jiān)管部門授權就在印度“極軌衛(wèi)星運載器”2018年1月份的一次發(fā)射中搭載了4顆稱為“太空蜜蜂”的皮型衛(wèi)星。每顆“太空蜜蜂”尺寸為一顆單體立方星的1/4。FCC認為即使星上加裝了Ku波段雷達反射器，這樣的尺寸也令這些衛(wèi)星因太小而無法可靠地被跟蹤，因此未發(fā)放認可。事件發(fā)生后，F(xiàn)CC發(fā)出執(zhí)法忠告，警告各機構若未經(jīng)相應監(jiān)管批準發(fā)射衛(wèi)星將受到懲處，勸告運載廠家要準備好在必要時從箭上撤下未經(jīng)授權的衛(wèi)星，并稱未能遵守FCC要求必將會導致執(zhí)法行動。在經(jīng)過了數(shù)個月的調(diào)查后，硅谷創(chuàng)企蜂群技術公司向FCC支付了90萬美元罰款。FCC還指示蜂群公司指定一位合規(guī)主管，負責落實合規(guī)規(guī)劃。

▲ 太空碎片

安全“會車”程序多

地面上安全會車的秘籍是“一看二算三慢”，即先看清楚，再估算風險，最后慢速通過。太空“會車”與此相似，可歸納為跟蹤監(jiān)測、告警與風險評估、協(xié)商避讓。

安全“會車”、避免碰撞的前提條件是要了解航天器的動態(tài)。聯(lián)合國外空委在《太空長期可持續(xù)發(fā)展指南》中鼓勵為維護和改善空間安全共享相關在軌物體數(shù)據(jù)。然而截至目前世界上既沒有統(tǒng)一的空間信息交換協(xié)議，也沒有通用數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)。有專家建議，為準確、實時跟蹤在軌物體、避免碰撞，應制定統(tǒng)一的共享數(shù)據(jù)標準，包括星歷表、協(xié)方差數(shù)據(jù)、規(guī)劃機動情況、系統(tǒng)運行狀態(tài)、自動導航算法以及其他必要數(shù)據(jù)。

▲ 星鏈衛(wèi)星

空間目標碰撞告警與避撞的目的是對航天器與其他空間目標的近距離靠近進行告警分析，提出可能面臨的危險等級以及為保障航天器安全而采取的措施。按航天器飛行階段劃分，空間目標碰撞告警與避撞可分為進入空間、在軌運行和再入階段三類。進入空間主要是指為火箭提供穿越大氣層與空中目標以及其入軌時與其他空間物體的碰撞預警分析。主要規(guī)避方法一是對于可能碰撞的空中目標，采取航線管制，在發(fā)射飛行一定距離內(nèi)禁止飛機等進入；二是通過調(diào)整發(fā)射窗口，避免入軌時可能與其他空間物體的碰撞等。航天器在軌運行時，通過跟蹤監(jiān)測，對可能碰撞的目標采取自動篩選、人工風險評估、危險性風險精細評估、交會機動等措施。再入階段主要指航天器再入時在太空和穿越大氣層過程中與其他空間物體和空中目標的碰撞預警分析。應對方法與進入空間時類似，主要采取調(diào)整事件窗口和航線管制等方式。例如2021年4月27日，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的德爾塔4H重型運載火箭在加州范登堡空軍基地發(fā)射美國國家偵察辦公室一顆保密衛(wèi)星時，因一項避撞警告而推后了1分鐘。據(jù)監(jiān)測，在那1分鐘內(nèi)發(fā)射火箭和有效載荷，上升路線會與另一個已在軌空間物體靠得太近，因而被認定為不安全。

▲ 阿聯(lián)酋希望1號火星探測器

美國航天司令部位于加州范登堡空軍基地的空間交通監(jiān)視人員目前跟蹤著約3.2萬個在軌物體，其中有超過3400個是在用衛(wèi)星。他們估測碰撞概率，并向衛(wèi)星運行者發(fā)出預警。航天司令部把工作重點放在提升“天域感知”能力上，也就是要掌握太空中的物體和活動情況。航天司令部正在通過把陸軍和海軍導彈防御用地基和?；走_獲取的數(shù)據(jù)吸納進來，擴大其空間監(jiān)視網(wǎng)絡。俄羅斯太空目標監(jiān)視系統(tǒng)可對約1.2萬個目標進行探測跟蹤和編目管理，地面系統(tǒng)的探測跟蹤能力也很強，綜合能力僅次于美國。

2020年，美國硅谷空間測繪創(chuàng)企低軌實驗室公司推出自動化避撞服務，幫助商業(yè)和政府衛(wèi)星運營者避免同低地軌道上的碎片和其它衛(wèi)星相撞。借助雷達數(shù)據(jù)，該公司打造了一套云服務，稱為“低軌實驗室避撞”，以用來提醒客戶注意交會事件，并幫助其評估碰撞風險。

充分溝通保平安

針對衛(wèi)星避撞，目前各國或各運營商之間一般采取一事一議的方法，通過商議確定由誰來避讓。今年3月美國宇航局同太空探索技術公司就國際空間站和其他美國宇航局航天器與該公司日益壯大的低軌“星鏈”衛(wèi)星編隊的運行協(xié)調(diào)問題簽署了一項“航天法案協(xié)議”。美國宇航局表示，簽署這項協(xié)議并不是因為出了什么具體事情，例如有“星鏈”衛(wèi)星近距離接近了美國宇航局航天器，而是旨在使雙方通過信息共享來維護和改善空間安全的強烈意愿正式固定下來。美國宇航局和太空探索技術公司技術隊伍已為確保一貫而及時的溝通合作了一段時間。

根據(jù)協(xié)議，在出現(xiàn)任何與該局航天器近距離接近的情況時，太空探索技術公司將利用“星鏈”衛(wèi)星的自主避撞功能來實施避讓。這是為了避免出現(xiàn)雙方都進行機動的情況。美國宇航局同意在出現(xiàn)潛在交會的情況時不做機動，保證雙方不會無意間跑向?qū)Ψ剑怀翘仗剿骷夹g公司另行通告，否則美國宇航局將保持其航天器預定飛行路線。

協(xié)議界定了美國宇航局和太空探索技術公司在共享軌道位置和機動方案信息方面的職責；要求太空探索技術公司在每次“星鏈”發(fā)射前至少提前一周向美國宇航局通報，使該局能夠確定那次發(fā)射是否會構成任何避撞問題。太空探索技術公司還同意把“星鏈”衛(wèi)星發(fā)到不會進入距國際空間站或其他該局航天器5千米之內(nèi)的初始軌道。太空探索技術公司還要總體上避免同國際空間站出現(xiàn)“任何須通報的交會”。美國宇航局對此的定義是進入該站周圍50千米×50千米×4千米的空間區(qū)域。

▲ “勇氣號”

深空探測中的軌道協(xié)調(diào)

事實上，隨著人類探索能力不斷提升，碰撞風險不僅存在于地球軌道特別是低地軌道，火星上也存在類似風險。在美國宇航局和中國國家航天局或其它中方機構的任何信息交流都受眾所周知的“沃爾夫修正案”限制的情況下，3月份，美國宇航局在征得國會批準后同中方同行進行了磋商，并拿到了中國新的火星探測器的軌道信息。為確保各自任務的安全，美國宇航局同有探測器在環(huán)火軌道上運行的阿聯(lián)酋、歐空局、印度空間研究組織和中國國家航天局進行協(xié)調(diào)，交換各自火星任務的信息，從而確保各自探測器的安全。

▲ “天問一號”

美國宇航局噴氣推進實驗室開展了名為“多任務自動化深空交會評估過程”的一項計劃，對火星軌道上的探測器開展交會評估。該計劃最初稱“火星深空避撞過程”，也用來開展月球軌道探測器的交會評估。目前在環(huán)火軌道上運行的探測器并不多，相互間發(fā)生碰撞的概率非常小。不過，正如噴推實驗室在一份上述計劃介紹材料中所指出的，這些探測器常常工作在相近軌道上，增大了近距離靠近的機率。

樹大招風，太空探索技術公司因其正在加緊部署的“星鏈”星座而受到了政府部門嚴格的“盤查”，也遭到同行的“羨慕嫉妒恨”。實際上，太空就在那里，大家都可以去用，但是如何有序、安全、長久地使用，還需要政府、企業(yè)等共同努力，通過加強溝通、交換數(shù)據(jù)和建立最佳辦法來確保共同維護空間環(huán)境安全。