由微小衛(wèi)星引發(fā)的太空交通安全機(jī)制探討

● 文|長春理工大學(xué) 耿歌

由微小衛(wèi)星引發(fā)的太空交通安全機(jī)制探討

● 文|長春理工大學(xué) 耿歌

隨著微小衛(wèi)星的發(fā)展，傳統(tǒng)衛(wèi)星及載人空間站等航天器在軌運(yùn)行的生存環(huán)境日益惡化，而在軌航天器的空間安全是衛(wèi)星應(yīng)用的重要保障條件之一，因此，本文從微小衛(wèi)星發(fā)展的基本情況入手，簡要回顧了微小衛(wèi)星的發(fā)展情況，研究了微小衛(wèi)星的發(fā)展可能帶來的太空安全挑戰(zhàn)。通過分析現(xiàn)有外層空間法及其適用范圍，剖析現(xiàn)有外層空間法存在問題及不足，闡述了建立太空交通安全機(jī)制的必要性。在此基礎(chǔ)上，界定了太空交通安全機(jī)制概念，提出了建立這種機(jī)制的初步設(shè)想。

一、微小衛(wèi)星發(fā)展概況

自20世紀(jì)80年代中期興起的微小衛(wèi)星，也稱為現(xiàn)代小衛(wèi)星，通常分為小衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星與皮衛(wèi)星等，每類衛(wèi)星的功能相近，但質(zhì)量差別在一個(gè)數(shù)量級(jí)左右[1]。微小衛(wèi)星具有體積小、軌道低、重量輕、成本低和研發(fā)周期短，以及應(yīng)用范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)，既可以應(yīng)用于科學(xué)研究、技術(shù)驗(yàn)證，也可以應(yīng)用于空間探測、衛(wèi)星通信和對(duì)地觀測等領(lǐng)域。因而，受到了世界各國的高度重視。

近年來，微小衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)量穩(wěn)中有升，并且呈現(xiàn)出井噴式增長勢(shì)頭。以2013年為例，全年共成功發(fā)射1000kg以下小衛(wèi)星146顆，占年發(fā)射總量的70%。相較2012年同比增幅達(dá)148.28%。另外，2013年還有1顆小衛(wèi)星發(fā)射失敗，41顆計(jì)劃發(fā)射的小衛(wèi)星因故推遲[2]。

一體化多功能結(jié)構(gòu)與高度集成化的電子技術(shù)，以及一箭多星的發(fā)射能力，促進(jìn)了微小衛(wèi)星的小型化、編隊(duì)化的發(fā)展。例如，2013年11月，美國和俄羅斯相繼完成“一箭二十九星”和“一箭三十二星”發(fā)射；2014年1月，美國成功完成了“一箭三十四星”發(fā)射；2014年5月4日，美國商業(yè)太空發(fā)射公司采用衛(wèi)星母船方式，一次性投放104顆名為“小妖怪”的微型衛(wèi)星。

二、微小衛(wèi)星對(duì)太空安全形成的挑戰(zhàn)

如果說高軌軌道資源已經(jīng)十分緊缺的話，微小衛(wèi)星的這種超微化的發(fā)展趨勢(shì)與編隊(duì)化及運(yùn)用模式，使得本來尚未顯得緊缺的低軌軌道資源也緊俏起來，進(jìn)而帶來諸多新問題。

微小衛(wèi)星及其編隊(duì)所具有體積小、數(shù)量多、密度大與軌道低等不同于大衛(wèi)星的特點(diǎn)，恰恰對(duì)空間安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

一是體積小，因探測困難而不易提供碰撞預(yù)警信息。既然是微小衛(wèi)星，首先是體積小。例如，由德國柏林技術(shù)大學(xué)研制的Tubsat-N納衛(wèi)星尺 寸 為 32cm×32cm×10.4cm, Tubsat-N1的 尺 寸 為32cm×32cm×3.4cm。皮衛(wèi)星尺寸更小，例如美國的STENSA皮衛(wèi)星尺寸為5.8cm×5.8cm×5.8cm，MEMS皮衛(wèi)星尺寸為10.2cm×7.6cm×2.5cm[1]。而“小妖怪”衛(wèi)星的體積只有幾個(gè)拇指般大小。

我們知道，探測軌道目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)或光學(xué)系統(tǒng)，它們的作用距離都與目標(biāo)尺寸的大小有關(guān)。以雷達(dá)為例，雷達(dá)作用距離與目標(biāo)有效散射面積之間是四次方關(guān)系，也就是說目標(biāo)有效散射面積越大，作用距離越遠(yuǎn)。而上述納衛(wèi)星的幾何面積不足0.1m2，皮衛(wèi)星的幾何面積僅為0.003m2，至于“小妖怪”這種超級(jí)微小衛(wèi)星的就更小了。這些目標(biāo)大小不僅處于現(xiàn)有雷達(dá)的瑞利區(qū)使其有效散射面積偏小并起伏大，且由于編隊(duì)飛行存在多目標(biāo)引起的多路徑效應(yīng)而進(jìn)一步降低雷達(dá)探測能力。因此，無論是大衛(wèi)星與微小衛(wèi)星編隊(duì)的碰撞預(yù)警，還是不同微小衛(wèi)星編隊(duì)之間的偏碰撞預(yù)警，以及微小衛(wèi)星編隊(duì)內(nèi)部成員之間的碰撞預(yù)警，由于微小衛(wèi)星的體積小，都將面臨“看不見”或“看不清”帶來的難題。

二是數(shù)量多，因覆蓋空間范圍大而使其與其他空間目標(biāo)碰撞的概率增大。微小衛(wèi)星編隊(duì)是群目標(biāo)的一種特例[6]，編隊(duì)飛行是微小衛(wèi)星運(yùn)用的基本形式。所謂編隊(duì)飛行是指一組微小衛(wèi)星在各自軌道上運(yùn)行的同時(shí)，相互間保持一定的相位和距離，編成具有某種多邊形的隊(duì)形[3]。微小衛(wèi)星位于多邊形的頂點(diǎn)，并圍繞某一主星（或虛擬一主星作為基準(zhǔn)點(diǎn)）在軌道上飛行。衛(wèi)星編隊(duì)飛行的目的是為了在功能上相當(dāng)于一顆大的“虛擬衛(wèi)星”。相較于大衛(wèi)星傳感器而言，由于微小衛(wèi)星的平臺(tái)小，故其傳感器載荷也小，并且有些情況下需要對(duì)感興趣的目標(biāo)或區(qū)域?qū)嵤┝Ⅲw觀測，所以，這種編隊(duì)需要的微小衛(wèi)星數(shù)量很大，又因?yàn)槲⑿⌒l(wèi)星編隊(duì)的成員之間需要一定的間距，因此，一個(gè)微小衛(wèi)星編隊(duì)將覆蓋很大的空間范圍，進(jìn)而引起與其他空間目標(biāo)碰撞的概率增大。

三是密度大，易于發(fā)生自身連鎖碰撞而產(chǎn)生更小、更加不易探測的碎片。微小衛(wèi)星編隊(duì)和衛(wèi)星星座的不同點(diǎn)在于：衛(wèi)星星座為稀疏分布，各衛(wèi)星之間的距離大約是軌道半徑量級(jí)，即幾千千米，而微小衛(wèi)星編隊(duì)屬局部密集型星座，微小衛(wèi)星之間的距離比軌道半徑小若干個(gè)數(shù)量級(jí)，一般小于幾十千米，甚至僅為幾米[3]。因而，如此之小的間距，諸如空間環(huán)境變化等意外情況都可能引起彼此之間的碰撞。本來就已經(jīng)很小的微小衛(wèi)星，一旦發(fā)生連鎖碰撞，碎片的數(shù)量及其尺寸都是難以預(yù)料的，探測起來將更加困難。

四是軌道低，對(duì)入離軌衛(wèi)星及低軌衛(wèi)星形成威脅，并且將進(jìn)一步占用擁堵的軌道資源。對(duì)于微小衛(wèi)星編隊(duì)來說，構(gòu)成特定隊(duì)形的微小衛(wèi)星協(xié)同工作，目的是共同實(shí)現(xiàn)如虛擬孔徑、虛擬遙感和虛擬雷達(dá)等特定功能，而且其所攜帶的傳感器口徑或孔徑不可能很大，因而它們的軌道高度不會(huì)很高。例如，1998年7月7日德國使用俄羅斯的Shtil火箭從水下潛水艇發(fā)射成功的Tubsat-N、N1納衛(wèi)星，其軌道高度為400～771km。

綜上所述，微小衛(wèi)星的發(fā)展在給人們帶來極大便利的同時(shí)，也對(duì)空間安全構(gòu)成了極大挑戰(zhàn)。

三、國際空間法現(xiàn)狀

人類的活動(dòng)進(jìn)入太空，必然會(huì)在這一領(lǐng)域引起各種沖突。早在20世紀(jì)30年代初，人們就開始研究使用某種制度調(diào)節(jié)各國太空活動(dòng)。然而1957年蘇聯(lián)發(fā)射人造衛(wèi)星才真正揭開了太空時(shí)代的序幕，那么，如何協(xié)調(diào)各國在太空的關(guān)系，避免太空像陸地一樣被視為人類激烈斗爭的場所，成為一個(gè)重要的現(xiàn)實(shí)問題。

盡管現(xiàn)有空間法律、條約基本上對(duì)太空非軍事化、航天器非武器化、禁止在外層空間部署大規(guī)模毀滅性武器，以及無線電業(yè)務(wù)和通信不得受到有害干擾，乃至發(fā)射物體墜落物的賠償與歸屬等，都進(jìn)行了規(guī)定與約束。但是，到目前為止，并沒有任何一款國際性法律或條約，規(guī)范航天器安全運(yùn)行。如果說微小衛(wèi)星大規(guī)模發(fā)展以前，這個(gè)問題尚不十分突出的話，那么，目前微小衛(wèi)星的發(fā)展使太空交通安全立法問題提上日程。

四、太空交通安全機(jī)制研究

關(guān)于機(jī)制，美國學(xué)者斯蒂芬·克拉斯納給出了這樣的定義：“國際機(jī)制可定義為特定國際關(guān)系領(lǐng)域里由行為體愿望匯集而成的一整套明示或默示的原則、規(guī)范、規(guī)則和決策程序” 。對(duì)于這個(gè)定義，雖然很多學(xué)者仍存在置疑，認(rèn)為它在原則、規(guī)范、規(guī)則和決策程序的關(guān)系上存在很大的模糊性，但相對(duì)而言，這一定義基本體現(xiàn)了國際機(jī)制這一概念的本質(zhì)含義，得到了較為一致的認(rèn)可。

目前，國際上已經(jīng)建立了相對(duì)完善的國際太空機(jī)制，既包括以《外空法》為核心的國際法規(guī)范體系，又包括以聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì)、歐洲航天局等為骨干的組織架構(gòu)。國際太空機(jī)制的基本組織架構(gòu)包括：聯(lián)合國體系、區(qū)域安排、其他多邊機(jī)構(gòu)以及國際非政府組織[4]如圖1所示。

圖1　國際空間安全相關(guān)機(jī)構(gòu)示意圖

參照上述機(jī)制定義，太空交通安全機(jī)制的概念為：為了實(shí)現(xiàn)人類安全利用太空、有序利用太空的目的，以已經(jīng)達(dá)成的外太空相關(guān)法律與條約為依據(jù)，在聯(lián)合國外空委框架內(nèi)，所建立的組織機(jī)構(gòu)與安全行為準(zhǔn)則的總和。

根據(jù)這一概念，按照現(xiàn)行交通法規(guī)的基本模式，太空交通規(guī)則運(yùn)行機(jī)制應(yīng)在外層空間委員會(huì)統(tǒng)籌下，建立準(zhǔn)則制定修改、空間監(jiān)視與裁決執(zhí)行三個(gè)委員會(huì)，每個(gè)委員會(huì)需要建立自己相應(yīng)的機(jī)制。其中，每種機(jī)制包括原則、規(guī)范、規(guī)則與決策程序等。

準(zhǔn)則制定修改委員會(huì)主要負(fù)責(zé)太空交通安全準(zhǔn)則的制定，以及隨著情況變化和需要而實(shí)施準(zhǔn)則的修訂。該委員會(huì)是太空交通安全機(jī)制的立法機(jī)構(gòu)。

由于監(jiān)視空間是一切空間活動(dòng)的基礎(chǔ)[5]，因此，需要成立專門的空間監(jiān)視委員會(huì)，根據(jù)準(zhǔn)則制定修改委員會(huì)規(guī)定的權(quán)利與義務(wù)，協(xié)調(diào)各國空間目標(biāo)探測設(shè)備以及擔(dān)負(fù)的探測時(shí)段與弧段，利用各國公布的發(fā)射情況，實(shí)施微小衛(wèi)星等空間目標(biāo)的信息獲取、信息處理與態(tài)勢(shì)描述，建立國際空間目標(biāo)公共數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，與空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)合作，定期發(fā)布太空交通狀況，支持裁決執(zhí)行委員會(huì)的執(zhí)法行動(dòng)。該委員會(huì)是太空交通安全機(jī)制的核查、監(jiān)察機(jī)構(gòu)。

裁決執(zhí)行委員會(huì)主要負(fù)責(zé)違反太空交通安全準(zhǔn)則情況的通報(bào)與處罰，并與空間監(jiān)視委員會(huì)合作，核查對(duì)處罰的執(zhí)行情況。該委員會(huì)是太空交通安全機(jī)制的執(zhí)法機(jī)構(gòu)。

太空交通安全機(jī)制，也可以擴(kuò)展到所有空間目標(biāo)與空間范圍，即可應(yīng)用于中、高軌目標(biāo)的管理。

五、結(jié)束語

本文在回顧微小衛(wèi)星發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過剖析其帶來的新挑戰(zhàn)，以及空間法存在的不足，界定了太空交通安全機(jī)制的概念，提出了建立這種機(jī)制的初步設(shè)想。太空交通安全機(jī)制，對(duì)于指導(dǎo)微小衛(wèi)星的健康發(fā)展及和平利用太空、安全利用太空具有重要現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)

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