面向空間環(huán)境治理的標準化需求研究

張杰, 夏亞茜

(北京空間科技信息研究所, 北京 100094)

1 引言

近年來, 隨著太空軍事化活動的加劇, 空間碎片數(shù)量急劇增長, 對航天器等空間物體造成的碰撞風險也在不斷攀升。 同時, 爆發(fā)式發(fā)展的低軌巨型星座加劇了空間秩序的失衡, 并且由于其巨大通信容量需求, 頻率競爭形勢極其激烈, 資源愈加稀缺。 蓬勃發(fā)展的外空事業(yè)的長期可持續(xù)性正面臨著嚴峻的風險與挑戰(zhàn): 一是空間環(huán)境惡化、 交通擁擠和空間碎片增多這些“成長的煩惱”日益突出, 為外空安全利用帶來不利影響;二是隨著外空戰(zhàn)略地位凸顯, 外空資源爭奪日趨激烈, 外空武器化趨勢明顯增強, 對外空安全和國際戰(zhàn)略格局影響日益顯現(xiàn)[1]。 為此, 美、 歐等先進的航天實體都已將空間環(huán)境治理視為外空規(guī)則制定的重要方面。

各國對空間資源的爭奪和太空環(huán)境急劇惡化, 對我國在軌運行的空間基礎設施也帶來越來越大的威脅, 使我國空間基礎設施的發(fā)展受到極大制約。 因此, 我國急需發(fā)展空間環(huán)境治理系統(tǒng), 保障空間基礎設施的安全運行, 為我國空間信息系統(tǒng)大發(fā)展提供保障。

2 空間環(huán)境治理概念內涵與現(xiàn)狀

習近平主席2021年9月在視察駐陜西部隊某基地時的講話中指出: “太空資產是國家戰(zhàn)略資產, 要管好用好, 更要保護好。 要全面加強防護力量建設, 提高容災備份、 抗毀生存、 信息防護能力。 要加強太空交通管理, 確保太空系統(tǒng)穩(wěn)定有序運行。 要開展太空安全國際合作, 提高太空危機管控和綜合治理效能?！?隨著外層空間擁擠、對抗、 競爭態(tài)勢加劇, 空間碎片、 航天器碰撞風險明顯增加, 太空治理日益成為國際關注的熱點問題。 中央準確把握當今世界全球治理體制變革的歷史轉折點和大趨勢, 強調“要不斷推動變革全球治理體制向更加公正合理的方向發(fā)展, 推動實現(xiàn)各國平等發(fā)展, 推動全球治理和國際關系的民主化、 法治化發(fā)展, 推動建設新機制新規(guī)則,加強國際社會應對全球性挑戰(zhàn)的能力, 推動全球治理理念、 繼續(xù)豐富打造人類命運共同體, 促進世界共同發(fā)展?！?由此可看, 發(fā)展太空環(huán)境治理既是“人類命運共同體和全球治理” 理念下空間系統(tǒng)發(fā)展的必然, 也是我國建設航天強國的急需, 更是我國爭奪國際話語權的有力武器。

當前國內外對空間環(huán)境治理概念方面開展了一些研究, 從研究內容來看, 空間環(huán)境治理的內涵主要包括太空交通管理和空間碎片移除兩個方面, 如圖1 所示。 太空交通管理, 是從源頭防治, 針對航天器采取的一系列措施; 空間碎片移除則是從末端治理, 針對空間碎片環(huán)境采取的一系列措施。

圖1 空間環(huán)境治理概念內涵Fig.1 Spatial environmental governance concept connotation

圖2 我國空間碎片標準構成Fig.2 Constitution of space debris standard in China

2.1 太空交通管理研究現(xiàn)狀

近年來, 太空交通管理成為各航天大國和聯(lián)合國等國際組織討論的熱點話題。 制定外空行為準則、 維護各自太空利益成為各國競相爭奪的重點。 國際航天界也逐步提出和發(fā)展了太空交通管理的概念和范疇。 太空交通管理的目標是確保太空運行安全, 減少日益惡化的太空環(huán)境對太空活動的負面影響, 降低在軌碰撞和干擾的風險, 確保航天器的安全運行和太空資源的高效利用。 因此, 太空交通管理的含義可以概括為: 為確保安全、 可持續(xù)的太空運行環(huán)境, 由管理者通過基礎設施、 管理技術/工具提供服務的方式, 基于相應的管理(法規(guī)/政策/標準), 對太空交通行為及其主體、 物理對象、 數(shù)據(jù)/信息等進行約束、協(xié)調、 指揮和控制的過程[2,3]。

基于此定義, 可以理解為太空交通管理的范圍分為發(fā)射、 在軌、 離軌三個階段。 發(fā)射階段主要是對發(fā)射活動的監(jiān)控等; 在軌階段主要是任務期間的碰撞預警以及規(guī)避等; 離軌階段主要是對位于近地軌道、 地球靜止軌道等各級軌道航天器的離軌管理等。

2.2 空間碎片移除技術研究現(xiàn)狀

自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來, 截止2020年底, 人類進行了約6000 余次航天發(fā)射,共將10680 余顆人造衛(wèi)星送入地球軌道。 其中,仍在軌的約6200 余顆, 在軌正常服役的約3800余顆。 目前已被各種編目的空間物體(在軌衛(wèi)星+空間碎片) 約28200 余個, 所有在軌空間物體質量總和超過9200t[1]。 為應對加速到來的低軌碎片“霧霾式大爆發(fā)” 可能帶來的“凱斯勒效應”, 各航天大國和國際社會都在持續(xù)關注空間碎片問題, 加大應對空間碎片危機的努力[4]。 其中, 空間碎片減緩和移除是最重要的舉措。 在空間碎片減緩方面, 從國際到國內, 都先后發(fā)布了一些政策法規(guī), 空間碎片減緩已經(jīng)從原來的“軟約束” 逐漸向“硬約束” 轉變。 而對于空間碎片移除來說, 其是當前航天能力建設的一個制高點, 是被列為“大國戰(zhàn)略競爭” 的頭等戰(zhàn)略要務, 也將是未來各航天大國能力體現(xiàn)的重要方面。 目前國際上在空間碎片清除方面, 歐空局的步伐相對比較快, 技術相對成熟。日本在此方面也積極參與。 美國在空間碎片移除方面報道相對較少, 但并不是沒有開展研究。

3 空間環(huán)境治理相關標準的現(xiàn)狀

3.1 國外空間環(huán)境治理相關標準情況

3.1.1 空間碎片相關標準

隨著空間碎片成為全球高度關注的領域, 國際組織及各國研究機構均積極致力于制定法規(guī)、準則、 指南、 標準等, 通過建章立制的方式, 約束空間探索、 開發(fā)和利用的行為, 減少和控制空間碎片的產生, 從而保護外太空環(huán)境與在軌航天器。 國際層面, 5 個空間碎片相關的文件成為國際公認的機制。 此外一些國際標準化組織、 國外著名的宇航研究機構、 區(qū)域性標準化組織也均在空間碎片領域積極地制定標準。

ISO 作為世界最權威的標準化組織, 發(fā)布了一系列關于空間碎片的標準、 技術報告。 最近,其標準按照新的開發(fā)框架進行了調整[5]。 截至目前, ISO 已發(fā)布、 在編的標準、 技術報告共計13項, 具體見表1。 其標準技術內容上主要以空間碎片減緩為主, 其標準的范圍與已有的國際空間碎片減緩指南, 特別是IADC 發(fā)布的文件完全一致, 目的是將國際認可的空間碎片減緩指南轉化成一系列可測量且可驗證的頂層要求及與之配套的具體方法或程序[6]。 美國政府層面發(fā)布了《美國政府軌道碎片減緩標準實踐》, 這是國家級空間碎片減緩技術指南, 并作為各政府部門制定空間碎片減緩要求的基礎。 此外, NASA 成立了專門的空間碎片項目辦公室, 該辦公室在環(huán)境模型、 防護等空間碎片研究領域處于國際領先水平。 各航天中心都設有安全與飛行保障辦公室,制定了一系列的相關標準、 手冊、 模型、 軟件等。 另外, 歐空局也很早就積極制定空間碎片相關的標準, 如PSS -01 -40 《安全政策防止碎片產生的特殊要求》、 《ESA 空間碎片減緩手冊》。

表1 ISO 空間碎片相關標準清單Table 1 List of ISO space debris related standards

3.1.2 航天領域電磁頻譜管理相關標準

作為國際權威電磁頻譜管理機構的國際電信聯(lián)盟(ITU), 在聯(lián)合國《外層空間條約》 《組織法》 等國際法規(guī)框架下, 在尊重各國主權的基礎上, 通過協(xié)調各種力量, 為完成“消除不同國家無線電臺之間的有害干擾及改進無線電通信業(yè)務中無線電頻譜及衛(wèi)星軌道的使用” 的目的而工作。 作為規(guī)則實施的監(jiān)管者和仲裁者, 對無線電頻率資源的管理分“規(guī)劃” 和“非規(guī)劃” 兩種。其標準分為以《無線電規(guī)則》 為主的規(guī)則體系和以建議書為主的技術文件體系。 《無線電規(guī)則》是ITU 依據(jù)聯(lián)合國《外層空間條約》 《組織法》等國際法規(guī), 建立的一套管理全球無線電業(yè)務的契約性法規(guī), 它對各類無線電業(yè)務的頻率劃分、衛(wèi)星軌道資源和頻譜資源的申請流程、 臺站間干擾的協(xié)調機制等內容進行了規(guī)定, 記錄了各國對頻率資源和衛(wèi)星軌道資源的使用情況, 是各國開展頻譜相關工作的法律依據(jù)[7]。

美國負責電磁頻譜管理領域標準制定的機構是美國國家標準學會(ANSI) 下屬的電信工業(yè)協(xié)會(TIA)。 TIA 制定的關于電磁頻譜管理的標準主要集中在電磁兼容性領域, 其中針對航天領域制定了TIA 411-1986 《Electrical and Mechanical Characteristics of Earth Station Antennas for Satellite Communications》、 TIA 1168-2009 《Terrestrial and Non-Terrestrial Mobile Multimedia Multicast based on Video Broadcasting for Handheld Devices Using Satellite, Terrestrial or Hybrid Networks Operating Below 3 GHz》 等一系列針對地面站和手持終端的標準,這些標準主要對地面站和手持終端的發(fā)射功率等技術要求以及電磁兼容性要求進行了規(guī)定。

在歐洲, 電磁頻譜的管理工作主要由歐洲郵政和電信管理委員會(CEPT) 負責, 但該領域的標準化工作主要由歐洲電信標準協(xié)會(ETSI) 負責。ETSI 成立了電磁兼容性和電磁頻譜工作組(ERM)專門負責該領域的標準研究與制定, 其中針對航天領域, ETSI 制定了ETSI EN 301489 《Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters(ERM); ElectroMagnetic Compatibility ( EMC)standard for radio equipment and services》 系列標準, 該系列標準對基于移動衛(wèi)星服務(MSS) 的移動地球站、 基于固定衛(wèi)星業(yè)務(FSS) 的甚小口徑衛(wèi)星終端站(VSAT) 和固定地球站等不同類型地球站及其組成設備的電磁兼容性測試條件、 評估方法、 指標要求等內容進行詳細規(guī)定。

3.2 國內空間環(huán)境治理相關標準情況

3.2.1 空間碎片相關標準

自“十一五” 開始, 我國積極推進空間碎片標準化研究工作, 開始建立我國自己的空間碎片專項標準體系。 隨著“十二五” 空間碎片專項工程的推進, 國內在空間碎片減緩與應急合作、 防護、 監(jiān)測、 預警和數(shù)據(jù)應用領域的研究不斷深入, 這對空間碎片標準體系的建設工作提出了進一步完善的需求, 在此期間, 通過借鑒國際空間碎片標準發(fā)展的最新情況, 以國內航天型號實際需求為基礎, 結合空間碎片研究成果, 對空間碎片標準體系進一步拓展、 深化, 形成以標準為牽引、 以規(guī)范為支撐, 涵蓋航天器和運載器兩方面的空間碎片標準規(guī)范體系[6]。

3.2.2 航天領域電磁頻譜管理相關標準

我國的電磁頻譜管理由工業(yè)與信息化部下屬的無線電管理局負責, 制定的標準涵蓋術語標準、 頻率使用標準、 干擾保護與測量標準、 干擾協(xié)調標準四部分。 術語標準屬于基礎標準, 主要包括電磁頻譜管理所涉及的管理術語、 技術術語等, 包括無線電臺站、 空間業(yè)務、 饋線鏈路、 頻率指配、 頻率占用率、 頻率共用等重要概念。 頻率使用標準、 干擾保護與測量標準、 干擾協(xié)調標準屬于實施層面標準, 其中頻率使用標準主要涉及各業(yè)務頻段的分配、 不同通信業(yè)務之間的頻率共用、 通信系統(tǒng)的技術參數(shù)等內容; 干擾保護與測量標準主要涉及各業(yè)務的干擾包含要求、 類干擾的測量方法等內容; 干擾標準主要涉及對有害干擾的協(xié)調和處理原則、 實施細則等內容。

4 空間環(huán)境治理標準體系框架構想

4.1 空間環(huán)境治理標準需求分析

從空間環(huán)境治理的概念來看, 空間環(huán)境治理的任務主要包括空間態(tài)勢感知、 航天發(fā)射管理、航天器日常在軌活動協(xié)調與調度、 航天器返回再入與離軌管理、 空間頻率資源與軌道管理、 空間天氣預報、 應急事件處置等[8], 就空間環(huán)境治理的任務和能力需求來開展標準需求分析:

(1) 空間態(tài)勢感知: 主要聚焦空間態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)共享與互操作, 其數(shù)據(jù)主要包括空間碎片和在軌目標的監(jiān)測與登記、 空間碎片模型的建立、 空間碎片模型的長期演化、 觀測數(shù)據(jù)的共享等內容, 涉及的標準主要包括空間物體登記標準、 空間目標監(jiān)測數(shù)據(jù)標準(含數(shù)據(jù)格式、 數(shù)據(jù)架構、 數(shù)據(jù)采集與分發(fā))、 空間碎片建模標準等;

(2) 航天發(fā)射管理: 主要聚焦發(fā)射安全管理與監(jiān)控方面, 涉及內容有航天器、 運載器等發(fā)射, 涉及的標準包括發(fā)射窗口、 發(fā)射監(jiān)控、 發(fā)射風險預警等方面的標準;

(3) 航天器日常在軌活動協(xié)調與調度: 主要聚焦太空交通管理中的航天器協(xié)調與控制, 包括任務規(guī)劃、 航天器指揮控制與調度等內容, 涉及的標準包括航天任務規(guī)劃標準、 航天器變軌標準、 航天器在軌預警標準、 航天器碎片減緩標準等;

(4) 航天器返回再入與離軌管理: 主要聚焦包括地球靜止軌道、 近地軌道、 中軌道等航天器的離軌管理, 涉及的標準主要包括航天器離軌標準、 航天器再入預報標準、 任務后處置標準等空間碎片減緩類標準;

(5) 空間頻率資源與軌道管理: 主要聚焦航天器在軌期間的頻率管理、 頻率與軌道申請, 涉及的標準包括空間頻譜管理標準、 頻率軌位資源申請標準、 頻譜干擾和頻率再用標準等;

(6) 空間天氣預報: 主要聚焦空間氣象環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)、 氣象探測等內容, 涉及的標準主要包含空間氣象數(shù)據(jù)標準、 空間天氣探測標準等;

(7) 應急事件處置: 主要聚焦航天器在軌安全規(guī)避、 空間碎片清除等方面內容, 涉及的標準主要包含航天器在軌避讓標準、 空間碎片清除標準等。

4.2 空間環(huán)境治理標準體系框架

通過進行標準需求分析, 結合空間環(huán)境治理各任務涉及的標準內容, 可以將涉及空間物體登記、 軌道信息交換等內容合并, 專門設置為基礎標準, 含術語、 空間物體登記、 軌道信息交換;將空間天氣預報內容合并入空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)中, 將應急事件處置修改為空間事態(tài)處理與環(huán)境修復標準, 分為空間碎片防護, 空間碎片清除,將在軌規(guī)避標準調整至在軌協(xié)調與調度板塊, 由此提出空間環(huán)境治理標準體系框架主要包含基礎標準、 空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)標準、 航天發(fā)射管理標準、 航天器在軌協(xié)調與調度標準、 頻率軌道管理標準、 航天器任務后處置(包括離軌和再入) 標準、 空間事態(tài)處理與環(huán)境修復標準等7 個板塊如見圖3 所示。

圖3 空間環(huán)境治理標準體系框架初步設想Fig.3 The framework of space environment governance standard system is preliminarily envisaged

5 結束語

空間環(huán)境治理涉及空間態(tài)勢感知、 空間碎片管控、 數(shù)據(jù)共享、 交通規(guī)則制定、 國際監(jiān)管與協(xié)調等多方面, 已觸及太空控制權問題,日益受到關注。 作為人類競爭的新疆域, 國際空間競爭不僅是技術和工程能力競爭, 更是國際規(guī)則的競爭, 但國際社會尚缺乏有效的空間環(huán)境治理標準體系, 也尚未出臺有效的國際法律和政策。 盡早開展空間環(huán)境治理標準體系研究和規(guī)劃, 對于掌握國際話語權、 體現(xiàn)大國地位, 展現(xiàn)中國在空間環(huán)境治理領域的大國形象具有重要意義。