空間碎片與空間交通管理

江海,劉靜

(1.中國科學(xué)院國家天文臺,北京100012;2.國家航天局空間碎片監(jiān)測與應(yīng)用中心,北京100012)

1 引言

隨著科技的不斷進步,航天技術(shù)在越來越多的方面引領(lǐng)著科學(xué)研究、經(jīng)濟形勢、社會生活的發(fā)展,太空作為人類新的活動疆域,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,空間交通亟需進行管理。

截至2019年初,估計地球附近由人造物體形成的空間碎片規(guī)模已超過7000噸,其中能被美國空間監(jiān)測網(wǎng)編目的空間物體數(shù)目超過2.3萬個,對外公開編目的空間碎片數(shù)量超過1.8萬個,據(jù)模型估計能對在軌運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70萬個。

2 空間交通現(xiàn)狀

2.1 小衛(wèi)星和大型星座迅速發(fā)展

隨著科技的不斷進步,進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的趨勢。

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)”。美國航天基金會在2014年6月發(fā)布的 《2014年航天報告》中指出,未來幾年小衛(wèi)星將占據(jù)更多的市場份額。

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

未來各種大型星座計劃將廣泛開展,表1統(tǒng)計了目前公布的大型衛(wèi)星星座計劃。根據(jù)對照歷史數(shù)據(jù)并參照衛(wèi)星發(fā)展計劃,分析了未來幾年小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的預(yù)估,估計未來10年發(fā)射的小衛(wèi)星的總數(shù)將超過1萬顆,這些發(fā)射到空間的小衛(wèi)星星座將會對空間的在軌空間物體造成極大的碰撞風(fēng)險。

表1 衛(wèi)星星座發(fā)射計劃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

自人類進入太空以來,共發(fā)生了200多次在軌解體事件。近年來空間碰撞事件發(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與在軌航天器之間產(chǎn)生成千上萬次的近距離交會。

解體事件產(chǎn)生的碎片還會繼續(xù)在軌道中運行相當(dāng)長的一段時間。一些主要的航天機構(gòu)都建立了碎片演化模型對空間碎片未來的分布情況進行了仿真,結(jié)果表明即使在不再發(fā)射的前提下,未來空間碎片還會繼續(xù)增長。圖2給出用NASA的LEGEND模型仿真的未來不再發(fā)射、未來繼續(xù)發(fā)射不進行任務(wù)后處理和未來繼續(xù)發(fā)射并進行90%的任務(wù)后處理的三種不同條件下的結(jié)果。結(jié)果表明即使未來沒有任何新的發(fā)射,不斷增長的空間碎片將導(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)測未來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)國際規(guī)則

從國際外空規(guī)則制定來看,目前多個組織積極推動國際規(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)系的國際法規(guī)主要有:聯(lián)合國 《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; 《外空活動長期可持續(xù)性準(zhǔn)則》討論一些空間交通管理的實施相關(guān)內(nèi)容。目前國際上對空間碎片規(guī)則正在逐步深入制定,下面將分別介紹。

3.1 聯(lián)合國 《空間碎片減緩指南》

機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會 (IADC)將空間碎片減緩定義為 “通過與給定空間飛行任務(wù)的設(shè)計、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。”碎片減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)計和發(fā)展以及發(fā)射、操作和處置階段。

聯(lián)合國 《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)合國外空委員會提交并通過聯(lián)合國大會決議。

除了航天器設(shè)計和鈍化要求外,減少碎片的關(guān)鍵是從某些軌道,即所謂的 “受保護的軌道區(qū)域”,移除任務(wù)結(jié)束后的衛(wèi)星。對于低地球軌道區(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)險小于10-4不受控再入,最后是再回到2000km上方。對于GEO區(qū)域,建議非常相似,將任務(wù)后衛(wèi)星機動到地球同步軌道高度保護區(qū)的±200km之外,相應(yīng)的機動要求較低,需要11 m/s的δ-V(對應(yīng)于300km,超過IADC但符合國際電信聯(lián)盟的規(guī)定),這相對于用于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)合國是 《外空透明度與建立信任措施》(TCBM)進程的主要推動者。聯(lián)大決議中強調(diào)了增強外空活動透明度的必要性,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)合國秘書長設(shè)立了政府專家組,對 “外空透明與建立信任措施”進行研究,并于2013年向第68屆聯(lián)大提交了最終報告,美、俄、中等主要空間國家均支持并積極參與該進程。聯(lián)合國和平利用外層空間委員會確定了能夠提高空間操作安全和利于空間活動的長期可持續(xù)性的建議。

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

(1)外層空間自然災(zāi)害預(yù)測信息的交換;

(2)可能會對其他空間物體的飛行安全造成威脅的飛行機動的通知;

(3)通知和監(jiān)控不受控制高風(fēng)險再入事件;

(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制性本質(zhì)的透明度和建立信任措施,但外層空間活動措施是不具法律約束力的措施,應(yīng)補充現(xiàn)有關(guān)于外空活動的法律框架。聯(lián)合國大會將決定如何進一步推進TCBM,并為其提供包括參照和平利用外層空間委員會、裁軍審議委員會和裁軍談判會議審議的上述建議的一般考慮和支持的建議。此外,該組織建議成員國采取措施,盡可能落實由和平利用外層空間委員會和聯(lián)合國大會一致同意的基礎(chǔ)上簽署的原則和指導(dǎo)方針。

3.3 外空活動長期可持續(xù)性準(zhǔn)則

外空活動長期可持續(xù)性議題 (LTS)是在法國的推動下,于2010年2月正式列入聯(lián)合國外空委科技小組委員會議程,并設(shè)立了外層空間活動的長期可持續(xù)性工作組。該工作組的目標(biāo)是確定與空間活動長期可持續(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)勢感知的工具;(3)空間天氣;(4)在空間領(lǐng)域的行動者的監(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)管機制、國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,對空間活動開展的信息和專業(yè)知識更容易交流采取措施,還有通過政府和非政府機構(gòu)的研究和開發(fā),以促進長期可持續(xù)的空間活動。在監(jiān)管機制方面,指導(dǎo)方針本質(zhì)上要求通過采納監(jiān)管框架和促進預(yù)定的自愿措施來增強空間活動安全和可持續(xù)性。

在國際合作框架下,該指導(dǎo)方針提倡增強技術(shù)合作,包括遵從不擴散的規(guī)范和原則的技術(shù)轉(zhuǎn)移,以及給予發(fā)展中國家必要的技術(shù)支持以進行能力建設(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際合作的重要組成部分。最后兩個準(zhǔn)則要求開展空間活動合適的管理實體,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,可作為各國開展相關(guān)工作的基礎(chǔ),后續(xù)工作還在持續(xù)推進中。

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,用以提升在進入外層空間、在外層空間運行以及從外層空間返回地球時的安全性,免遭物質(zhì)的或電磁波的干擾。

空間交通管理與空間態(tài)勢感知密不可分,空間態(tài)勢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)勢感知的成果體現(xiàn),最終的目標(biāo)都是為了維護外空和平、安全和可持續(xù)發(fā)展。

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

4.1 美國的發(fā)展歷程

2004年,美國國防部、NASA和美國聯(lián)邦航空管理局聯(lián)合設(shè)計并發(fā)布了航天器運營商的運營理念,詳細(xì)介紹了一個如何能為了處理我們今天看到的擁擠的和競爭的空間的目的,而把不同的機構(gòu)放到一起的空間和空中交通管理系統(tǒng) (SATMS)。

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

圖4 美國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,特朗普政府時隔24年重啟航天委員會,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)國防部的空間目標(biāo)編目,為公眾和私人實體提供基本的空間態(tài)勢感知服務(wù),使得軍方能夠?qū)Ｗ⒂诒Ｗo和捍衛(wèi)美國太空資產(chǎn)安全。新政策還將鼓勵商業(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),以便在國內(nèi)實施并在國際上得到推廣,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。這項政策正在逐步完善。

4.2 其他國家的情況

近年來,歐盟也開始推進空間交通管理相關(guān)工作。2008年,歐盟制定的 《歐洲外空活動行為準(zhǔn)則》逐步演變?yōu)?《國際外空活動行為準(zhǔn)則》。經(jīng)過幾次修改,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;外空活動的安全、保障和可持續(xù)發(fā)展;合作機制;組織方面四大部分,共分為10個小節(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。盡管美國已同意歐盟推薦的概述的原則,但是它們的實現(xiàn)方法可能會妨礙美國國家安全的措施,雖然歐盟進行了多年的努力,但取得的進展非常少。其他國家和商業(yè)實體在發(fā)展STM能力中也取得了長足進步,但都沒有能夠進入一個成熟的規(guī)劃階段。

5 我國應(yīng)對的建議

目前國際上的空間交通管理研究還處在起步階段,但已經(jīng)成為國際熱點。我國開展空間交通管理實施時,首先需要加強國家監(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;其次要積極推進空間碎片監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提升空間態(tài)勢感知能力,并加強法律問題研究,積極參與外空國際規(guī)則制定;還應(yīng)依托碎片中心等實體機構(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、數(shù)據(jù)交換、避碰協(xié)調(diào)等方面開展實質(zhì)性國際合作,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,推動我國空間交通管理能力不斷發(fā)展壯大。