空间碎片碰撞预警国际标准

李大卫 陈凯 刘静（ 中国科学院国家天文台 北京强度环境研究所）

空间碎片碰撞预警国际标准

李大卫1陈凯2刘静1（1 中国科学院国家天文台 2 北京强度环境研究所）

目前，空间碎片受到多方面关注，空间碎片的碰撞预警与应用的研究从科研领域逐渐走向成熟的工程应用。伴随碰撞预警工作工程化进程，需要加强整个碰撞预警流程的各个环节的规范性。国际上正积极制定空间碎片碰撞预警相关标准，了解这些标准对我国的碰撞预警标准化工作与国际合作有积极参考意义。本文调研了国际上两个主要的空间碎片标准制定组织，介绍了这些组织的职能、组织结构、出版物等。此外，本文对碰撞预警相关国际标准进行了全面的解析，包括碰撞预警的流程、碰撞概率的基本计算等技术方法、影响规避决策的要素、交会数据信息等内容。

1 引言

随着航天活动广泛开展，空间环境保护受到越来越多方面的关注。2002年空间碎片协调委员会（IADC）发布了《空间碎片减缓指导方针》。2007年IADC对《空间碎片减缓指南（2002）》进行了补充修订。2008年，美国通过联合国和平利用外太空委员会（COPUOS），发布了另外一份《空间碎片减缓指导方针》。这两份指导方针在内容保持了一致性，并为空间碎片国际标准奠定了基础。然而，空间碎片碰撞规避方面的国际标准则相对欠缺。

航天数据系统咨询委员会（CCSDS）于2013年6月发布了交会数据信息（CDM）标准，旨在规范交会数据的内容与格式，为数据供需双方传递交会信息提供方便。国际标准组织（ISO）下属的第20技术委员会（TC20）制定的《空间碎片碰撞规避》技术报告，包含了空间碎片碰撞预警的流程、碰撞概率的基本计算等技术方法、影响规避决策的要素等技术内容。

ISO及ISO国际标准制定过程

ISO是国际标准制定与发布组织，为行业生产、服务、实践等提供先进的规范，促进行业高效运作。ISO成立于1947年，现已开发了超过19500份国际标准，几乎涵盖了技术与商业领域的各个方面。目前，ISO共有114个正式成员机构，45个通讯成员机构以及8个订阅成员机构。我国以中国国家标准化管理局的名义参加ISO的工作。

ISO的标准由技术委员会（TC）的专家负责编写，每个技术委员会负责一个相对独立的方向。目前，ISO有超过250个技术委员会。其中，第20技术委员会（TC2O）代表航空航天技术委员会，其下属的第14分技术委员会（SC14）负责航天系统及其应用。TC20／SC14包含7个工作组，这些工作组共同负责起草和制定与空间碎片有关的国际标准。其中空间碎片工作组同时负责空间碎片方面的协调工作。我国是第14分技术委员会的积极成员。

ISO国际标准的制定需要经过6个阶段：第一阶段是提案阶段，提出新的工作项目提案；第二阶段是准备阶段，起草标准工作草案，形成初版委员会草案或公用规范；第三阶段是委员会阶段，制定委员会草案，形成国际标准草案或者技术规范；第四阶段是征询阶段，制定国际标准草案，形成最终的国际标准；第五阶段是批准阶段，形成国际标准定版文档；第六阶段是发布阶段，形成最终的国际标准。其中第一、二、四、六个阶段是必要阶段。

航天数据系统咨询委员会介绍

航天数据系统咨询委员会（CCSDS）成立于1982年，是由国际上主要航天机构组成的论坛，讨论航天数据系统的开发与运营中的常见问题。目前，CCSDS有11个成员机构，28个观察员机构，以及151个合作机构，中国国家航天局是CCSDS的成员机构之一。

CCSDS同时也是ISO TC20/SC13分技术委员会，负责制定空间数据与信息传输系统相关标准。CCSDS正式发布的标准，若被ISO接收，则直接成为委员会投票通过的国际标准草案（DIS）。

CCSDS发布的标准涉及6个领域，每个领域又细分成多个工作组：系统工程领域（SEA）、任务操作与信息管理业务（MOIMS）、横向支持业务（CSS）、星载接口业务（SOIS）、空间链路业务（SLS）、空间网络业务（SIS）。

国际空间碎片标准概况

ISO于2011年发布了ISO 24113《空间碎片减缓需求》。ISO 24113是顶层的空间碎片减缓标准，它包含了一系列切实有效的空间碎片减缓措施，并且易于通过商业合同、国家强制规范等方式来实现。ISO24113提出的减缓措施主要涉及以下几个方面：避免航天器在正常工作过程中释放空间碎片；任务结束后将航天器从GEO与LEO区域清除；避免航天器在轨解体事件；陨落风险评估。ISO还开发了一系列辅助标准，细化了ISO 24113标准。在ISO 24113及其附属标准之外，ISO正在开发有关空间碎片的碰撞防护方面的一系列标准。

ISO 16158《在轨目标碰撞规避》技术报告，介绍了碰撞风险评估及规避的流程与主要技术方法。该标准已于2013年底发布。

CCSDS的《交会数据信息（CDM）》标准，介绍了空间碎片预警单位与卫星运营单位之间交会数据信息的内容标准与格式标准。CCSDS是在ISO 16158内容的基础上建立的。目前该标准是CCSDS正式发布标准，同时也是ISO国际标准草案，即将进入国际征询阶段。

2 碰撞预警国际标准

目前公开的ISO/CD 16158技术报告，介绍了碰撞规避工作的工作流程、数据需求、碰撞预警以及规避等方面内容。

碰撞预警的顶层流程

碰撞预警与规避计算的工作流程

整个工作流程的输入为交会分析综合信息，包括轨道根数信息、轨道质量信息、卫星属性信息等。综合数据由卫星运营单位、观测单位提供或通过互联网获取。其余可选择的输入信息还包括：卫星的尺寸、质量、几何形状、和工作状态等。碰撞概率计算主要的步骤包括：输入数据、初始筛选、近距离交会筛选、碰撞概率计算与生存概率计算。碰撞预警与规避的顶层工作流程图。

危险交会筛选方法

1）输入轨道数据与数据筛选：交会计算的输入数据包括轨道信息与轨道的不确定性信息。在轨道预报中，随着预报期增加，预报精度下降。不建议使用预报期超过7天的轨道根数做交会计算，因此，在交会计算前，需要排除掉预报期超过7天的轨道根数。

2）初始筛选：去掉两颗卫星之间重复的交会计算；排除不可能发生的交会，如两颗同步卫星的经度相差180°。

为了进一步排除不会发生的交会的卫星，减少计算总量，还采用以下几种筛选算法：直接筛选法、环形筛选法、体筛选。

碰撞风险评估与规避

初始筛选的结果不足以给出碰撞风险，下文介绍用于判断卫星是否遭遇高碰撞风险的方法。首先要判断两颗卫星是否真的足够接近，即判断这次交会是否是近距离交会，考虑因素有卫星尺寸、碰撞后果、定轨与预报精度等。

（1）卫星的危险区域

卫星的危险区域指围绕在卫星周围的区域。这个区域的形状由卫星运控方提供，该区域的形状与卫星的尺寸、碰撞后果、轨道确定和预报的误差等因素有关。危险区域的形状通常可以分成对称区域、非对称区域两类。

（2）碰撞概率计算

碰撞概率是交会的两颗卫星发生碰撞的概率密度函数在卫星尺寸上的积分。因此，计算碰撞概率的要素包括：交会距离、目标尺寸、协方差矩阵。

卫星轨道误差包含系统误差与测量误差，轨道误差由3×3协方差位置矩阵来表征。当相对速度较大时，可以将交会的相对运动近似为直线运动；若交会速率远小于相对速度，那么交会的路径为曲线，如地球静止轨道卫星的交会就是这种情况。

计算协方差椭球到交会平面的投影前，先将协方差椭球归算到对称的球形空间中，再投影到二维平面上，代入碰撞概率计算公式。

（3）最大概率计算

碰撞概率的计算要素包括：卫星的外部结构、姿态、瞬时轨道、轨道协方差等。以上信息通常是不完整。此外，统计定轨所采用的模型、样本量、采样频率等可能不完全匹配，使得协方差矩阵计算不准。上述因素都会影响碰撞概率计算结果的准确性。为了降低此类影响，在碰撞概率信息不完整时，建议采用最大概率替代碰撞概率。

（4）概率中的危险区域分析

另外一种解决碰撞概率计算要素不足的方法是分析危险区域，即详细地研究危险区域尺寸与形状，使危险区域能够包含尽可能多的大概率交会事件。选择大且保守的危险区域，计算得到的大碰撞概率事件多，虚警率也高。选择小的危险区域，虚警低，大碰撞概率事件少。通常情况下，建议采用保守的危险区域，以免漏警。

1）生存概率计算。碰撞规避的目标是保证卫星在指定时间段内安全。卫星在指定时间段内安全的概率就是生存概率。生存概率可以用来辅助规避决策，包含：危险交会变化趋势、累计碰撞概率和贝叶斯估计。

·危险交会变化趋势。危险交会的变化趋势是指两颗卫星在指定时间内主要交会参数的变化情况。最近距离降低，碰撞概率增大，是危险交会的特点。但如果在整个交会预报过程中，只有一次小距离大概率交会结果，这一次危险交会预报的可信度相对较低，所预报的交会很可能不会发生。

·累计碰撞概率。累计碰撞概率是指一个卫星在指定时间段内所受到的碰撞威胁总和，用来分析一个卫星的生存概率。在一段时间内，卫星可能受到多次碰撞威胁，即使单次危险交会没有超过阈值，但累计多次交会很可能超过阈值。

·贝叶斯估计。贝叶斯估计利用条件概率的基本原理，能够系统地评估多因素事件的概率。碰撞事件也是一个多因素事件，其主要影响因素包括交会距离、指定时间段内的最大概率、轨道误差等，附属因素包括：卫星是否有机动能力、碰撞后果、剩余燃料等。贝叶斯估计碰撞概率模型能够解释如下的现象：部分卫星经常发生近距离交会，但不会发生碰撞。贝叶斯估计中，影响因素与发生碰撞的概率之间的关系可以通过经验模型与统计结合的方法来确定。尽管贝叶斯估计算法能够评估出多因素条件下的碰撞风险，但缺点是物理含义不明，不能明确揭示碰撞风险原因，也不能给出风险减缓的指导意见。

2）规避的影响因素。影响规避决策的要素还包括：机动能力、航天器特征、轨道数据质量、碰撞后果评估等。

CDS数据要素表

·轨道数据质量。不同轨道数据的数据质量是不同的，即使用相同来源的数据，也会因观测设备误差、观测频率不同，而造成数据质量的差异。因此，提供轨道数据的同时需要提供相应的数据质量信息。

·碰撞后果评估。碰撞规避后果评估包括两个方面，一是评估碰撞发生以后，空间碎片的增量；二是评估碰撞规避对空间交通的影响。

·机动能力。尽管机动能力本身不是决定性因素，但交会双方是否能够机动是非常关键的信息。机动消耗了推进能量，而这些能量原本用于轨道保持、姿态调整、任务结束后的弃置等任务。因此，规避机动前，需要考虑规避是否会影响卫星的上述任务。

·航天器特征。航天器的尺寸、几何形状、姿态调整能力都是要考虑的。大型航天器通常配置大型太阳帆板，这类航天器的横截面上有很多间隙。计算碰撞概率时，这些间隙的面积也应包含到航天器的横截面积中。

3 国外交会数据标准

1）目前已在ISO 16158的基础上，编写了交会数据推荐标准《交会数据信息（CDM）》。该推荐标准的目的是：方便交会事件的操作，确保预警发起者与卫星所有者/运营者双方的交会结果一致；促进碰撞交会自动化计算；提供关键交会信息，确保及时做出交会评估风险以及碰撞规避决策。

该推荐标准用于规范与促进卫星交会评估的发起者与接收者之间的交会数据交换，适用于卫星在任何工作环境中所遭遇的近距离交会以及碰撞。交会信息包含最近距离、碰撞概率，交会时间、最近相对位置与相对速度等信息。

2）交会数据信息内容。CCSDS的《交会数据信息》标准规定每个CDM文件包含两个空间目标的一次交会事件。CDM文件中包含数据头、相对元数据/数据、元数据、数据、注释信息几个部分。上述信息又分为必要信息与可选信息。

3）交会数据信息格式。交会数据信息可以用纯本文或者XML编码，这两种编码可以互相转换。XML是可扩展标记语言，具有良好的可扩展性，内容与形式的分离，遵循严格的语法要求，便于不同系统之间信息的传输，使用周期长。

国内外碰撞预警与规避技术标准对比

4 与国际碰撞预警技术标准与数据标准对比

（1）碰撞预警技术对比

通过对比可见，在卫星危险区域分析、碰撞规避与碰撞后果评估方面，我国的碰撞预警流程仍能做进一步细化完善。

（2）交会数据对比

CDM标准与我国目前的碰撞预警结果在内容上的区别有四点：

·目标危险区域表示方法。CDM定义了多种危险区域的形状。通常我们将碎片的危险区域设为目标的大概尺寸，默认为危险区域为球形。

·体现多种碰撞概率算法。目前国际上存在多种碰撞概率计算方法，CDM能够明确体现出不同的碰撞概率计算方法。CCSDS下属的网站上，注册了14种碰撞概率计算算法。国内通常选用历史统计误差来定义误差椭球，采用单一的碰撞概率计算方法，不在碰撞预警结果中特别说明。

·卫星属性信息。CDM中列出的卫星属性信息，如卫星是否能够机动等。卫星的机动能力是规避决策的重要影响因素之一。此类卫星属性信息目前尚未纳入到我国的碰撞预警结果中。

·定轨参数与附属参数。在交会结果中明确写出定轨参数与附属参数，既有助于避免因轨道根数类型不同而造成的交会结果不同，还便于在后续的规避分析中选择正确的预报模型。CDM中的协方差数据，还能够反映出碰撞预警结果的可信度。碰撞预警报告中通常不包含这一类信息。

5 小结

为了促进我国碰撞预警的标准化与国际合作，以下方面的工作需加以完善：

1）碰撞预警流程的国际标准中包括了碰撞规避分析，CCSDS提出的数据标准中，也列出了辅助规避决策所需要的数据。目前，国内的碰撞预警通常以危险交会报告作为预警的结束，碰撞预警与规避决策是两个相对独立的工作。碰撞预警与规避决策分析的主要输入都包含了轨道根数等信息，在数据与计算方面存在重复，将两者统一起来，有助于完善碰撞预警结果，同时，也助于避免因数据不一致造成的分歧和重复计算。

2）加强碰撞后果的分析，如碰撞解体事件发生后，二次解体、多次解体事件对空间环境的影响。

3）危险交会信息的方面，国内外数据主要内容基本一致。CDM能够更好的兼容计算机之间的交互、多种碰撞概率的计算方法。我国的交会报告通常关注交会计算输出的结果，如交会时间、交会距离、碰撞概率等，省略危险交会的输入数据信息。这类输入数据（如轨道根数、定轨相关参数、协方差、机动能力等）能够帮助交会信息接收一方掌握交会结果的可靠性，同时，便于交会信息的接收方做进一步分析。