由微小卫星引发的太空交通安全机制探讨

2015-07-18长春理工大学耿歌

卫星应用 2015年5期

● 文|长春理工大学耿歌

由微小卫星引发的太空交通安全机制探讨

● 文|长春理工大学耿歌

随着微小卫星的发展，传统卫星及载人空间站等航天器在轨运行的生存环境日益恶化，而在轨航天器的空间安全是卫星应用的重要保障条件之一，因此，本文从微小卫星发展的基本情况入手，简要回顾了微小卫星的发展情况，研究了微小卫星的发展可能带来的太空安全挑战。通过分析现有外层空间法及其适用范围，剖析现有外层空间法存在问题及不足，阐述了建立太空交通安全机制的必要性。在此基础上，界定了太空交通安全机制概念，提出了建立这种机制的初步设想。

一、微小卫星发展概况

自20世纪80年代中期兴起的微小卫星，也称为现代小卫星，通常分为小卫星、微卫星、纳卫星与皮卫星等，每类卫星的功能相近，但质量差别在一个数量级左右[1]。微小卫星具有体积小、轨道低、重量轻、成本低和研发周期短，以及应用范围广等众多优点，既可以应用于科学研究、技术验证，也可以应用于空间探测、卫星通信和对地观测等领域。因而，受到了世界各国的高度重视。

近年来，微小卫星发射的数量稳中有升，并且呈现出井喷式增长势头。以2013年为例，全年共成功发射1000kg以下小卫星146颗，占年发射总量的70%。相较2012年同比增幅达148.28%。另外，2013年还有1颗小卫星发射失败，41颗计划发射的小卫星因故推迟[2]。

一体化多功能结构与高度集成化的电子技术，以及一箭多星的发射能力，促进了微小卫星的小型化、编队化的发展。例如，2013年11月，美国和俄罗斯相继完成“一箭二十九星”和“一箭三十二星”发射；2014年1月，美国成功完成了“一箭三十四星”发射；2014年5月4日，美国商业太空发射公司采用卫星母船方式，一次性投放104颗名为“小妖怪”的微型卫星。

二、微小卫星对太空安全形成的挑战

如果说高轨轨道资源已经十分紧缺的话，微小卫星的这种超微化的发展趋势与编队化及运用模式，使得本来尚未显得紧缺的低轨轨道资源也紧俏起来，进而带来诸多新问题。

微小卫星及其编队所具有体积小、数量多、密度大与轨道低等不同于大卫星的特点，恰恰对空间安全构成了严重威胁。

一是体积小，因探测困难而不易提供碰撞预警信息。既然是微小卫星，首先是体积小。例如，由德国柏林技术大学研制的Tubsat-N纳卫星尺寸为 32cm×32cm×10.4cm, Tubsat-N1的尺寸为32cm×32cm×3.4cm。皮卫星尺寸更小，例如美国的STENSA皮卫星尺寸为5.8cm×5.8cm×5.8cm，MEMS皮卫星尺寸为10.2cm×7.6cm×2.5cm[1]。而“小妖怪”卫星的体积只有几个拇指般大小。

我们知道，探测轨道目标的雷达系统或光学系统，它们的作用距离都与目标尺寸的大小有关。以雷达为例，雷达作用距离与目标有效散射面积之间是四次方关系，也就是说目标有效散射面积越大，作用距离越远。而上述纳卫星的几何面积不足0.1m2，皮卫星的几何面积仅为0.003m2，至于“小妖怪”这种超级微小卫星的就更小了。这些目标大小不仅处于现有雷达的瑞利区使其有效散射面积偏小并起伏大，且由于编队飞行存在多目标引起的多路径效应而进一步降低雷达探测能力。因此，无论是大卫星与微小卫星编队的碰撞预警，还是不同微小卫星编队之间的偏碰撞预警，以及微小卫星编队内部成员之间的碰撞预警，由于微小卫星的体积小，都将面临“看不见”或“看不清”带来的难题。

二是数量多，因覆盖空间范围大而使其与其他空间目标碰撞的概率增大。微小卫星编队是群目标的一种特例[6]，编队飞行是微小卫星运用的基本形式。所谓编队飞行是指一组微小卫星在各自轨道上运行的同时，相互间保持一定的相位和距离，编成具有某种多边形的队形[3]。微小卫星位于多边形的顶点，并围绕某一主星（或虚拟一主星作为基准点）在轨道上飞行。卫星编队飞行的目的是为了在功能上相当于一颗大的“虚拟卫星”。相较于大卫星传感器而言，由于微小卫星的平台小，故其传感器载荷也小，并且有些情况下需要对感兴趣的目标或区域实施立体观测，所以，这种编队需要的微小卫星数量很大，又因为微小卫星编队的成员之间需要一定的间距，因此，一个微小卫星编队将覆盖很大的空间范围，进而引起与其他空间目标碰撞的概率增大。

三是密度大，易于发生自身连锁碰撞而产生更小、更加不易探测的碎片。微小卫星编队和卫星星座的不同点在于：卫星星座为稀疏分布，各卫星之间的距离大约是轨道半径量级，即几千千米，而微小卫星编队属局部密集型星座，微小卫星之间的距离比轨道半径小若干个数量级，一般小于几十千米，甚至仅为几米[3]。因而，如此之小的间距，诸如空间环境变化等意外情况都可能引起彼此之间的碰撞。本来就已经很小的微小卫星，一旦发生连锁碰撞，碎片的数量及其尺寸都是难以预料的，探测起来将更加困难。

四是轨道低，对入离轨卫星及低轨卫星形成威胁，并且将进一步占用拥堵的轨道资源。对于微小卫星编队来说，构成特定队形的微小卫星协同工作，目的是共同实现如虚拟孔径、虚拟遥感和虚拟雷达等特定功能，而且其所携带的传感器口径或孔径不可能很大，因而它们的轨道高度不会很高。例如，1998年7月7日德国使用俄罗斯的Shtil火箭从水下潜水艇发射成功的Tubsat-N、N1纳卫星，其轨道高度为400～771km。

综上所述，微小卫星的发展在给人们带来极大便利的同时，也对空间安全构成了极大挑战。

三、国际空间法现状

人类的活动进入太空，必然会在这一领域引起各种冲突。早在20世纪30年代初，人们就开始研究使用某种制度调节各国太空活动。然而1957年苏联发射人造卫星才真正揭开了太空时代的序幕，那么，如何协调各国在太空的关系，避免太空像陆地一样被视为人类激烈斗争的场所，成为一个重要的现实问题。

尽管现有空间法律、条约基本上对太空非军事化、航天器非武器化、禁止在外层空间部署大规模毁灭性武器，以及无线电业务和通信不得受到有害干扰，乃至发射物体坠落物的赔偿与归属等，都进行了规定与约束。但是，到目前为止，并没有任何一款国际性法律或条约，规范航天器安全运行。如果说微小卫星大规模发展以前，这个问题尚不十分突出的话，那么，目前微小卫星的发展使太空交通安全立法问题提上日程。

四、太空交通安全机制研究

关于机制，美国学者斯蒂芬·克拉斯纳给出了这样的定义：“国际机制可定义为特定国际关系领域里由行为体愿望汇集而成的一整套明示或默示的原则、规范、规则和决策程序” 。对于这个定义，虽然很多学者仍存在置疑，认为它在原则、规范、规则和决策程序的关系上存在很大的模糊性，但相对而言，这一定义基本体现了国际机制这一概念的本质含义，得到了较为一致的认可。

目前，国际上已经建立了相对完善的国际太空机制，既包括以《外空法》为核心的国际法规范体系，又包括以联合国和平利用外层空间委员会、欧洲航天局等为骨干的组织架构。国际太空机制的基本组织架构包括：联合国体系、区域安排、其他多边机构以及国际非政府组织[4]如图1所示。

图1　国际空间安全相关机构示意图

参照上述机制定义，太空交通安全机制的概念为：为了实现人类安全利用太空、有序利用太空的目的，以已经达成的外太空相关法律与条约为依据，在联合国外空委框架内，所建立的组织机构与安全行为准则的总和。

根据这一概念，按照现行交通法规的基本模式，太空交通规则运行机制应在外层空间委员会统筹下，建立准则制定修改、空间监视与裁决执行三个委员会，每个委员会需要建立自己相应的机制。其中，每种机制包括原则、规范、规则与决策程序等。

准则制定修改委员会主要负责太空交通安全准则的制定，以及随着情况变化和需要而实施准则的修订。该委员会是太空交通安全机制的立法机构。

由于监视空间是一切空间活动的基础[5]，因此，需要成立专门的空间监视委员会，根据准则制定修改委员会规定的权利与义务，协调各国空间目标探测设备以及担负的探测时段与弧段，利用各国公布的发射情况，实施微小卫星等空间目标的信息获取、信息处理与态势描述，建立国际空间目标公共数据库。同时，与空间碎片协调委员会合作，定期发布太空交通状况，支持裁决执行委员会的执法行动。该委员会是太空交通安全机制的核查、监察机构。

裁决执行委员会主要负责违反太空交通安全准则情况的通报与处罚，并与空间监视委员会合作，核查对处罚的执行情况。该委员会是太空交通安全机制的执法机构。

太空交通安全机制，也可以扩展到所有空间目标与空间范围，即可应用于中、高轨目标的管理。