空间碎片与空间交通管理

江海,刘静

(1.中国科学院国家天文台,北京100012;2.国家航天局空间碎片监测与应用中心,北京100012)

1 引言

随着科技的不断进步,航天技术在越来越多的方面引领着科学研究、经济形势、社会生活的发展,太空作为人类新的活动疆域,太空资源成为同陆地、海洋、水和空气一样重要的战略资源。

当前的空间状况不容乐观,目前外空环境发展表现为:小卫星和大型星座迅速发展,空间物体数量持续增加;典型轨道区域卫星密集,轨道和频率资源紧张;空间碰撞事件频繁发生,空间交通亟需进行管理。

截至2019年初,估计地球附近由人造物体形成的空间碎片规模已超过7000吨,其中能被美国空间监测网编目的空间物体数目超过2.3万个,对外公开编目的空间碎片数量超过1.8万个,据模型估计能对在轨运行的航天器造成致命破坏的、尺寸介于1～10cm的空间碎片超过70万个。

2 空间交通现状

2.1 小卫星和大型星座迅速发展

随着科技的不断进步,进入太空的门槛不断降低,卫星应用在民用和商用领域不断拓展,微纳卫星数量急剧增多,从图1中可以看出2014年微纳卫星的数量首次超过了其它任何一类卫星,并且最近几年一直保持着高速增长的趋势。

2014年 《俄罗斯2030军事技术装备发展战略》提出,其面临的主要军事威胁之一是 “主要国家加紧发展包括以各种 (作战、侦察、电子压制)小型卫星和微纳卫星为基础的航天技术”。美国航天基金会在2014年6月发布的 《2014年航天报告》中指出,未来几年小卫星将占据更多的市场份额。

图1 2010年以来小卫星发射统计Fig.1 Statistics of small satellite launches since 2010

未来各种大型星座计划将广泛开展,表1统计了目前公布的大型卫星星座计划。根据对照历史数据并参照卫星发展计划,分析了未来几年小卫星发射数量的预估,估计未来10年发射的小卫星的总数将超过1万颗,这些发射到空间的小卫星星座将会对空间的在轨空间物体造成极大的碰撞风险。

表1 卫星星座发射计划Tab.1 Satellite constellation launch plan

2.2 空间轨道和频率资源紧张

空间碎片的分布并不均匀,主要集中在高度在2000km以下的低轨区域和高度在36000km附近的地球同步轨道区域。目前GEO轨道区域卫星密集,截至2019年3月底,在轨工作的GEO卫星约为554颗,C频段已近饱和,Ku频段也很拥挤,卫星登记数量还在逐年递增。在大部分在轨航天器工作的低轨区域,空间碎片分布更为密集,是空间突发事件的密集区域。

2.3 空间碰撞事件频繁发生

自人类进入太空以来,共发生了200多次在轨解体事件。近年来空间碰撞事件发生更加频繁。2007年欧洲的地球同步气象卫星Meteosat-8被未编目的碎片击中,导致轨道改变。同年,失效的美国高层大气研究卫星UARS被未编目的碎片击中,产生了许多新碎片。2009年俄罗斯废弃的军用电子通信卫星宇宙-2251与美国铱星-33相撞,产生大量的空间碎片。2013年,厄瓜多尔立方体卫星飞马座与1985年发射的苏联火箭S14燃料箱残骸碎片相撞,导致卫星寿命终结。这些频繁发生的空间碰撞解体事件产生了成千上万的空间碎片,其中最为严重的是2009年的美俄碰撞事件,目前已编目2269个这次碰撞解体事件产生的碎片,这些碎片大幅提升了低地球轨道区域的空间密度,尤其是对800km以下的低轨道区域影响更为明显,这些碎片每年都将会与在轨航天器之间产生成千上万次的近距离交会。

解体事件产生的碎片还会继续在轨道中运行相当长的一段时间。一些主要的航天机构都建立了碎片演化模型对空间碎片未来的分布情况进行了仿真,结果表明即使在不再发射的前提下,未来空间碎片还会继续增长。图2给出用NASA的LEGEND模型仿真的未来不再发射、未来继续发射不进行任务后处理和未来继续发射并进行90%的任务后处理的三种不同条件下的结果。结果表明即使未来没有任何新的发射,不断增长的空间碎片将导致到2050年左右LEO区域将发生8～9次碰撞,其中一半是类似于2009年铱星-宇宙碰撞一样的灾难性碰撞。

图2 利用NASA的LEGEND模型预测未来LEO区域的碰撞Fig.2 Prediction of collision in future LEO region by LEGEND model of NASA

3 空间碎片相关国际规则

从国际外空规则制定来看,目前多个组织积极推动国际规则立法,部分涉及到空间交通管理相关内容,与空间交通管理有着密切关系的国际法规主要有:联合国 《空间碎片减缓指南》,包含空间碎片减缓的技术规则与规范; 《外层空间活动中的透明度和建立信任措施》,主要包含一些基本原则和方针; 《外空活动长期可持续性准则》讨论一些空间交通管理的实施相关内容。目前国际上对空间碎片规则正在逐步深入制定,下面将分别介绍。

3.1 联合国 《空间碎片减缓指南》

机构间空间碎片协调委员会 (IADC)将空间碎片减缓定义为 “通过与给定空间飞行任务的设计、制造、操作和处置阶段有关的措施减少空间碎片产生的整体努力。”碎片减缓开始于地面和在航天器发射到轨道之前,这解释了空间交通管理的概念理想地应该在广义上解释,包括任务设计和发展以及发射、操作和处置阶段。

联合国 《空间碎片减缓指南》汇总了修订后的2002年形成的IADC《空间碎片减缓准则》关于空间碎片缓减各种技术准则和标准的基本要求,于2007年经由联合国外空委员会提交并通过联合国大会决议。

除了航天器设计和钝化要求外,减少碎片的关键是从某些轨道,即所谓的 “受保护的轨道区域”,移除任务结束后的卫星。对于低地球轨道区域 (低于2000km的高度),IADC建议在25年内移除航天器,因此首选的解决方案是直接控制再入,其次是地面伤亡风险小于10-4不受控再入,最后是再回到2000km上方。对于GEO区域,建议非常相似,将任务后卫星机动到地球同步轨道高度保护区的±200km之外,相应的机动要求较低,需要11 m/s的δ-V(对应于300km,超过IADC但符合国际电信联盟的规定),这相对于用于GEO轨道维持需要的燃料是相当少的。

3.2 《外空透明度和建立信任措施》

联合国是 《外空透明度与建立信任措施》(TCBM)进程的主要推动者。联大决议中强调了增强外空活动透明度的必要性,肯定了建立信任措施的重要性。2010年,根据联大决议的要求,联合国秘书长设立了政府专家组,对 “外空透明与建立信任措施”进行研究,并于2013年向第68届联大提交了最终报告,美、俄、中等主要空间国家均支持并积极参与该进程。联合国和平利用外层空间委员会确定了能够提高空间操作安全和利于空间活动的长期可持续性的建议。

报告中指出,首先要提高外层空间活动的透明度,特别关注与空间交通管理相关的活动,应注意下面有关降低风险的通知,其中包括:

(1)外层空间自然灾害预测信息的交换;

(2)可能会对其他空间物体的飞行安全造成威胁的飞行机动的通知;

(3)通知和监控不受控制高风险再入事件;

(4)与自然的和人为的威胁空间物体飞行安全的相关紧急情况通知;

(5)故意轨道解体通知。

相关条约包含某些具有强制性本质的透明度和建立信任措施,但外层空间活动措施是不具法律约束力的措施,应补充现有关于外空活动的法律框架。联合国大会将决定如何进一步推进TCBM,并为其提供包括参照和平利用外层空间委员会、裁军审议委员会和裁军谈判会议审议的上述建议的一般考虑和支持的建议。此外,该组织建议成员国采取措施,尽可能落实由和平利用外层空间委员会和联合国大会一致同意的基础上签署的原则和指导方针。

3.3 外空活动长期可持续性准则

外空活动长期可持续性议题 (LTS)是在法国的推动下,于2010年2月正式列入联合国外空委科技小组委员会议程,并设立了外层空间活动的长期可持续性工作组。该工作组的目标是确定与空间活动长期可持续性相关的领域,并提出可以提高空间可持续利用的措施。这些措施建立在自愿的基础上,不具约束力。为了准备其建议,设立了四个专家组分别审议以下议题:(1)可持续空间利用支持地球上的可持续发展;(2)空间碎片、空间操作和支持协同空间态势感知的工具;(3)空间天气;(4)在空间领域的行动者的监管制度和指导方针。

2013年11月发布的第一份报告草案中提出了一套分别包含指导方针、解决政策、监管机制、国际合作和管理问题等33条组成的一系列措施。该政策方针包括,对空间活动开展的信息和专业知识更容易交流采取措施,还有通过政府和非政府机构的研究和开发,以促进长期可持续的空间活动。在监管机制方面,指导方针本质上要求通过采纳监管框架和促进预定的自愿措施来增强空间活动安全和可持续性。

在国际合作框架下,该指导方针提倡增强技术合作,包括遵从不扩散的规范和原则的技术转移,以及给予发展中国家必要的技术支持以进行能力建设。空间天气信息、相关的数据交换和接入以及建模也是国际合作的重要组成部分。最后两个准则要求开展空间活动合适的管理实体,确保其有更新的手段、相应的设备和组织文化以遵守政府和政府间框架。

目前LTS工作组已经结束,工作组的各国成员现已就其准则前言和21条准则达成一致意见,可作为各国开展相关工作的基础,后续工作还在持续推进中。

4 空间交通管理发展现状

空间交通管理是指一整套技术和条例规定,用以提升在进入外层空间、在外层空间运行以及从外层空间返回地球时的安全性,免遭物质的或电磁波的干扰。

空间交通管理与空间态势感知密不可分,空间态势感知是开展空间交通管理、制定空间交通规则的基础,而空间交通管理则是空间态势感知的成果体现,最终的目标都是为了维护外空和平、安全和可持续发展。

图3 空间交通管理与空间态势感知关系Fig.3 Correlation between space traffic management and space situation awarenesss

4.1 美国的发展历程

2004年,美国国防部、NASA和美国联邦航空管理局联合设计并发布了航天器运营商的运营理念,详细介绍了一个如何能为了处理我们今天看到的拥挤的和竞争的空间的目的,而把不同的机构放到一起的空间和空中交通管理系统 (SATMS)。

2010年,美国的空间交通管理行政部门分散在不同组织的独立部门,各种条约和政策也松散地为目前的空间提供保护。除了空间操作有巨大的技术障碍外,美国的所有者/运营者必须了解图4中每一个负责组织的要求和含义。随后发布美国国家空间政策,行政部门组织召开会议研究美国STM能力深入需要和可能的设计。

图4 美国空间交通管理概念发展中涉及的组织Fig.4 The organizations involved in the concept development of American space traffic management

2017年,特朗普政府时隔24年重启航天委员会,并制定了全面的空间交通管理政策。新政策考虑到商业航天的快速发展,确定由商务部负责空间交通管理事务,指出商务部将根据国防部的空间目标编目,为公众和私人实体提供基本的空间态势感知服务,使得军方能够专注于保护和捍卫美国太空资产安全。新政策还将鼓励商业航天企业与政府合作,制定数据共享系统、技术指南和安全标准,以便在国内实施并在国际上得到推广,从而有助于减少碎片,避免航天器在发射期间和在轨道上发生碰撞。这项政策正在逐步完善。

4.2 其他国家的情况

近年来,欧盟也开始推进空间交通管理相关工作。2008年,欧盟制定的 《欧洲外空活动行为准则》逐步演变为 《国际外空活动行为准则》。经过几次修改,目前的最新版本为2014年3月的版本,该准则分为目的、范围和主要原则;外空活动的安全、保障和可持续发展;合作机制;组织方面四大部分,共分为10个小节111条详细的准则。其中有专门的章节介绍空间交通管理的相关条款。尽管美国已同意欧盟推荐的概述的原则,但是它们的实现方法可能会妨碍美国国家安全的措施,虽然欧盟进行了多年的努力,但取得的进展非常少。其他国家和商业实体在发展STM能力中也取得了长足进步,但都没有能够进入一个成熟的规划阶段。

5 我国应对的建议

目前国际上的空间交通管理研究还处在起步阶段,但已经成为国际热点。我国开展空间交通管理实施时,首先需要加强国家监管,要求工业部门严格遵守碎片管理办法的要求,减少碎片产生;其次要积极推进空间碎片监测基础设施建设,提升空间态势感知能力,并加强法律问题研究,积极参与外空国际规则制定;还应依托碎片中心等实体机构,开展空间交通管理服务系统建设,并在联合监测、数据交换、避碰协调等方面开展实质性国际合作,深入开展空间交通管理框架体系和关键技术研究,支持空间交通管理相关技术标准的研究和制定,推动我国空间交通管理能力不断发展壮大。