空间活动长期可持续：从空间交通管理到空间环境治理——第683次香山科学会议评述

龚自正，宋光明，李明，王冀莲，黄宇民

（1.北京卫星环境工程研究所，北京100094；2.中国空间技术研究院，北京100094；3.钱学森空间技术实验室，北京100094）

1 空间可持续发展面临的风险与挑战

一般把距离地表100km高度以上大气层外的宇宙空间称为外空 （太空），又称为外层空间或空间，包括近地空间、深空等。外空是海、陆、空以外人类活动的第四疆域，具有重大政治、军事、经济价值。外空活动是指人类进入、探索、开发和利用外空的各种活动，分为空间科学、空间技术和空间应用。外空活动具有战略性、复杂性、前沿性、高风险性、国际性等特点。

1957年10月4日，苏联成功发射第一颗人造地球卫星，揭开了人类空间时代的序幕。空间技术、空间科学、空间应用迅猛发展，深刻影响着人类经济和社会生活的方方面面，极大促进了全球经济发展、社会进步和民生改善。

然而，蓬勃发展的外空事业，其长期可持续性正面临着严峻的风险与挑战，主要是两个层面的问题：一是空间环境恶化、交通拥挤和空间碎片增多这些 “成长的烦恼”日益突出，为外空安全利用带来不利影响。这个趋势与外空利用相生相伴，是发展层面的问题。二是随着外空战略地位凸显，外空资源争夺日趋激烈，外空武器化趋势明显增强，对外空安全和国际战略格局影响日益显现。这是安全层面的问题，也是人类利用外空面临的重大挑战。

1.1 空间碎片数量急剧增长，空间碰撞事件频发

据ESA数据［1］显示：自1957年至2020年底，人类进行了约6000余次航天发射，共将约10680颗人造卫星送入地球轨道。其中，仍在轨的约6200余颗，在轨正常服役的约3800余颗。目前已被跟踪编目的空间物体 （在轨卫星＋空间碎片）约28200余个，所有在轨空间物体质量总和超过9200t。而根据模型估算的在轨空间物体数量为：大于10cm的物体约34000个，在1～10cm之间的物体约90万个，1mm～1cm之间的物体约1.28亿个。迄今，共发生在轨爆炸解体事件560余次，平均每年发生8.4次，近20年平均每年发生12.2次。2004—2021年，仅美国国防气象卫星 （DMSP）F系列卫星在轨发生蓄电池爆炸引起卫星解体事件就超过10次，2021年3月10日轨道高度为800km的美国NOAA-17气象卫星发生在轨爆炸解体。

在发射入轨的火箭残骸和有效载荷中，超过1／3分布在600～2000km的低地轨道 （LEO）区域，其中大部分又都分布在775km、850km和975km三个更集中的空间区域中，在这三个区域中，小于1km的近距离接近平均每年发生1000次［2］。

在850km的碎片集中区域中，在5km以内的交会平均每天发生一次，交会的相对速度通常为12km／s，过去4年中最近的一次是87m。如果在这个集中区内的两个物体之间发生碰撞，将产生大约1.6万个可追踪的碎片和20万个或更多的现在还无法追踪的致命碎片 （LNT），使得空间碎片的数量可能会瞬间增加一倍。需要指出的是，在LEO中25个最大的空间碎片中有18个运行在这个区域内45km高度范围内的轨道上［2］。

在975km的碎片集中区域中，在5km内的交会平均每天约有60次，通常每月都有达到或超过2009年铱-33和宇宙2251相撞时碰撞概率的交会。这些交会事件中的每一个都将产生大约4500个可追踪的碎片和超过60000个LNT［2］。

在LEO区域，厘米级空间碎片实际年增长率接近10%。基于模型的预测表明，50年内，在LEO区域大于10cm的碰撞在3～5年将发生1次，发生碎片链式撞击效应 （Kessler灾难）的可能性增大。

在地球静止轨道 （GEO）区域，目前在轨空间物体为1400余个，按照频率轨位防干扰原则该区域最多可容纳1800个，按照目前的占位速度，30年后轨位将饱和，无新的轨位资源可用。

国际上有公开报道的因碎片撞击而失效或异常的卫星超过16颗，我国卫星因空间碎片撞击导致异常或失效事件也时有发生。全球卫星每年机动规避空间碎片的操作超过100次，全球每年空间碎片撞击卫星概率大于10－4的事件超过1000次。截至2021年4月初，国际空间站为躲避空间碎片撞击共进行了29次机动规避。

这些事件和数据充分说明空间碎片数量急剧增长，空间碰撞风险不断攀升，空间碰撞事件频发，空间碎片环境正在日益恶化，空间碎片已对人类空间资产安全构成严重的现实威胁。

1.2 低轨巨型星座迅猛增长，空间秩序雪上加霜

技术的巨大进步使得航天成本大大降低，加之其军民两用特性，催生了低轨巨型小卫星星座的出现并使其发射数量呈爆炸式增长。2014—2017年，66%新增卫星为微纳卫星；2018—2020年，新增卫星80%以上为质量是500kg以下的小卫星。SpaceX的星链卫星计划数量 （42000颗）是过去60多年来发射的所有空间物体的数倍，大大超过当前跟踪编目的空间物体数量。迄今，计划发射的低轨卫星数总计超60000个，而且这个数字还在不断攀升。

低轨巨型卫星星座有如下特点：（1）数量巨大，发射过程穿越空间目标密集区域，极大增加了部署轨道空间目标数量及撞击概率，自身受碎片撞击概率大；（2）可靠性低，入轨失败率高，运行中失效率高，难以保证可靠任务后离轨；（3）目标特征小，地面监测、预警、规避难度大。据估计，低轨巨型卫星星座3%将成为空间碎片。

2019年9月2日，欧空局 （ESA）地球观测卫星风神号 （Aeolus）采取了机动规避，以避免与SpaceX发射的一颗微小卫星发生碰撞。2021年4月4日，SpaceX的卫星与Oneweb的卫星在轨道上相距58m，两颗卫星相撞的概率为1.3%，上演了一次危险的空中近距离接触，使美国太空部队数次拉响 “红色警报”。

按照现在的部署速度，预计100年后LEO区域的空间目标将达到10万个，模型计算显示100年后，LEO区域每年的碰撞数超过80次，LEO区域将真的不可用！

巨型低轨小卫星星座不仅使得所在区域年碰撞概率大大增加 （发射、在轨和离轨过程均穿越卫星密集区域），也大幅压缩了发射窗口，同时挤占了极宽频段的可用频率资源，对地面和低轨道天文观测及空间物体观测产生严重负面影响。

因此，大规模低轨小卫星星座的爆炸式发展使已经十分脆弱的空间碎片环境 “雪上加霜”，将导致空间失序。

1.3 频率轨位资源紧张，个别国家掠夺式抢占

无线电频率轨道资源作为空间业务领域的重要战略资源，与石油、矿产等资源一样，属于稀缺不可再生的自然资源。在空间和地面、固定和移动业务、民用和军用、国内和国际间，无线电频率通过一定的规则划分，来尽可能实现安全、经济、高效的资源共用。频率轨道资源实行 “先占先得”规则，后来者将被彻底挤出。出于政治、经济、军事等多方面的考虑，各国都加强了对卫星频率与轨位资源的抢占力度，特别是低轨巨型星座的发展，使得本已趋于应用饱和的频率和轨位资源呈现更加稀缺的态势，导致对外空资源的争夺日趋激烈，并向更远的深空延伸。

1.4 新型空间活动带来安全风险与挑战

在商业航天推动下，在轨服务、空间物体主动移除、在轨和地外制造、外空资源利用和小行星采矿、空间旅游等新型空间活动如火如荼。同时，行星保护、近地天体防御、空间核动力等活动也此起彼伏。

2021年 3月 21日，日本宇宙尺度 （Astroscale）公司发射了ELSA-d碎片清除航天器，将演示与空间碎片对接和清除的核心技术，该公司计划进一步发展GEO轨道卫星的延寿平台。2021年4月12日，美国诺格公司的卫星延寿器MEV-2与在GEO轨道的宿主卫星Intelsat10-2成功对接，给耗尽燃料的Intelsat10-2加注燃料，计划使其延寿5年。这是继2020年4月2日诺格公司的卫星延寿器MEV-1与Intelsat-901成功对接，把其从坟墓轨道拖入服务轨道后的第二次在轨加注延寿服务。

美国在月球和深空率先 “跑马圈地”，鼓励政府和私人开采与利用月球和小行星资源。2020年美国启动在月球建立保护区计划，2021年美国等多国积极开展火星探测。太空新航海时代大国开疆扩土、争夺战略资源、竞相抢占 “太空岛屿”的大幕已经拉开。

这些新型空间活动涉及太空资源所有权、技术标准和成本、信息透明等一系列问题。例如，月球安全区保护、外空采矿、近距离空间操作安全、载人商业飞行安全等等，势必引起管辖权、开发权、控制权、损害赔偿责任等一系列争议、纠纷，事关规则和技术标准的制定，带来了新的空间安全风险与挑战，而目前的国际外空治理体系能力明显不足、监管缺失。

1.5 美国处处追求 “美国优先”，谋求建立 “外空联盟”

2017年12月，美国发布 《国家安全战略》再次提出 “外空，包括外空安全，是国家最高优先事项”。2020年6月，美国发布 《太空力量》政策文件，强调空间对国家利益至关重要，维护太空行动自由是太空军事力量的本质，也是太空军事力量的首要任务，追求太空绝对军事优势。2020年8月美国推出 《国防太空战略》，提出争夺外空国际规则制定主导权，要制定有利于美国和盟国利益的外空活动标准和规则，体现出美国的 “外空领先、外空优先、外空霸权”思维。近年来，美国已经与多国签订空间态势感知数据共享协议，2020年10月美国与7个国家签订了阿尔忒弥斯 （Artemis）计划，准备在月球和火星建立基地，谋求建立 “外空联盟”。美国试图通过制定相关政策法规、设立专门机构、建立国际联盟等方式率先开展空间交通管理实践，在国际上推行以 “美国标准”构建的相关法律框架，达到争夺国际话语权和影响力的目的。这些举措，引发了各航天国家纷纷组建天军，使空间资源争夺和军事化加剧，把外空对抗方式由威慑引向实战。

1.6 国际外空治理体系能力不足，部分监管缺失

由于制定仓促、对外空认识有限、美欧主导制订过程等原因，外层空间法自身的缺陷和漏洞比较明显，当前外空活动的私营化和商业化势不可挡，现有国际外空规则体系已不能适应新时代的要求。特别是针对军事化、武器化、低轨大规模星座监管、新型航天活动等问题，争端解决机制尚不明确、缺乏足够的法律约束力、存在监管空白和漏洞，国际外空治理机构权威性和约束力不足，治理技术尚不成熟。

2 空间交通管理及其战略意义

2.1 空间交通管理

按照国际宇航科学院 （IAA）的定义，空间交通管理 （STM）是指：在进入空间、在轨运行及再入过程中保障航天器安全和不受外界 （物理或无线电频率）干扰的各种技术和政策规则法规，以保障空间长期可持续使用。

空间交通管理概念起源于上世纪60年代，随着对空间交通管理的需求日渐迫切，各国的相关理论研究也日渐深入，2017年空间交通管理进入实际操作阶段。空间交通管理涉及发展权、资源利用权、话语权、自主权，其规则制定取决于国家的硬实力和软实力。

2.2 空间交通管理战略意义

（1）构建外空命运共同体，促进外空活动长期可持续。

2018年6月，联合国外空大会50周年（UNISPACE＋50）高级别会议采纳中国提议，呼吁 “在和平利用外空领域加强国际合作，以实现命运共同体愿景，为全人类谋福利与利益”。空间交通管理是国际社会共同应对外空全球性风险挑战的有效手段，是外空领域国际合作的重要载体，对于促进外空活动规范有序和长期可持续发展具有重要意义。

（2）维护国家安全和外空安全的重要抓手。

空间交通管理严格空间碎片减缓标准，加强空间物体登记，优化频率轨位资源的分配与使用，保护空间环境。空间交通管理促进空间态势感知技术和能力发展，实现空间态势感知数据的共享和互操作，减少碰撞等 “空间交通事故”的发生，确保航天器的在轨运行安全。

（3）航天强国建设的必然要求。

建设航天强国是我国的战略目标，航天强国要求我们在航天器发射次数、制造数量、空间资产与在轨规模等方面都将居于世界前列。只有具备强大的空间交通管理能力，才能确保空间基础设施能够长期、连续、自主稳定运行。

（4）外空现代化治理的重要手段。

外空现代化治理是国家治理的重要组成部分，是人类对进入、探索、开发和利用空间各种活动的管理与规范。大国博弈背景下，主要航天国家从维护自身利益和谋求国际主导权出发，积极部署低轨大规模星座。因此，发展空间交通管理可有效监管外空活动、核查外空军备控制，减少空间碰撞，防止外空武器化，是外空治理的重要手段。

（5）争夺外空国际规则制定话语权的重要平台。

联合国外空委2016年第55届法律小组委员会会议开始设立 “空间交通管理所涉法律问题的一般性交换意见”议题。在2019年2月召开的联合国外空委科技小组委员会会议上空间交通管理成为热门话题。空间交通管理已经成为外空国际规则制定的新方向，是争夺规则制定话语权的重要平台。

3 命运共同体理念下的空间交通管理

3.1 外空命运共同体愿景

外空作为人类生存和可持续发展的全球公共空间，集中体现了人类的共同利益和共同关注。外空不归任何国家所有；各国共同参与外空管理；开发外空资源所获取的利益将惠益各国；外空必须专门为和平目的而使用；必须为子孙后代保护外空。

3.2 命运共同体理念下的空间交通管理概念

秉持贯彻共商、共建、共享原则，充分发挥联合国外空委的协调作用，在联合国框架下对现有国际空间法律进行完善和补充，制定一套涵盖航天器全寿命周期的技术标准和政策法规，发展空间态势感知、航天器指挥调度以及任务后处置能力，提供碰撞预警、空间天气等信息服务，保证航天器安全发射、在轨运行和返回地球，确保航天活动的顺利、安全、可持续开展。

3.3 空间交通管理要素

（1）空间态势感知。空间态势感知是指对空间的目标、事件、环境和航天发射活动等的现状掌握和趋势预测，主要包括在轨物体感知、电磁频谱感知、空间天气感知及航天发射活动监测等。

空间物体感知：对在轨空间物体进行探测、跟踪、编目与预警，实现对地球轨道物体和近地天体等空间飞行物全域多维感知，发布监测预警信息。

电磁频谱感知：对外空全频段频谱进行监视、探测、测向、定位等。

空间天气感知：探测太阳活动、地磁等空间天气情况，分析对轨道空间环境的影响，并发布预报。

（2）发射／再入／回收。发射场与着陆场的安全标准规范以及设施安全保护要求等；发射活动海、空域使用通报与协调；拟发射空间物体安全审查、有控再入风险评估和无控再入监测预警与风险评估等。

（3）在轨运行。依据制定的航天器工作流程、规避技术标准和数据规范，对任务寿命期内在轨航天器活动实施管理；协调航天器与其他航天器的活动，在保障安全的前提下，实现对轨道资源的充分利用，防止在轨碰撞；在轨管理实行分区域管理的原则，依据轨道区域和管理方式的不同，分为低轨道管理、中轨道管理和高轨道及以外区域管理。

（4）任务后处置。航天器完成任务寿命后，基于返回再入与主动离轨规范形成的航天器返回再入与寿命末期主动离轨管理机制；协调航天器返回再入或在寿命末期主动或被动离轨，保证在轨运行航天器、返回航天器以及地面人员与财产安全。

（5）频率轨位资源申请与使用。无线电频率轨道资源作为空间业务领域发展的重要战略资源，与石油、矿产等资源一样，属于稀缺且不可再生的自然资源。同时，频率轨道与其他自然资源相比还有其自身特有的属性，主要包括国际性、共享性、稀缺性、超前性。

频率轨道资源的管理、使用不是单纯的技术问题，也不是常规的法律问题，需要建立在技术研究基础上，通过法律法规、标准、软件等管理手段确保其安全、平等、高效的利用。

3.4 空间交通管理体系构成

空间交通管理体系由基础层、管理层和对象层组成，如图1所示。

图1 空间交通管理体系构想Fig.1 The conception of STM system

（1）基础层

由基础设施和相关技术构成，是空间交通管理体系运行的物质基础。基础设施包括空间态势感知与生成系统、空间风险预警服务系统、星上风险告警和自主规避系统、指挥与调度系统、空间环境治理系统、空间天气监测预报系统。相关技术包括空间态势感知与生成技术、空间交通指挥控制技术、信息智能处理与融合技术、空间事态处理与服务技术等。图2给出了空间交通管理技术体系。

图2 空间交通管理技术体系Fig.2 Technical system of STM

涉及的前沿技术包括：空间暗弱小目标的全空域精准态势感知、特征探测与智能识别，全域频谱网络化智能自主感知、自主协同，航天器空间态势智能自主感知与主动规避决策，天地一体化空间目标监测，信息智能化处理与融合，海量航天器智能指挥调度策略，空间突发事态处置与服务，空间碎片碰撞及环境长期演化模型研究等技术。

（2）管理层

由政策法规体系、主体机构和其提供的应用服务构成。政策法规体系既包括国家空间交通管理政策，从顶层规范和指导空间交通管理的原则、目标、任务、政策措施等，也包括空间态势感知、空间物体登记、信息透明与交流共享、空间碎片减缓、频率轨位等具体规则。管理机构包括国家航天行业主管部门、国家无线电管理部门、其他有关部门等。应用服务涵盖空间态势感知服务、碰撞预警服务、空间天气服务、碎片清除与故障维修在轨服务等。

（3）对象层

主要由空间目标、空间活动和行为主体构成。空间目标包括空间碎片、在轨航天器、运载器、近地小行星、频率轨位、空间天气等。空间活动包括发射／再入／回收、在轨操作、轨道机动、在轨制造、信息获取、信息传输、亚轨道飞行等。行为主体包括发射者、所有者、操作者、控制者、航天员等。

3.5 从空间交通管理 （STM）到空间环境治理（SEG）

空间交通管理 （STM）的核心是通过指挥和控制卫星 （航天器）来避免卫星和其它空间目标之间的碰撞，保障空间资产的安全运行。

需要指出的是，空间资产安全运行的主要风险是致命的不可追踪 （LNT）碎片群，这是空间碎片的主要组成部分。它们小到无法看到和避免，但大到足以发生碰撞，危及航天器的任务。然而，目前关于STM的讨论主要集中在对可跟踪空间目标的关注上，这只是卫星遭遇碰撞导致任务终止风险的很小一部分。因此，尽管对空间资产运行保障是必须的，但只有空间交通管理（STM，数据共享和避免碰撞）、空间态势感知（SSA，提供轨道物体信息）和空间碎片缓减，对空间资产运行保障还不够充分、完备。因为在低地轨道 （LEO）中，有约90万个尺度为5mm～10cm的致命的不可追踪 （LNT）碎片，可追踪的碎片数量仅占可造成任务终止风险的轨道碎片的3%～4%。因此，空间碎片环境修复绝不能被忽视。空间环境治理 （SEG）便成为STM的发展趋势。空间环境治理包括：（1）安全操作 （STM）；（2）不使环境恶化 （碎片减缓）；（3）使环境更好 （空间碎片修复）。

4 我国发展建议

（1）在国家层面深入开展空间交通管理研究。尽快启动空间交通管理专项研究工作，结合国际公域管理概念体系和我国战略需求，识别我国核心关切，在人类命运共同体理念指导下，提出具有中国特色的空间交通管理概念、定位、发展目标、顶层框架和立场文件，为我国参与空间交通管理相关国际事务提供坚实的理论支撑和策略储备。

（2）大力推动空间交通管理应用系统论证和能力建设。基于人工智能、大数据、云计算等前沿技术，以现有航天器在轨状态监测、故障诊断与预警、运行态势管理等为基础核心，大力发展空间物体监测、空间数据共享与应用、空间频谱与轨位监管、空间碎片减缓和移除、近地天体防御以及空间设施维护等能力，构建天地一体化的空间交通管理应用系统，支撑我国空间资产的安全和空间活动可持续性发展。

（3）加快建立空间交通管理协调机制，推动立法进程。国内有关部门建立联合协调机制，在国家层面进行统一规划，从能力建设和制度建设两方面同步构建我国的空间交通管理体系，积累空间交通管理实践经验。尽早出台我国空间交通管理国家政策，指导我国空间交通管理体系的发展和建设，为相关立法奠定基础。加快我国航天立法进程，为我国空间交通管理法规体系建设提供法律基础。

（4）深度参与空间交通管理相关国际事务与合作。与国际组织、航天大国、友好国家加强信息交流与共享，积极参与空间交通管理领域相关议题磋商，在国际规则和标准制定方面争取更多的话语权。组织相关科研院所、高校和智库参与国际层面相关研究，积极参与国际各类平台／机制下的交流与合作，提升国际影响力。