关于空间交通管理技术发展的设想①

郭永富，高瑾博，韩洪波，王晓晨

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

0 引言

自1957年苏联发射第一颗人造航天器以来，截至2019年人类共进行了超过5000次的发射活动，把不少于9000颗航天器送入了地球轨道[1-3]。这些在轨航天器迄今共发生了500余次的在轨爆炸、撞击与解体，产生了数量巨大的空间碎片[4]。在地球轨道上，直径1cm以上的在轨航天器与空间碎片总数量已经达到数十万个[5-6]。

现在，SpaceX、Oneweb以及国内多家新兴商业航天公司正在规划或已经开始发射由数千颗甚至数万颗卫星组成的星座系统[7]。这样的超大星座部署完成后，地球轨道环境的拥挤程度、碰撞概率明显提升。

空间交通管理是指在进入空间、在轨运行及再入过程中保障航天器安全和不受外界干扰的各种技术和政策规则法规，保障空间有序并可持续使用[8]。空间交通管理首先要保证在轨航天器的安全，同时保证后续对空间资源的合理、高效利用。

在轨航天器、碎片的快速增加可能会引起碰撞的链式反应，形成正反馈，最终引起“凯斯勒灾难”[9]，那么人类进入太空的活动将会受到很大的制约。国际社会在空间目标的交通管理方面制定了一系列的规范，但在当前航天发射活动日益频繁的形式下，我国也迫切需要开展空间交通管理技术方面的工作。

1 当前空间交通的严峻形势

1.1 航天器发射情况

现在，世界上有10多个国家具备轨道发射能力，80多个国家/地区开始利用卫星服务经济建设和社会发展。1967年生效的《外层空间条约》又确立了太空“全球公地”的法律地位，越来越多的国家(机构)将航天作为重要战略选择；而且进入太空的门槛不断降低。2018年，世界实施114次发射任务，共有461颗航天器发射升空；2019年实施102次发射任务，发射航天器492颗[1-3]。发射入轨航天器数量整体呈现逐年上升的趋势。

国际、国内的商业航天公司都提出了包含上万颗卫星的巨型星座的发射计划[5]。在此形势下，一部分设计不充分、功能不全面的航天器有可能会进入太空，如未预留离轨燃料甚至未考虑离轨能力的小型商业航天器，而且其故障分析、定位、处置具有很大的难度[10]，这可能会给太空交通管理带来隐患。

1.2 空间碎片及在轨碰撞情况

截至2019年底，地球轨道物体总重量已经达到约8400 t；已被跟踪编目的尺寸在10 cm以上的空间碎片数量已达23000个，尺寸在1 cm～10 cm的碎片数量约为75万个，尺寸在1 mm～10 mm的碎片数量约为1亿个，1 mm以下的碎片数量数以百亿计，在未来50年间空间碎片数量每年将以10%的速度增长[3-4]。

图1 空间碎片分布示意图

空间碎片与正常运行的在轨航天器处于同一轨道环境中，发生碰撞时可能会损害航天材料的表面特性，击穿太阳翼，甚至使航天器发生解体或爆炸。

2009年，俄罗斯废弃的电子通信卫星“宇宙-2251”与美国“铱星-33”相撞，产生了大量碎片，这是其中最典型的一起[11-12]。空间环境中的碰撞威胁已经相当严重。到2019年，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，我国航天器因空间碎片撞击失效事件也有发生[4]。

1.3 凯斯勒现象

空间目标的数量持续增加，那么是否存在一个极限，之后的太空环境中将发生一系列的正反馈，导致产生碰撞级联效应，使空间目标的数量更加快速地增长，导致无法继续开展太空活动。NASA专家凯斯勒(Kessler)首先对这种碎片的碰撞效应进行了研究，因此这种现象也就以他的名字命名为“凯斯勒现象”(Kessler Syndrome)[6]。

2 国际空间交通管理现状

2.1 空间碎片探测手段

空间碎片探测手段包括地基雷达、地基光学望远镜、天基雷达等。可以使用地基光学望远镜观测高轨道目标，用地基雷达探测低轨道目标，对空间目标进行探测；天基监视系统具有全天候的能力，对运动目标成像效果好、定位精度高[13]。

图2 空间碎片探测手段

图3 美国地基装备部署图

美国已经建立了覆盖全球的太空监视网，包括15个地点的27部地基太空监视系统和至少10颗监视卫星，跟踪的目标超过20 000个，编目直径大于10 cm的目标达16 000多个[14]。

ESA建立起了欧洲空间操作中心(ESOC)和地基跟踪网(ESTRACK)。

2.2 空间目标碰撞规避策略

在空间目标监测的基础上，一旦发现有碰撞风险，首先要进行碰撞概率评估，然后制定碰撞规避策略[15]。制定规避策略使可同时考虑航天器自身的机动能力、轨道控制需求等。

在近地空间航天器中，运行在太阳同步轨道上的航天器占44%。文献[16]提出了太阳同步轨道上不同轨道高度、升交点赤经、相位航天器分布的高效策略。低轨航天器也要保证能够在一定时限内陨落，如25年[17]。

在地球静止轨道上，可设置专门的轨道机动区域，为卫星的位置保持、轨位转移提供空间。

2.3 空间交通法规制定情况

美国在2006年就发布了《国家空间政策》，欧盟在2007也制定了《欧盟空间政策》，对本国或本地区的空间活动进行指导与约束[18]。

2017年，ESA发表了“实施欧洲外空交通管理制度”；2018年，美国发布了《国家外空交通管理政策》[19]。

2.4 空间碎片的清除

欧洲开发了一种专门对付脱轨航天器的“太空拖船”，同时开启了“清洁太空计划”[16]，首要目标是大幅降低近地轨道的碎片数量。同时，ESA在此前测试利用空间捕网捕捞太空垃圾成功的基础上，计划于2021年在太空部署捕网。

图4 用网捕捉废弃的卫星

3 我国空间交通管理发展设想

3.1 我国空间交通管理能力差距

3.1.1 空间碎片监测能力

美国可对低轨10 cm以上、中高轨20 cm以上太空目标进行监测、编目；具有全球地基装备+天基装备，能够在几小时内发现低轨目标变轨、解体、碰撞等空间事件。国外已经形成较为完善的空间碎片监测体系，且在不断提升能力。我国目前主要依靠地基雷达与光学望远镜，可对低轨15 cm以上、中高轨50 cm以上太空目标进行监测[20]；同时，由于受地缘因素影响，探测覆盖空间范围有限，还无法建立自主完备的基础数据库。监测手段相对单一，缺少大型的空间碎片观测设备，特别是全天候观测设备。

3.1.2 法规制定

目前，我国从事、参与空间交通管理研究的单位主要为部分大学、企业与协会，政府机构；后续可加强统一全面的组织、协调与管理。

3.1.3 空间碎片模型及碰撞预警算法

国外已经建立了较为完善的空间碎片演化模型、空间碎片寿命计算模型、空间碎片碰撞危险评估模型[20]。现有的空间碎片寿命计算方法主要有数值法、半解析法和解析法。空间碎片碰撞危险评估模型主要基于空间物体碰撞概率模型，碰撞概率模型有多种建模方式。这背后需要有大量关键技术的支撑。

3.2 我国空间交通管理发展建议

3.2.1 加强组织管理、加速法规制定

建议我国航天主管单位牵头组织政府、学界、工业界等方面形成我国空间交通管理领域统一的管理机构，尽早开展空间交通管理的工作，避免出现“先污染、再治理”的被动局面。

在我国航天事业快速发展的背景下，空间交通技术标准和管理法规建设要加速推行；充分借鉴国际经验，结合国内实际情况，组建一支高水平的专业化队伍，持续开展技术深化研究，尽早制定并逐步完善我国的空间交通管理法规。

3.2.2 相关技术研究与验证

寻求与国外有关组织和机构的合作渠道，充分借鉴、利用国外的资源与经验，结合我国的数据资源，逐步迭代、改进空间碎片模型及碰撞预警算法，提供碰撞预警的精度。

3.2.3 空间交通管理系统设想

参考国际经验，结合我国实际情况，提出了一种空间交通管理系统的初步构架，如图5所示可作为后续工作的参考。

图5 一种空间交通管理系统构架

4 总结

航天事业正在快速发展，尤其是商业航天，数以万计的航天器即将在短期内送入太空。目前，直径1 cm以上的太空物体的数量已经达到数十万个，在轨已经多次发生航天器与碎片相碰撞的情况。空间交通管理势在必行。

国外已经制定了空间交通的相关法律法规，空间碎片演化模型、空间碎片寿命计算模型、空间碎片碰撞危险评估模型也已经日臻成熟。我国也开展了相关研究工作，但与国外还有较大差距，需要在法规制定、相关技术研究与验证等方面进一步缩小与国外的差距。