美国太空交通管理主要动向及影响

方勇

（军事科学院军事科学信息研究中心，北京100036）

1 太空交通管理的概念内涵及面临的主要挑战

随着外层空间拥挤、对抗、竞争态势加剧，太空碎片、航天器碰撞风险明显增加，太空交通管理日益成为国际关注的热点问题。近年来，美国出台太空交通管理政策、发展太空交通管理技术、拉拢盟国打造以美国为核心的太空交通管理体系，积极推进太空交通管理建设，意在主导太空交通管理话语权，保持美国的太空领导地位。以2017年欧洲白皮书和2018年美国 《国家太空交通管理政策》为标志，太空交通管理已正式进入实际操作的新阶段。

1.1 概念内涵

根据国际宇航科学院2006年的定义，太空交通管理是指通过技术手段和相关监管规定，提升航天器进入外空、在外空运行以及从外空返回地球时的安全性，免遭物理或射频干扰影响。2018年6月，美国发布的3号航天政策指令提出，太空交通管理是指为提高太空环境中行动的安全性、稳定性和可持续性，而对太空活动进行的规划、协调和在轨同步操作。

1.2 主要挑战

（1）太空碎片急剧增长加剧碰撞风险

截至2020年2月，地球轨道中已编目尺度在10cm以上的太空碎片数量已达23000个；尺度在1～10cm的碎片数量约90万个；尺度在1～10mm的碎片数量约1亿个，1 mm以下的碎片数量数以百亿计，未来50年太空碎片数量每年还将以10%的速度增长。模型预测显示，如果不采取措施照此速度增长，70年后，在低地球轨道区域将发生太空碎片链式撞击效应 （凯斯勒效应），近地空间将彻底不可用［1］。

太空碎片超高速撞击对航天器安全造成巨大潜在威胁。到2019年，国际空间站为躲避太空碎片撞击进行25次轨道机动规避。近年来NASA卫星每年规避太空碎片操作20余次，而2008年这一数字为5次。近地轨道物体运行速度为6.92km／s，大型碎片撞击意味着将形成数以千计的残留物，并对在轨航天器造成致命损坏；小型碎片撞击累计效应会影响航天器工作。欧空局估算，引起在轨航天器失效或丧失部分功能的碰撞次数将从2015年的2次／年增长到2075年的10次／年［2］。

（2）太空轨道和频率资源接近饱和

在轨位资源方面，目前，地球静止轨道（GEO）轨道区域卫星密集，截至2019年底，在轨工作的GEO卫星约为562颗，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，太空碎片分布更为密集，是太空突发事件的密集区域。在频率资源方面，目前，地球静止轨道上C频段通信卫星已近饱和，Ku频段通信卫星也很拥挤。

（3）航天器碰撞风险加大

2009年2月，美国铱星-33和俄罗斯宇宙-2251卫星在西伯利亚上空800km处相撞，这是人类历史上首次卫星整星相撞事件。随着卫星研制及发射技术门槛的降低，小卫星呈现井喷式发展态势，低轨巨型星座已成为当前太空系统建设的热点。以SpaceX公司和一网公司为代表的商业航天企业已开始构建超过4万颗的低轨小卫星星座组网建设。俄罗斯启动 “球体”全球卫星星座计划，计划2026年前部署640颗卫星。

OPC UA能够实现从传感器到云端的无缝、透明通信。IT与OT世界的融合将形成一个统一的网络，它能够满足所有工业物联网应用的关键性要求。无论是OPC UA还是TSN以太网扩展都由独立的组织进行管理和开发，从而使OPC UA TSN成为真正跨厂商的协议。“在通信方面，机器制造商和运营商将不再受制于特定供应商的束缚。”Schonegger解释道。

随着小卫星数量的增多，一方面将加剧太空交通拥堵，增加碰撞风险；另一方面，小卫星普遍寿命较短，进一步增加了太空碎片产生速度。2019年9月，欧空局地球观测卫星Aeolus采取机动规避，避免了与SpaceX公司发射的小卫星发生碰撞。2020年1月29日，美国1983年发射的退役的太空望远镜IRAS和1967年发射的美国实验有效载荷险些发生碰撞事故。目前，世界在轨卫星数量已超过2200余颗，随着在轨卫星数量的急剧增加，航天器发生碰撞风险将会进一步加大。

（4）航天器遭射频干扰风险增加

由于绝大部分通信卫星转发器属于 “透明型”转发器，对卫星覆盖波束区域内的上行信号不加辨别予以放大、变频转发，因此不可避免地产生干扰。航天器间产生干扰的主要原因有邻星干扰和相邻信道干扰两种。邻星干扰在地球静止轨道尤为明显。随着卫星通信的高速发展，地球静止轨道卫星越来越多，卫星在重要轨位上的位置越来越近，邻星干扰逐步增多。随着发射数量的增多，存在卫星的通信频率重叠现象，从而导致卫星间无线电信号的相邻信道干扰。

2 美国太空交通管理的主要动向

2.1 出台国家太空交通管理顶层政策文件

2018年6月，美国总统特朗普签署了 “3号航天政策令”，首次发布 《国家太空交通管理政策》。该管理政策提出了9项目标。一是促进太空态势感知和太空管理技术发展；二是减轻轨道碎片对太空活动的影响；三是支持和提升美国在科技、太空态势感知、太空交通管理领域的商业领导力；四是向公众提供太空态势感知基础数据和太空交通管理基本服务；五是提高态势感知数据互操作性，实现数据共享；六是制定太空交通管理标准和最佳做法；七是防止非故意射频干扰；八是改进国内太空物体登记制度；九是制定未来美国在轨活动的政策和规定。

《国家太空交通管理政策》从太空运行环境完整性、太空运行安全性、全球战略等三个方面提出了对太空交通管理宏观层面的要求。一是通过共享、购买太空态势感知数据，提供新型传感器手段，提高太空态势感知覆盖范围和小型碎片探测的灵敏性，建立可行的避碰警告阈值；二是建立开放式的太空态势感知数据仓库架构并制定相应标准和协议，同时提出了对数据库基本特征的要求；三是修订 《美国政府轨道碎片减缓标准做法》，以适应大型星座、轨道交会与逼近操作、小卫星等新型太空活动，努力减缓轨道碎片。

2.2 加强太空交通管理协调和统筹

目前，美国有多家机构负责太空交通管理工作。其中，联邦航空局负责航天发射和再入活动，以及与发射相关的太空碎片相关事务；联邦通信委员会负责电磁频谱和太空碎片减缓；国家海洋和大气局负责遥感卫星，以及部分太空碎片减缓任务；国务院负责太空事务的国际协调；国防部负责太空态势感知数据的收集和分发。多头、分散容易产生职权重叠、空白。美国3号航天政策指令提出，将由美国商务部牵头负责太空交通管理，具体负责太空态势感知数据库建设和避撞支持服务这两项太空交通管理核心业务。该举措使美国商务部成为太空交通管理体制的枢纽，将加强美国太空交通管理的统一管理和组织协调。

2.3 开展技术开发与系统建设

（1）大力加强太空态势感知技术发展

太空态势感知是实现太空交通管理的前提，美国不断加强太空态势感知技术发展。目前，美国太空监视网由超过30部以上的地基雷达和太空望远镜组成，太空监视网获取的跟踪数据将由美国天军第18太空控制中队负责分析。2020年3月27日，美天军宣布部署在太平洋马绍尔群岛夸贾林环礁S波段 “太空篱笆”地基太空目标监视雷达系统具备初始运行能力，标志美军历时10年研制的新一代地基监视雷达正式投入使用，有望大幅增强美军太空感知能力。

美国还在积极推动利用盟国和商业航天力量，提升太空态势感知能力。在国际合作方面，截至2020年5月，美国已与澳大利亚、比利时、英国、意大利、日本、西班牙等25个国家签订了太空态势感知数据共享协议。在利用商业航天力量方面，美国AGI公司经营着商业太空运行中心，该中心对轨道物体进行跟踪并对数据进行分析，向卫星运营商提供潜在近距离接近或交会预警信息，美国军方是其重要用户。

（2）大力发展太空碎片清除规避技术

为减轻太空碎片威胁，当前主要采取以下手段：一是被动防护，在航天器表面采取防护措施，如安装防护板。二是主动规避，即开展太空碎片的跟踪观测，通过轨道计算确定航天器与较大尺寸太空碎片的轨道，并计算航天器与碎片发生碰撞的概率，一旦碰撞概率达到预警值，就让航天器进行规避机动。三是主动碎片移除，即发射专用航天器，通过机械臂、飞网捕获、太阳帆和激光移除等方式将较大尺寸碎片清除。四是太空碎片减缓，对低地球轨道碎片进行降轨使其进入大气层烧毁；对地球同步轨道碎片进行升轨操作，从而达到保护在轨航天器不受碎片撞击或大幅降低撞击风险的目的。

目前，美国正在发展新型太空碎片碰撞规避技术。

一是发展针对1～5cm太空碎片的规避技术。航天器通过加装防护系统，可抵御1cm以下的太空碎片；美国防部和NASA当前的地基雷达和望远镜可跟踪、预测5cm以上碎片的轨迹，然后通过远程机动卫星实现避碰；而针对1～5cm尺寸的碎片，尚无最佳解决方案。美国科学家提出在卫星上装备固体推进器和红外热像仪，开展验证工作。红外热像仪不需地面监视即可帮助卫星快速检测数十米范围内中等大小碎片产生的热量信息，而固体推进剂的高推力可使卫星在不到1s时间内快速避碰。

二是发展适时碰撞规避技术。NASA正在发展碎片适时碰撞规避技术，当太空碎片即将与在轨航天器碰撞时，采用地基激光器发射激光作用在太空碎片表面，使其改变运行轨道，从而避免碰撞的发生。该技术目前仍处于早期研究阶段，仍面临诸多法律或政策挑战。

三是发展卫星自动碰撞规避技术。美国航天初创公司Kayhan航天公司正在开发卫星碰撞评估与规避系统。该系统可融合国防部、卫星运营商以及其他商业公司所提供的太空态势感知数据，对数据进行自动分析，为运行商提供避免卫星碰撞的建议和选择。

2.4 拉拢盟国打造以美国为核心的太空交通管理国际体系

2019年9月，日本经济新闻网报道，美国和日本两国政府即将达成一项协议，计划共同打造一个覆盖全球任何空域的太空交通管理系统，对各国在轨卫星进行有效管理。同时，该系统也具有一定的军事用途。如果地球轨道上存在对美日有威胁的卫星，那么通过该系统可以快速反馈给情报部门，为后续行动提前做好数据收集。利用该系统还可以管制地球轨道，控制他国的卫星活动。2019年10月国际宇航大会期间，美国与法国签署协议，将在太空交通管理、太空安全和太空态势感知方面加强合作，包括共享太空态势感知信息、避免太空碰撞加强协调和沟通。

3 几点认识

3.1 太空交通管理将成为太空国际规则制定新热点

2015年，太空交通管理议题成为外空委法律小组委员会常设议题，国际社会围绕该议题展开激烈讨论，并成功与 “外空活动长期可持续性”（LTS）、太空碎片减缓等议题形成强烈互动，成为当前外空规则治理体系中热点问题。2016年，美NASA发布 “关于太空交通管理评估、框架和建议”报告，2018年国际宇航科学院 （IAA）发布 “太空交通管理执行路线图”，基本完成了该议题相关学术理论准备工作。同时经过多年LTS的谈判，目前协商一致通过的指南准则基本为实施太空交通管理提供了保障。在美发布太空交通管理政策后，为落实其政策指示，美也将会通过不同平台，如外空委科技小组委员会、法律小组委员会平台及双边协议，推动各国采取其标准和做法，各国围绕该议题将开展新一轮的博弈。

3.2 美意图通过国内政策抢抓国际太空交通管理主导权，强化太空领域非军事领导权

太空交通管理将涉及太空态势感知、太空碎片管控、数据共享、交通规则制定、统一监管、国际协调等多方面，已触及太空控制权问题，日益受到关注。目前，缺乏具有约束性的太空交通管理国际法律和政策，美国出台太空交通管理政策，实际是以国内政策抢抓国际太空交通管理主导权。美国出台的太空交通管理政策虽然面向国内发布，但明确指出要将相关标准与实践推向国际。美国由商务部管理维护民用部分太空态势感知数据库并负责防止在轨碰撞，淡化了太空态势感知的军事色彩，便于国际社会接受，有利于在国际上确立其领导权。

3.3 将增强美国太空攻防能力

特朗普执政以来，将太空视为大国竞争的关键领域，强化太空作战能力建设。美国积极推进太空交通管理相关技术发展，将进一步增强美太空攻防对抗能力。

一是增强太空态势感知能力。美将利用其太空态势感知能力强势主导推动太空交通管理进程，并通过太空交通管理这一方式强化太空领导权。目前美国已经与世界各国、政府间组织和商业航天公司签署了117份太空态势感知数据共享协议 （至2020年7月），并继续增长。美部署的新一代S波段 “太空篱笆”雷达可将太空目标跟踪编目数量从当前的2.6万增至10万以上，使美军太空监视网的覆盖范围与探测数量获得大幅提升。结合在印度反卫试验期间已经验证的对高动态事件的快速反应能力，S波段 “太空篱笆”还将帮助美军太空监视网进一步获得及时探测、预知威胁太空资产和航天任务的各类异常活动能力，从而促进美军太空域感知能力从发现型向预测型转变。

二是增强太空对抗能力。太空碎片清除技术是典型的军民两用技术，主要面对对象是在轨失效的非合作目标。一旦发生战事，太空碎片清除技术可以将清除目标定位为敌方卫星，对敌方在轨卫星进行清除或破坏。多数太空碎片主动清除技术完全可以直接用于太空对抗活动。美国以发展太空碎片清除技术为掩护，发展太空操控技术，将显著增强其太空攻防能力。