面向空间环境治理的标准化需求研究

张杰, 夏亚茜

(北京空间科技信息研究所, 北京 100094)

1 引言

近年来, 随着太空军事化活动的加剧, 空间碎片数量急剧增长, 对航天器等空间物体造成的碰撞风险也在不断攀升。 同时, 爆发式发展的低轨巨型星座加剧了空间秩序的失衡, 并且由于其巨大通信容量需求, 频率竞争形势极其激烈, 资源愈加稀缺。 蓬勃发展的外空事业的长期可持续性正面临着严峻的风险与挑战: 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;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[1]。 为此, 美、 欧等先进的航天实体都已将空间环境治理视为外空规则制定的重要方面。

各国对空间资源的争夺和太空环境急剧恶化, 对我国在轨运行的空间基础设施也带来越来越大的威胁, 使我国空间基础设施的发展受到极大制约。 因此, 我国急需发展空间环境治理系统, 保障空间基础设施的安全运行, 为我国空间信息系统大发展提供保障。

2 空间环境治理概念内涵与现状

习近平主席2021年9月在视察驻陕西部队某基地时的讲话中指出: “太空资产是国家战略资产, 要管好用好, 更要保护好。 要全面加强防护力量建设, 提高容灾备份、 抗毁生存、 信息防护能力。 要加强太空交通管理, 确保太空系统稳定有序运行。 要开展太空安全国际合作, 提高太空危机管控和综合治理效能。” 随着外层空间拥挤、对抗、 竞争态势加剧, 空间碎片、 航天器碰撞风险明显增加, 太空治理日益成为国际关注的热点问题。 中央准确把握当今世界全球治理体制变革的历史转折点和大趋势, 强调“要不断推动变革全球治理体制向更加公正合理的方向发展, 推动实现各国平等发展, 推动全球治理和国际关系的民主化、 法治化发展, 推动建设新机制新规则,加强国际社会应对全球性挑战的能力, 推动全球治理理念、 继续丰富打造人类命运共同体, 促进世界共同发展。” 由此可看, 发展太空环境治理既是“人类命运共同体和全球治理” 理念下空间系统发展的必然, 也是我国建设航天强国的急需, 更是我国争夺国际话语权的有力武器。

当前国内外对空间环境治理概念方面开展了一些研究, 从研究内容来看, 空间环境治理的内涵主要包括太空交通管理和空间碎片移除两个方面, 如图1 所示。 太空交通管理, 是从源头防治, 针对航天器采取的一系列措施; 空间碎片移除则是从末端治理, 针对空间碎片环境采取的一系列措施。

图1 空间环境治理概念内涵Fig.1 Spatial environmental governance concept connotation

图2 我国空间碎片标准构成Fig.2 Constitution of space debris standard in China

2.1 太空交通管理研究现状

近年来, 太空交通管理成为各航天大国和联合国等国际组织讨论的热点话题。 制定外空行为准则、 维护各自太空利益成为各国竞相争夺的重点。 国际航天界也逐步提出和发展了太空交通管理的概念和范畴。 太空交通管理的目标是确保太空运行安全, 减少日益恶化的太空环境对太空活动的负面影响, 降低在轨碰撞和干扰的风险, 确保航天器的安全运行和太空资源的高效利用。 因此, 太空交通管理的含义可以概括为: 为确保安全、 可持续的太空运行环境, 由管理者通过基础设施、 管理技术/工具提供服务的方式, 基于相应的管理(法规/政策/标准), 对太空交通行为及其主体、 物理对象、 数据/信息等进行约束、协调、 指挥和控制的过程[2,3]。

基于此定义, 可以理解为太空交通管理的范围分为发射、 在轨、 离轨三个阶段。 发射阶段主要是对发射活动的监控等; 在轨阶段主要是任务期间的碰撞预警以及规避等; 离轨阶段主要是对位于近地轨道、 地球静止轨道等各级轨道航天器的离轨管理等。

2.2 空间碎片移除技术研究现状

自1957年第一颗人造地球卫星升空以来, 截止2020年底, 人类进行了约6000 余次航天发射,共将10680 余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。 目前已被各种编目的空间物体(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[1]。 为应对加速到来的低轨碎片“雾霾式大爆发” 可能带来的“凯斯勒效应”, 各航天大国和国际社会都在持续关注空间碎片问题, 加大应对空间碎片危机的努力[4]。 其中, 空间碎片减缓和移除是最重要的举措。 在空间碎片减缓方面, 从国际到国内, 都先后发布了一些政策法规, 空间碎片减缓已经从原来的“软约束” 逐渐向“硬约束” 转变。 而对于空间碎片移除来说, 其是当前航天能力建设的一个制高点, 是被列为“大国战略竞争” 的头等战略要务, 也将是未来各航天大国能力体现的重要方面。 目前国际上在空间碎片清除方面, 欧空局的步伐相对比较快, 技术相对成熟。日本在此方面也积极参与。 美国在空间碎片移除方面报道相对较少, 但并不是没有开展研究。

3 空间环境治理相关标准的现状

3.1 国外空间环境治理相关标准情况

3.1.1 空间碎片相关标准

随着空间碎片成为全球高度关注的领域, 国际组织及各国研究机构均积极致力于制定法规、准则、 指南、 标准等, 通过建章立制的方式, 约束空间探索、 开发和利用的行为, 减少和控制空间碎片的产生, 从而保护外太空环境与在轨航天器。 国际层面, 5 个空间碎片相关的文件成为国际公认的机制。 此外一些国际标准化组织、 国外著名的宇航研究机构、 区域性标准化组织也均在空间碎片领域积极地制定标准。

ISO 作为世界最权威的标准化组织, 发布了一系列关于空间碎片的标准、 技术报告。 最近,其标准按照新的开发框架进行了调整[5]。 截至目前, ISO 已发布、 在编的标准、 技术报告共计13项, 具体见表1。 其标准技术内容上主要以空间碎片减缓为主, 其标准的范围与已有的国际空间碎片减缓指南, 特别是IADC 发布的文件完全一致, 目的是将国际认可的空间碎片减缓指南转化成一系列可测量且可验证的顶层要求及与之配套的具体方法或程序[6]。 美国政府层面发布了《美国政府轨道碎片减缓标准实践》, 这是国家级空间碎片减缓技术指南, 并作为各政府部门制定空间碎片减缓要求的基础。 此外, NASA 成立了专门的空间碎片项目办公室, 该办公室在环境模型、 防护等空间碎片研究领域处于国际领先水平。 各航天中心都设有安全与飞行保障办公室,制定了一系列的相关标准、 手册、 模型、 软件等。 另外, 欧空局也很早就积极制定空间碎片相关的标准, 如PSS -01 -40 《安全政策防止碎片产生的特殊要求》、 《ESA 空间碎片减缓手册》。

表1 ISO 空间碎片相关标准清单Table 1 List of ISO space debris related standards

3.1.2 航天领域电磁频谱管理相关标准

作为国际权威电磁频谱管理机构的国际电信联盟(ITU), 在联合国《外层空间条约》 《组织法》 等国际法规框架下, 在尊重各国主权的基础上, 通过协调各种力量, 为完成“消除不同国家无线电台之间的有害干扰及改进无线电通信业务中无线电频谱及卫星轨道的使用” 的目的而工作。 作为规则实施的监管者和仲裁者, 对无线电频率资源的管理分“规划” 和“非规划” 两种。其标准分为以《无线电规则》 为主的规则体系和以建议书为主的技术文件体系。 《无线电规则》是ITU 依据联合国《外层空间条约》 《组织法》等国际法规, 建立的一套管理全球无线电业务的契约性法规, 它对各类无线电业务的频率划分、卫星轨道资源和频谱资源的申请流程、 台站间干扰的协调机制等内容进行了规定, 记录了各国对频率资源和卫星轨道资源的使用情况, 是各国开展频谱相关工作的法律依据[7]。

美国负责电磁频谱管理领域标准制定的机构是美国国家标准学会(ANSI) 下属的电信工业协会(TIA)。 TIA 制定的关于电磁频谱管理的标准主要集中在电磁兼容性领域, 其中针对航天领域制定了TIA 411-1986 《Electrical and Mechanical Characteristics of Earth Station Antennas for Satellite Communications》、 TIA 1168-2009 《Terrestrial and Non-Terrestrial Mobile Multimedia Multicast based on Video Broadcasting for Handheld Devices Using Satellite, Terrestrial or Hybrid Networks Operating Below 3 GHz》 等一系列针对地面站和手持终端的标准,这些标准主要对地面站和手持终端的发射功率等技术要求以及电磁兼容性要求进行了规定。

在欧洲, 电磁频谱的管理工作主要由欧洲邮政和电信管理委员会(CEPT) 负责, 但该领域的标准化工作主要由欧洲电信标准协会(ETSI) 负责。ETSI 成立了电磁兼容性和电磁频谱工作组(ERM)专门负责该领域的标准研究与制定, 其中针对航天领域, ETSI 制定了ETSI EN 301489 《Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters(ERM); ElectroMagnetic Compatibility ( EMC)standard for radio equipment and services》 系列标准, 该系列标准对基于移动卫星服务(MSS) 的移动地球站、 基于固定卫星业务(FSS) 的甚小口径卫星终端站(VSAT) 和固定地球站等不同类型地球站及其组成设备的电磁兼容性测试条件、 评估方法、 指标要求等内容进行详细规定。

3.2 国内空间环境治理相关标准情况

3.2.1 空间碎片相关标准

自“十一五” 开始, 我国积极推进空间碎片标准化研究工作, 开始建立我国自己的空间碎片专项标准体系。 随着“十二五” 空间碎片专项工程的推进, 国内在空间碎片减缓与应急合作、 防护、 监测、 预警和数据应用领域的研究不断深入, 这对空间碎片标准体系的建设工作提出了进一步完善的需求, 在此期间, 通过借鉴国际空间碎片标准发展的最新情况, 以国内航天型号实际需求为基础, 结合空间碎片研究成果, 对空间碎片标准体系进一步拓展、 深化, 形成以标准为牵引、 以规范为支撑, 涵盖航天器和运载器两方面的空间碎片标准规范体系[6]。

3.2.2 航天领域电磁频谱管理相关标准

我国的电磁频谱管理由工业与信息化部下属的无线电管理局负责, 制定的标准涵盖术语标准、 频率使用标准、 干扰保护与测量标准、 干扰协调标准四部分。 术语标准属于基础标准, 主要包括电磁频谱管理所涉及的管理术语、 技术术语等, 包括无线电台站、 空间业务、 馈线链路、 频率指配、 频率占用率、 频率共用等重要概念。 频率使用标准、 干扰保护与测量标准、 干扰协调标准属于实施层面标准, 其中频率使用标准主要涉及各业务频段的分配、 不同通信业务之间的频率共用、 通信系统的技术参数等内容; 干扰保护与测量标准主要涉及各业务的干扰包含要求、 类干扰的测量方法等内容; 干扰标准主要涉及对有害干扰的协调和处理原则、 实施细则等内容。

4 空间环境治理标准体系框架构想

4.1 空间环境治理标准需求分析

从空间环境治理的概念来看, 空间环境治理的任务主要包括空间态势感知、 航天发射管理、航天器日常在轨活动协调与调度、 航天器返回再入与离轨管理、 空间频率资源与轨道管理、 空间天气预报、 应急事件处置等[8], 就空间环境治理的任务和能力需求来开展标准需求分析:

(1) 空间态势感知: 主要聚焦空间态势感知的数据共享与互操作, 其数据主要包括空间碎片和在轨目标的监测与登记、 空间碎片模型的建立、 空间碎片模型的长期演化、 观测数据的共享等内容, 涉及的标准主要包括空间物体登记标准、 空间目标监测数据标准(含数据格式、 数据架构、 数据采集与分发)、 空间碎片建模标准等;

(2) 航天发射管理: 主要聚焦发射安全管理与监控方面, 涉及内容有航天器、 运载器等发射, 涉及的标准包括发射窗口、 发射监控、 发射风险预警等方面的标准;

(3) 航天器日常在轨活动协调与调度: 主要聚焦太空交通管理中的航天器协调与控制, 包括任务规划、 航天器指挥控制与调度等内容, 涉及的标准包括航天任务规划标准、 航天器变轨标准、 航天器在轨预警标准、 航天器碎片减缓标准等;

(4) 航天器返回再入与离轨管理: 主要聚焦包括地球静止轨道、 近地轨道、 中轨道等航天器的离轨管理, 涉及的标准主要包括航天器离轨标准、 航天器再入预报标准、 任务后处置标准等空间碎片减缓类标准;

(5) 空间频率资源与轨道管理: 主要聚焦航天器在轨期间的频率管理、 频率与轨道申请, 涉及的标准包括空间频谱管理标准、 频率轨位资源申请标准、 频谱干扰和频率再用标准等;

(6) 空间天气预报: 主要聚焦空间气象环境的气象数据、 气象探测等内容, 涉及的标准主要包含空间气象数据标准、 空间天气探测标准等;

(7) 应急事件处置: 主要聚焦航天器在轨安全规避、 空间碎片清除等方面内容, 涉及的标准主要包含航天器在轨避让标准、 空间碎片清除标准等。

4.2 空间环境治理标准体系框架

通过进行标准需求分析, 结合空间环境治理各任务涉及的标准内容, 可以将涉及空间物体登记、 轨道信息交换等内容合并, 专门设置为基础标准, 含术语、 空间物体登记、 轨道信息交换;将空间天气预报内容合并入空间态势感知数据中, 将应急事件处置修改为空间事态处理与环境修复标准, 分为空间碎片防护, 空间碎片清除,将在轨规避标准调整至在轨协调与调度板块, 由此提出空间环境治理标准体系框架主要包含基础标准、 空间态势感知数据标准、 航天发射管理标准、 航天器在轨协调与调度标准、 频率轨道管理标准、 航天器任务后处置(包括离轨和再入) 标准、 空间事态处理与环境修复标准等7 个板块如见图3 所示。

图3 空间环境治理标准体系框架初步设想Fig.3 The framework of space environment governance standard system is preliminarily envisaged

5 结束语

空间环境治理涉及空间态势感知、 空间碎片管控、 数据共享、 交通规则制定、 国际监管与协调等多方面, 已触及太空控制权问题,日益受到关注。 作为人类竞争的新疆域, 国际空间竞争不仅是技术和工程能力竞争, 更是国际规则的竞争, 但国际社会尚缺乏有效的空间环境治理标准体系, 也尚未出台有效的国际法律和政策。 尽早开展空间环境治理标准体系研究和规划, 对于掌握国际话语权、 体现大国地位, 展现中国在空间环境治理领域的大国形象具有重要意义。