美國太空交通管理主要動向及影響

方勇

（軍事科學院軍事科學信息研究中心，北京100036）

1 太空交通管理的概念內(nèi)涵及面臨的主要挑戰(zhàn)

隨著外層空間擁擠、對抗、競爭態(tài)勢加劇，太空碎片、航天器碰撞風險明顯增加，太空交通管理日益成為國際關注的熱點問題。近年來，美國出臺太空交通管理政策、發(fā)展太空交通管理技術、拉攏盟國打造以美國為核心的太空交通管理體系，積極推進太空交通管理建設，意在主導太空交通管理話語權(quán)，保持美國的太空領導地位。以2017年歐洲白皮書和2018年美國 《國家太空交通管理政策》為標志，太空交通管理已正式進入實際操作的新階段。

1.1 概念內(nèi)涵

根據(jù)國際宇航科學院2006年的定義，太空交通管理是指通過技術手段和相關監(jiān)管規(guī)定，提升航天器進入外空、在外空運行以及從外空返回地球時的安全性，免遭物理或射頻干擾影響。2018年6月，美國發(fā)布的3號航天政策指令提出，太空交通管理是指為提高太空環(huán)境中行動的安全性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性，而對太空活動進行的規(guī)劃、協(xié)調(diào)和在軌同步操作。

1.2 主要挑戰(zhàn)

（1）太空碎片急劇增長加劇碰撞風險

截至2020年2月，地球軌道中已編目尺度在10cm以上的太空碎片數(shù)量已達23000個；尺度在1～10cm的碎片數(shù)量約90萬個；尺度在1～10mm的碎片數(shù)量約1億個，1 mm以下的碎片數(shù)量數(shù)以百億計，未來50年太空碎片數(shù)量每年還將以10%的速度增長。模型預測顯示，如果不采取措施照此速度增長，70年后，在低地球軌道區(qū)域?qū)l(fā)生太空碎片鏈式撞擊效應 （凱斯勒效應），近地空間將徹底不可用［1］。

太空碎片超高速撞擊對航天器安全造成巨大潛在威脅。到2019年，國際空間站為躲避太空碎片撞擊進行25次軌道機動規(guī)避。近年來NASA衛(wèi)星每年規(guī)避太空碎片操作20余次，而2008年這一數(shù)字為5次。近地軌道物體運行速度為6.92km／s，大型碎片撞擊意味著將形成數(shù)以千計的殘留物，并對在軌航天器造成致命損壞；小型碎片撞擊累計效應會影響航天器工作。歐空局估算，引起在軌航天器失效或喪失部分功能的碰撞次數(shù)將從2015年的2次／年增長到2075年的10次／年［2］。

（2）太空軌道和頻率資源接近飽和

在軌位資源方面，目前，地球靜止軌道（GEO）軌道區(qū)域衛(wèi)星密集，截至2019年底，在軌工作的GEO衛(wèi)星約為562顆，衛(wèi)星登記數(shù)量還在逐年遞增。在大部分在軌航天器工作的低軌區(qū)域，太空碎片分布更為密集，是太空突發(fā)事件的密集區(qū)域。在頻率資源方面，目前，地球靜止軌道上C頻段通信衛(wèi)星已近飽和，Ku頻段通信衛(wèi)星也很擁擠。

（3）航天器碰撞風險加大

2009年2月，美國銥星-33和俄羅斯宇宙-2251衛(wèi)星在西伯利亞上空800km處相撞，這是人類歷史上首次衛(wèi)星整星相撞事件。隨著衛(wèi)星研制及發(fā)射技術門檻的降低，小衛(wèi)星呈現(xiàn)井噴式發(fā)展態(tài)勢，低軌巨型星座已成為當前太空系統(tǒng)建設的熱點。以SpaceX公司和一網(wǎng)公司為代表的商業(yè)航天企業(yè)已開始構(gòu)建超過4萬顆的低軌小衛(wèi)星星座組網(wǎng)建設。俄羅斯啟動 “球體”全球衛(wèi)星星座計劃，計劃2026年前部署640顆衛(wèi)星。

OPC UA能夠?qū)崿F(xiàn)從傳感器到云端的無縫、透明通信。IT與OT世界的融合將形成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡，它能夠滿足所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的關鍵性要求。無論是OPC UA還是TSN以太網(wǎng)擴展都由獨立的組織進行管理和開發(fā)，從而使OPC UA TSN成為真正跨廠商的協(xié)議?！霸谕ㄐ欧矫?，機器制造商和運營商將不再受制于特定供應商的束縛?！盨chonegger解釋道。

隨著小衛(wèi)星數(shù)量的增多，一方面將加劇太空交通擁堵，增加碰撞風險；另一方面，小衛(wèi)星普遍壽命較短，進一步增加了太空碎片產(chǎn)生速度。2019年9月，歐空局地球觀測衛(wèi)星Aeolus采取機動規(guī)避，避免了與SpaceX公司發(fā)射的小衛(wèi)星發(fā)生碰撞。2020年1月29日，美國1983年發(fā)射的退役的太空望遠鏡IRAS和1967年發(fā)射的美國實驗有效載荷險些發(fā)生碰撞事故。目前，世界在軌衛(wèi)星數(shù)量已超過2200余顆，隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的急劇增加，航天器發(fā)生碰撞風險將會進一步加大。

（4）航天器遭射頻干擾風險增加

由于絕大部分通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器屬于 “透明型”轉(zhuǎn)發(fā)器，對衛(wèi)星覆蓋波束區(qū)域內(nèi)的上行信號不加辨別予以放大、變頻轉(zhuǎn)發(fā)，因此不可避免地產(chǎn)生干擾。航天器間產(chǎn)生干擾的主要原因有鄰星干擾和相鄰信道干擾兩種。鄰星干擾在地球靜止軌道尤為明顯。隨著衛(wèi)星通信的高速發(fā)展，地球靜止軌道衛(wèi)星越來越多，衛(wèi)星在重要軌位上的位置越來越近，鄰星干擾逐步增多。隨著發(fā)射數(shù)量的增多，存在衛(wèi)星的通信頻率重疊現(xiàn)象，從而導致衛(wèi)星間無線電信號的相鄰信道干擾。

2 美國太空交通管理的主要動向

2.1 出臺國家太空交通管理頂層政策文件

2018年6月，美國總統(tǒng)特朗普簽署了 “3號航天政策令”，首次發(fā)布 《國家太空交通管理政策》。該管理政策提出了9項目標。一是促進太空態(tài)勢感知和太空管理技術發(fā)展；二是減輕軌道碎片對太空活動的影響；三是支持和提升美國在科技、太空態(tài)勢感知、太空交通管理領域的商業(yè)領導力；四是向公眾提供太空態(tài)勢感知基礎數(shù)據(jù)和太空交通管理基本服務；五是提高態(tài)勢感知數(shù)據(jù)互操作性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；六是制定太空交通管理標準和最佳做法；七是防止非故意射頻干擾；八是改進國內(nèi)太空物體登記制度；九是制定未來美國在軌活動的政策和規(guī)定。

《國家太空交通管理政策》從太空運行環(huán)境完整性、太空運行安全性、全球戰(zhàn)略等三個方面提出了對太空交通管理宏觀層面的要求。一是通過共享、購買太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)，提供新型傳感器手段，提高太空態(tài)勢感知覆蓋范圍和小型碎片探測的靈敏性，建立可行的避碰警告閾值；二是建立開放式的太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)倉庫架構(gòu)并制定相應標準和協(xié)議，同時提出了對數(shù)據(jù)庫基本特征的要求；三是修訂 《美國政府軌道碎片減緩標準做法》，以適應大型星座、軌道交會與逼近操作、小衛(wèi)星等新型太空活動，努力減緩軌道碎片。

2.2 加強太空交通管理協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌

目前，美國有多家機構(gòu)負責太空交通管理工作。其中，聯(lián)邦航空局負責航天發(fā)射和再入活動，以及與發(fā)射相關的太空碎片相關事務；聯(lián)邦通信委員會負責電磁頻譜和太空碎片減緩；國家海洋和大氣局負責遙感衛(wèi)星，以及部分太空碎片減緩任務；國務院負責太空事務的國際協(xié)調(diào)；國防部負責太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)的收集和分發(fā)。多頭、分散容易產(chǎn)生職權(quán)重疊、空白。美國3號航天政策指令提出，將由美國商務部牽頭負責太空交通管理，具體負責太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)庫建設和避撞支持服務這兩項太空交通管理核心業(yè)務。該舉措使美國商務部成為太空交通管理體制的樞紐，將加強美國太空交通管理的統(tǒng)一管理和組織協(xié)調(diào)。

2.3 開展技術開發(fā)與系統(tǒng)建設

（1）大力加強太空態(tài)勢感知技術發(fā)展

太空態(tài)勢感知是實現(xiàn)太空交通管理的前提，美國不斷加強太空態(tài)勢感知技術發(fā)展。目前，美國太空監(jiān)視網(wǎng)由超過30部以上的地基雷達和太空望遠鏡組成，太空監(jiān)視網(wǎng)獲取的跟蹤數(shù)據(jù)將由美國天軍第18太空控制中隊負責分析。2020年3月27日，美天軍宣布部署在太平洋馬紹爾群島夸賈林環(huán)礁S波段 “太空籬笆”地基太空目標監(jiān)視雷達系統(tǒng)具備初始運行能力，標志美軍歷時10年研制的新一代地基監(jiān)視雷達正式投入使用，有望大幅增強美軍太空感知能力。

美國還在積極推動利用盟國和商業(yè)航天力量，提升太空態(tài)勢感知能力。在國際合作方面，截至2020年5月，美國已與澳大利亞、比利時、英國、意大利、日本、西班牙等25個國家簽訂了太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)共享協(xié)議。在利用商業(yè)航天力量方面，美國AGI公司經(jīng)營著商業(yè)太空運行中心，該中心對軌道物體進行跟蹤并對數(shù)據(jù)進行分析，向衛(wèi)星運營商提供潛在近距離接近或交會預警信息，美國軍方是其重要用戶。

（2）大力發(fā)展太空碎片清除規(guī)避技術

為減輕太空碎片威脅，當前主要采取以下手段：一是被動防護，在航天器表面采取防護措施，如安裝防護板。二是主動規(guī)避，即開展太空碎片的跟蹤觀測，通過軌道計算確定航天器與較大尺寸太空碎片的軌道，并計算航天器與碎片發(fā)生碰撞的概率，一旦碰撞概率達到預警值，就讓航天器進行規(guī)避機動。三是主動碎片移除，即發(fā)射專用航天器，通過機械臂、飛網(wǎng)捕獲、太陽帆和激光移除等方式將較大尺寸碎片清除。四是太空碎片減緩，對低地球軌道碎片進行降軌使其進入大氣層燒毀；對地球同步軌道碎片進行升軌操作，從而達到保護在軌航天器不受碎片撞擊或大幅降低撞擊風險的目的。

目前，美國正在發(fā)展新型太空碎片碰撞規(guī)避技術。

一是發(fā)展針對1～5cm太空碎片的規(guī)避技術。航天器通過加裝防護系統(tǒng)，可抵御1cm以下的太空碎片；美國防部和NASA當前的地基雷達和望遠鏡可跟蹤、預測5cm以上碎片的軌跡，然后通過遠程機動衛(wèi)星實現(xiàn)避碰；而針對1～5cm尺寸的碎片，尚無最佳解決方案。美國科學家提出在衛(wèi)星上裝備固體推進器和紅外熱像儀，開展驗證工作。紅外熱像儀不需地面監(jiān)視即可幫助衛(wèi)星快速檢測數(shù)十米范圍內(nèi)中等大小碎片產(chǎn)生的熱量信息，而固體推進劑的高推力可使衛(wèi)星在不到1s時間內(nèi)快速避碰。

二是發(fā)展適時碰撞規(guī)避技術。NASA正在發(fā)展碎片適時碰撞規(guī)避技術，當太空碎片即將與在軌航天器碰撞時，采用地基激光器發(fā)射激光作用在太空碎片表面，使其改變運行軌道，從而避免碰撞的發(fā)生。該技術目前仍處于早期研究階段，仍面臨諸多法律或政策挑戰(zhàn)。

三是發(fā)展衛(wèi)星自動碰撞規(guī)避技術。美國航天初創(chuàng)公司Kayhan航天公司正在開發(fā)衛(wèi)星碰撞評估與規(guī)避系統(tǒng)。該系統(tǒng)可融合國防部、衛(wèi)星運營商以及其他商業(yè)公司所提供的太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行自動分析，為運行商提供避免衛(wèi)星碰撞的建議和選擇。

2.4 拉攏盟國打造以美國為核心的太空交通管理國際體系

2019年9月，日本經(jīng)濟新聞網(wǎng)報道，美國和日本兩國政府即將達成一項協(xié)議，計劃共同打造一個覆蓋全球任何空域的太空交通管理系統(tǒng)，對各國在軌衛(wèi)星進行有效管理。同時，該系統(tǒng)也具有一定的軍事用途。如果地球軌道上存在對美日有威脅的衛(wèi)星，那么通過該系統(tǒng)可以快速反饋給情報部門，為后續(xù)行動提前做好數(shù)據(jù)收集。利用該系統(tǒng)還可以管制地球軌道，控制他國的衛(wèi)星活動。2019年10月國際宇航大會期間，美國與法國簽署協(xié)議，將在太空交通管理、太空安全和太空態(tài)勢感知方面加強合作，包括共享太空態(tài)勢感知信息、避免太空碰撞加強協(xié)調(diào)和溝通。

3 幾點認識

3.1 太空交通管理將成為太空國際規(guī)則制定新熱點

2015年，太空交通管理議題成為外空委法律小組委員會常設議題，國際社會圍繞該議題展開激烈討論，并成功與 “外空活動長期可持續(xù)性”（LTS）、太空碎片減緩等議題形成強烈互動，成為當前外空規(guī)則治理體系中熱點問題。2016年，美NASA發(fā)布 “關于太空交通管理評估、框架和建議”報告，2018年國際宇航科學院 （IAA）發(fā)布 “太空交通管理執(zhí)行路線圖”，基本完成了該議題相關學術理論準備工作。同時經(jīng)過多年LTS的談判，目前協(xié)商一致通過的指南準則基本為實施太空交通管理提供了保障。在美發(fā)布太空交通管理政策后，為落實其政策指示，美也將會通過不同平臺，如外空委科技小組委員會、法律小組委員會平臺及雙邊協(xié)議，推動各國采取其標準和做法，各國圍繞該議題將開展新一輪的博弈。

3.2 美意圖通過國內(nèi)政策搶抓國際太空交通管理主導權(quán)，強化太空領域非軍事領導權(quán)

太空交通管理將涉及太空態(tài)勢感知、太空碎片管控、數(shù)據(jù)共享、交通規(guī)則制定、統(tǒng)一監(jiān)管、國際協(xié)調(diào)等多方面，已觸及太空控制權(quán)問題，日益受到關注。目前，缺乏具有約束性的太空交通管理國際法律和政策，美國出臺太空交通管理政策，實際是以國內(nèi)政策搶抓國際太空交通管理主導權(quán)。美國出臺的太空交通管理政策雖然面向國內(nèi)發(fā)布，但明確指出要將相關標準與實踐推向國際。美國由商務部管理維護民用部分太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)庫并負責防止在軌碰撞，淡化了太空態(tài)勢感知的軍事色彩，便于國際社會接受，有利于在國際上確立其領導權(quán)。

3.3 將增強美國太空攻防能力

特朗普執(zhí)政以來，將太空視為大國競爭的關鍵領域，強化太空作戰(zhàn)能力建設。美國積極推進太空交通管理相關技術發(fā)展，將進一步增強美太空攻防對抗能力。

一是增強太空態(tài)勢感知能力。美將利用其太空態(tài)勢感知能力強勢主導推動太空交通管理進程，并通過太空交通管理這一方式強化太空領導權(quán)。目前美國已經(jīng)與世界各國、政府間組織和商業(yè)航天公司簽署了117份太空態(tài)勢感知數(shù)據(jù)共享協(xié)議 （至2020年7月），并繼續(xù)增長。美部署的新一代S波段 “太空籬笆”雷達可將太空目標跟蹤編目數(shù)量從當前的2.6萬增至10萬以上，使美軍太空監(jiān)視網(wǎng)的覆蓋范圍與探測數(shù)量獲得大幅提升。結(jié)合在印度反衛(wèi)試驗期間已經(jīng)驗證的對高動態(tài)事件的快速反應能力，S波段 “太空籬笆”還將幫助美軍太空監(jiān)視網(wǎng)進一步獲得及時探測、預知威脅太空資產(chǎn)和航天任務的各類異?；顒幽芰?，從而促進美軍太空域感知能力從發(fā)現(xiàn)型向預測型轉(zhuǎn)變。

二是增強太空對抗能力。太空碎片清除技術是典型的軍民兩用技術，主要面對對象是在軌失效的非合作目標。一旦發(fā)生戰(zhàn)事，太空碎片清除技術可以將清除目標定位為敵方衛(wèi)星，對敵方在軌衛(wèi)星進行清除或破壞。多數(shù)太空碎片主動清除技術完全可以直接用于太空對抗活動。美國以發(fā)展太空碎片清除技術為掩護，發(fā)展太空操控技術，將顯著增強其太空攻防能力。