低軌巨型星座正在深刻影響世界航天

崔瑞飛 趙治 陳治科 張壹 陳思睿 吳曉杰（西安衛(wèi)星測控中心）

近年來，低軌巨型星座發(fā)展步入快車道，導(dǎo)致低軌空間目標(biāo)數(shù)量以前所未有的速度迅猛增長，給載人航天、在軌衛(wèi)星運行、航天發(fā)射等活動帶來巨大風(fēng)險。為此，本文梳理了低軌巨型星座發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，研究了其對世界各國航天活動的影響，針對低軌巨型星座穩(wěn)定、健康、有序發(fā)展的迫切需求，提出了維護外空活動長期可持續(xù)發(fā)展的意見建議。

1 低軌巨型星座發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

低軌巨型星座發(fā)展現(xiàn)狀

2015年，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）公布了“星鏈”（Starlink）計劃，開啟了商業(yè)航天新時代[1]。根據(jù)美國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）年度報告，2020年全球執(zhí)行的114次發(fā)射活動中，商業(yè)發(fā)射占據(jù)了94次。2021年全球的146次發(fā)射活動中，商業(yè)發(fā)射為113次，其中，僅SpaceX公司的獵鷹－9（Falcon－9）火箭就執(zhí)行了30次發(fā)射任務(wù)[2]。

商業(yè)航天蓬勃發(fā)展最典型成果為低軌巨型星座，其中，以美國SpaceX公司的“星鏈”衛(wèi)星星座最為著名，現(xiàn)為全球最大的低軌巨型星座。該公司擬在2019～2024年的5年時間內(nèi)，通過批量發(fā)射的方式將12000顆衛(wèi)星運送至低地球軌道（LEO）。截至2022年8月31日，“星鏈”已累計發(fā)射3208顆，其中2932顆在軌運行。該星座目前已部署的衛(wèi)星主要分布在340km高度的調(diào)整軌道和550km高度的工作軌道上[3]。

除美國SpaceX公司的“星鏈”衛(wèi)星外，其他國家商業(yè)公司也提出了各自低軌巨型星座的計劃，具有代表性的包括（截至2022年8月31日）：英國一網(wǎng)公司（OneWeb）計劃部署6372顆（已成功發(fā)射428顆，其中426顆在軌運行）；加拿大電信衛(wèi)星公司（Telesat）計劃部署298顆；美國亞馬遜公司（Amazon）計劃部署3236顆[3-6]。

低軌巨型星座總體發(fā)展趨勢

根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，截至2022年8月31日，在軌低軌巨型星座衛(wèi)星總計4046顆，占全部在軌低軌衛(wèi)星總數(shù)的55%，尤其是400～600km高度上，巨型星座占據(jù)了70%以上，1200km高度上更是達(dá)到89%，僅100顆衛(wèi)星以上的巨型低軌星座就有6個[3]。從時間線上看，2020年發(fā)射916顆，2021年1366顆，2022年前8個月就達(dá)到1618顆，按照已發(fā)布規(guī)劃，2022年將發(fā)射近1800顆[5]。

當(dāng)前，低軌巨型星座仍在不斷發(fā)展，越來越多公司宣布了其低軌巨型星座計劃。從目前世界各國公開的建設(shè)計劃來看，未來10年，全世界擬部署的低軌巨型星座衛(wèi)星將超過5萬顆。若所有低軌巨型星座均按計劃如期完成，在軌衛(wèi)星數(shù)量將超過Space-Track網(wǎng)站目前發(fā)布的已編目空間碎片總數(shù)，這或?qū)⒊蔀橛绊懣臻g安全態(tài)勢的最大因素。

2 低軌巨型星座對世界各國航天活動影響

當(dāng)前，低軌巨型星座發(fā)展總體處于無序狀態(tài)，原有的航天秩序逐漸被打破，太空態(tài)勢正在發(fā)生前所未有的變化，這對世界各國航天活動帶來了巨大影響。

對空間站及航天員安全帶來巨大風(fēng)險

以中國空間站為例，其運行高度約在380～400km之間，低軌星座衛(wèi)星入軌、運行和離軌過程均穿越上述軌道區(qū)域，增加了碰撞風(fēng)險。2021年7月和10月，“星鏈”衛(wèi)星曾兩次接近中國空間站，迫使空間站變軌，對航天員生命安全、空間站運行安全構(gòu)成了現(xiàn)實威脅[7]。上述行為也違反了《關(guān)于各國探索和利用外層空間包括月球與其他天體活動所應(yīng)遵守原則的條約》（即《外空條約》）第5條有關(guān)規(guī)定1《外空條約》第5 條規(guī)定， “ 各締約國應(yīng)把其在外層空間（ 包括月球和其他天體） 所發(fā)現(xiàn)的能對宇宙航行員的生命或健康構(gòu)成危險的任何現(xiàn)象， 立即通知給其他締約國或聯(lián)合國秘書長” 。。

目前規(guī)劃中的低軌巨型星座一旦部署完成，可以預(yù)計，對中國空間站的威脅將進一步增加，嚴(yán)重影響航天員安全和在軌試驗任務(wù)。“國際空間站”（ISS）以及其他國家載人航天器也將面臨同樣風(fēng)險。

對近地空間在軌衛(wèi)星安全運行構(gòu)成現(xiàn)實威脅

低軌目標(biāo)數(shù)量激增將增加空間目標(biāo)在軌碰撞風(fēng)險，影響近地空間在軌衛(wèi)星的安全運行?，F(xiàn)有低軌衛(wèi)星主要分布在高度400～1000km的軌道上，近地點高度通常大于370km，與低軌巨型星座衛(wèi)星交會頻繁，對各國衛(wèi)星在軌運行安全構(gòu)成很大威脅[1]。從巨型星座公司官網(wǎng)公布的精軌數(shù)據(jù)來看，低軌巨型星座不僅部署規(guī)模大，而且入軌離軌持續(xù)機動，導(dǎo)致在軌目標(biāo)近距離接近風(fēng)險研判和規(guī)避難度加大，進一步增加了碰撞風(fēng)險。

2019年9月2日，歐洲航天局（ESA）宣稱，其“風(fēng)神”（Aeolus）地球科學(xué)衛(wèi)星與美國星鏈－44衛(wèi)星存在潛在碰撞風(fēng)險，并開展了碰撞規(guī)避[8]。

2021年5月30日，OneWeb公司公布，其收到美國天軍第18太空防御中隊（原名“第18太空控制中隊”）“最高等級”通報，一顆“星鏈”衛(wèi)星可能與一顆OneWeb衛(wèi)星發(fā)生碰撞，碰撞概率高達(dá)1.3×10-2（一般緊急通報的碰撞概率門限為1.0×10-4，最高等級通報門限為1.0×10-2）[9]，后者因此緊急實施了碰撞規(guī)避。

ESA Aeolus衛(wèi)星與美國星鏈－44風(fēng)險交會情況（來源：ESA）

對各國航天發(fā)射活動造成實質(zhì)影響

低軌大規(guī)模星座在近地空間形成高密度“太空網(wǎng)格”，將地球進行多層包裹，讓低軌空間變得更加擁擠，大幅壓縮世界各國航天發(fā)射活動安全窗口，增加碰撞風(fēng)險。

據(jù)歐洲空間碎片研究科學(xué)家估計，根據(jù)2019年數(shù)據(jù)，每周“星鏈”星座內(nèi)部衛(wèi)星之間的近距離交會事件約有1600起，占全部在軌衛(wèi)星間交會事件的50%。隨著“星鏈”衛(wèi)星的不斷發(fā)射部署，上述數(shù)字將不斷增長，一旦“星鏈”完成12000顆的部署計劃，這一比例預(yù)計將達(dá)到90%[10]。

美國國家航空航天局（NASA）曾于2022年2月8日，致函聯(lián)邦通信委員會（FCC），認(rèn)為第二代“星鏈”星座會干擾NASA正常發(fā)射和科學(xué)活動，使“國際空間站”人員貨物運輸受到影響，還擔(dān)心安全發(fā)射窗口越來越不可用[11]。未來，隨著低軌巨型星座加快部署、在軌規(guī)模不斷擴大，將進一步壓縮發(fā)射安全窗口，對世界各國航天發(fā)射活動將造成不容忽視的影響。

對頻軌資源平等使用形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

目前,近地空間衛(wèi)星的頻率、軌道資源分配主要由國際電信聯(lián)盟（ITU）負(fù)責(zé)。其分配方式主要分為兩種，一種是“預(yù)先規(guī)劃”式，即將預(yù)先劃分出的頻率和軌道資源分配給各成員國；另一種是“先到先得”式，即對于非規(guī)劃的頻軌資源，申請方按照規(guī)定程序向ITU提出應(yīng)用申請，ITU將符合規(guī)定的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料登入國際頻率登記總表。

低軌巨型星座的快速發(fā)展已對世界各國頻軌資源開發(fā)利用形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[12-13]。當(dāng)前，SpaceX公司向ITU申報有37份網(wǎng)絡(luò)資料，已經(jīng)占據(jù)了對網(wǎng)絡(luò)資料的優(yōu)先協(xié)調(diào)地位，且正在以快速部署實際占用低軌優(yōu)質(zhì)頻軌資源[1]。總體來看，用于中低軌道通信的Ku頻段資源已基本被幾大星座占用完畢，其他各國和機構(gòu)已無“可用之機”；其他主要頻段資源也已成為多個星座申報目標(biāo)，為其后續(xù)系統(tǒng)擴展奠定了基礎(chǔ)。

低軌星座開始越出商業(yè)圈涉足軍事領(lǐng)域

毫無疑問，低軌巨型星座的迅速發(fā)展給全球人民帶來很大便利，惠及互聯(lián)網(wǎng)、通信、導(dǎo)航、遙感等多個方面，是世界航天史上的里程碑，是商業(yè)航天劃時代的標(biāo)志。然而，2018年“星鏈”星座啟動部署后，美國空軍和陸軍先后與SpaceX公司簽署了“星鏈”通信服務(wù)采購合同，將其應(yīng)用場景拓展到軍事領(lǐng)域,并于2019年美國空軍在AC-130飛機上成功測試了與“星鏈”的數(shù)據(jù)連接[14-16]。截至目前，“星鏈”衛(wèi)星還參與了美軍“先進戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)”（ABMS）跨域演習(xí)等聯(lián)合性作戰(zhàn)演習(xí)[17]。

在俄烏沖突中，“星鏈”衛(wèi)星高調(diào)介入，并深度參與軍事行動，為烏克蘭政府、國防和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施提供連接互聯(lián)網(wǎng)冗余支持，為作戰(zhàn)部隊提供情報數(shù)據(jù)，保障了地面打擊力量指揮鏈的順暢，協(xié)助實現(xiàn)對俄軍“快、準(zhǔn)、狠”打擊。可見，“星鏈”在俄烏沖突中扮演著至關(guān)重要的角色，對烏克蘭戰(zhàn)斗力提升發(fā)揮著重要作用[18]。

3 確保低軌巨型星座有序發(fā)展的建議

長期以來，中國始終致力于外空活動的長期可持續(xù)發(fā)展。針對低軌巨型星座深刻變革外空態(tài)勢這一新興問題，中國借助聯(lián)合國和平利用外層空間委員會的發(fā)聲渠道，積極思考、主動作為，不斷建言獻(xiàn)策，旨在為低軌巨型星座穩(wěn)定、健康、有序發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧和中國方案。

提高巨型星座信息公開透明度

各國要利用外空委或聯(lián)合國平臺，以《外層空間活動中的透明度和建立信任措施》為基礎(chǔ)，積極推動制定相應(yīng)規(guī)則，要求巨型星座公司公開透明其精密軌道數(shù)據(jù)、軌控策略、載荷特性和發(fā)展計劃等信息，為各國有針對性地開展碰撞風(fēng)險分析提供支撐，有效降低碰撞事件的發(fā)生，確保太空安全。

警惕低軌巨型星座軍事化

巨型星座內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量巨大，全球多重覆蓋，這極有可能為隱藏太空武器提供便利。如果將武器隱藏于巨型星座之中，將會對全球安全態(tài)勢造成顛覆性影響。且如前文所述，有些低軌星座已經(jīng)開始越出商業(yè)圈涉足軍事領(lǐng)域，低軌巨型星座軍事化已經(jīng)開始萌芽。這必須引起各國高度重視，團結(jié)起來、主動作為，利用各種方法，確保低軌巨型星座用于商業(yè)目的。

推動空間碎片清除與減緩技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

當(dāng)前發(fā)生太空碰撞事件的風(fēng)險大大加劇，未來隨著低軌巨型星座的進一步部署，這一局面將更加惡化。為了保護空間環(huán)境，維護外空長期可持續(xù)性，各國要未雨綢繆，加強空間碎片清除與減緩技術(shù)的研究與合作，推動技術(shù)的發(fā)展與落地應(yīng)用，為未來可能發(fā)生的“大規(guī)模碎片產(chǎn)生”做好準(zhǔn)備。

加快構(gòu)建外空環(huán)境治理新秩序

低軌巨型星座的迅猛發(fā)展使得近地空間擁擠不堪，對外空可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了巨大威脅，已成為外空國際治理的焦點和難點。為保護全人類共同的寶貴太空資源，各國必須團結(jié)起來，充分利用外空委這一平臺，擱置爭議、緊密合作，加速外空環(huán)境治理、太空交通協(xié)調(diào)和治理規(guī)則的討論和制定進程，加快法律與技術(shù)的融合、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、機制與規(guī)則的融合，為構(gòu)建太空領(lǐng)域人類命運共同體作出積極貢獻(xiàn)。