【智库声音】美日“太空交管局”覆盖全空域!太空交通管理的机遇与挑战

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引 言

风险增加

为了满足人类对太空资源利用的需求,太空活动次数逐年增加,尤其是近年来OneWeb、StarLink等大规模低轨星座的规划和建设,使得地球外层空间中各类航天器、太空碎片等物体数量迅速增长,导致人类太空活动碰撞的风险或者碰撞问题增加[1]。航天器残骸、空间陨石以及行星粒子等在地球外层空间的确切的数量尚不清楚。即使只有毫米量级大小的太空碎片也有可能会破坏价值数百万美元的航天器。因此,有必要开展太空交通管理的研究,支撑未来航天器的入退轨以及在空间中长期运行等人类的太空活动。从航天器发射、入轨、在轨使用以及报废的整个全生命周期的阶段均在太空交通管理的范畴。包括碰撞避免和重新入轨协调等防止出现空间损害的活动,将卫星离轨和移入坟墓轨道等减少未来冲突的活动。

美国抢占制度先机

太空交通管理系统离不开覆盖地球外层人类活动区域的空间态势感知,其可以使得航天安全达到可接受的水平[2]。虽然至今人们的主要精力还是放在增强不同操作平台的协调能力、提高空间态势感知能力上,但是,已经开始意识到太空交通管理系统的重要性,并开始初步展开相关的研究工作[3]。

2018 年6月,美国总统特朗普在国家航天委员会第三次会议上签署了“3号航天政策令”《国家太空交通管理政策》。

该管理政策的主要目的在于防范因日益拥挤、竞争加剧造成的太空活动风险,保持美国在太空战略的优势地位。同时,该政策也为确保美国在太空交通管理和缓解太空碎片影响等领域的领导地位提供了指引和方向。

技术手段

从目前可用的技术角度来看,两个主要的太空垃圾及航天器的探测手段为基于光学的设备和基于微波的雷达[4]。美国、俄罗斯有诸如“太空篱笆”等专门的太空垃圾探测雷达系统。它与美空军陆基光电深空探测系统、导弹预警雷达网和太空监视系统共同构成从近地轨道到深空轨道的立体空间目标监视系统。俄罗斯科学院航天委员会于2018年7月批准成立太空碎片问题委员会。他们利用大数据技术,预测太空碎片在近地轨道的运动和进一步扩散情况,用于揭示太空目标运动的规律和倾向。

技术热点:空间碎片移除

同年7月,日本宣布介入空间碎片移除计划,主动参与太空目标监视,与有关机构合作移除漂浮在太空中的危险碎片,保障空间中卫星

的安全。该计划打算2022年前在山口县山阳小野田市部署太空监视雷达,于2023年完成太空段部署并运营。在美国的帮助下,日本拟于2022年之前发射太空物体移除卫星,采用与太空垃圾并排飞行的方式完成图像拍摄、数据收集,进而掌握太空垃圾的飞行方式,尝试用具有清除功能的其他卫星完成卫星垃圾的捕获。目前同步轨道卫星的处置方式是将其送入位于地球同步轨道上方数百千米处的“墓地轨道”。此外,欧空局将于2023年发射实验航天器验证大型报废卫星移除技术。

美日打造首个“太空交管局”

此外,为了避免发生卫星相撞的惨剧,美国和日本两国政府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武器级卫星,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。

国内还在起步

在国内,对于太空交通管理方面的研究还处在起步阶段,相关的报道很少。西安卫星测控中心通过测控网能够对在轨航天器进行测量及跟踪,但对于空间碎片等太空物体的监测能力不足。目前国内主要的太空垃圾探测手段是光学探测,而类似雷达探测系统未见有相关的报道。虽然国内在天基、地基、红外以及雷达探测空间物体方面进行着积极的探索,但是在空间态势感知方面还存在着不小的差距,尚未建成高效统一的空间态势感知体系。

本文首先研究了现有的空间条约以及相关的组织;其次,提出了太空交通管理系统的方案,在此基础上给出系统架构以及参考模型等;最后,讨论了技术和政策方面的挑战与机遇,并给出了一些空间交通问题的建议。

【报告】太空治理的3个关键问题(全文精华版)

1 目标及基本情况

1.1 功能及目标

太空交通管理系统采用信息化的手段监测太空中的各类航天器以及太空碎片等的运行状态,通过天域管理、太空安全管控等手段,进行太空物体管理并控制其分布。在此基础上,提供太空交通服务,保障各类用户的太空活动秩序,有效规避干扰并避免碰撞等各类危险,实现航天器的避障预警、交通管理等。太空交通管理系统在平时作为基于规则的太空治理平台,在特定场景下作为民商等航天资源的支撑平台。通过合理使用,达到保护人造航天器、减小潜在电子或光学干扰、减小潜在物理干扰、减少空间天气引起的异常、优化太空资源配置以及依据现有空间法解决冲突等目标。

1.2 国际组织及条约情况

该领域的重要国际组织主要包括国际电信联盟(ITU)、联合国外空司(UNOOSA)、国际宇航联(IAF)以及跨国太空碎片协调委员会(IADC)等

  • 国际电信联盟的主要职责为标准化和规范化国际无线电和电信系统,也可以协调地球同步通信卫星的轨道。
  • 联合国外空司主要职责为执行与空间有关的政策并促进和平利用外层空间的国际合作,其维护地球外层空间物体的信息,并执行《空间应用方案》,该机构还提供空间科学和技术用于所有国家的经济和社会发展。国际宇航联的成员来自行业、专业协会、政府组织和学术团体,是一个非政府和非营利组织,其与国际空间法学会共同组织年度国际宇航大会,鼓励开展空间知识探索的合作,促进空间资源的利用并造福人类。
  • 跨国太空碎片协调委员会由多个国家政府机构组成,主要职责是协调与地球轨道上的碎片问题相关的活动,目的是审查正在进行的合作活动并确定减少碎片的方案,交换关于空间碎片研究活动的信息,支持空间碎片研究方面的合作。此外,诸如国家航天局、欧洲航天局等一些组织也有可能为未来太空交通管理提供重要的支撑。

1959年,联合国主持成立的“特设委员会”第一次尝试审议国际空间使用协定。该委员会编写了一份报告,该报告为有关空间国际协定的未来工作奠定了基础和指导。在随后的国际条约中涉及到了许多其中的内容。

出于和平目的在地球轨道上可以开展完全自由的空间活动原则在1967年生效的《外空条约》中被确立。其他有关的条约,比如《营救协定》、《责任公约》、《登记公约》和《月球协议》等在随后分别出现[5-7]。合理利用这些条约中的有关规定,可以在一定程度上有效防止任何国家滥用外层空间。这些条约对批准他们的政府具有法律约束力,但是,对于其他政府或机构可能具有的约束力有限。在某种程度上,外层空间法及其条约可以促进国际合作、信息交流和传播。

2 系统设计

为了实现本文1.1节中描述的目标,需要设计合理的太空交通管理系统,为各国政府、商业运营商以及国际组织等提供可靠和及时的服务。太空交通管理系统是建立在信息网络之上的信息服务系统,必须将来自全球各个商业空间运控中心、政府空间运控中心和监测站等部分的数据进行有效的整合并连接在一起。建立通用的通信架构,实现与其他系统的互连互通,达到信息的自由、可靠的访问及共享。由于存在不同国家和组织的系统的互连互通,通信接口及相关的数据协议转换将是一项复杂和艰巨的任务[8]。这就要求通信系统需要使用通用的并得到大家认可的协议。目前,得到广泛使用的数据格式为JSON。它是一种轻量级的数据交换格式,易于理解,可以轻松扩展以适应可能存在的数据需求。

在本节中,将介绍太空交通管理系统可能的概念框架、功能组成以及参考模型等,在此基础上深入描述提供的各个服务的情况。

2.1 概念框架

太空交通管理网络体系结构的概念框架图如图1所示。为了满足空间物体管理的需求,太空交通管理涉及到与许多其他系统的信息交互。太空交通管理服务部分通过信息网络连接综合空间态势感知系统、联合评估系统、补充数据系统、太空物体清理系统、航天信息系统以及不同运营商的控制系统等部分,实现太空物体信息的获取以及服务信息的共享等。

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图1 太空交通管理体系结构概念框架

为了实现太空交通管理的功能和目标,系统必须具有相对应的能力。

  • 评估方面,具有事前和跟踪评估的能力。
  • 风险应对方面,具有风险管理机制,将太空交通运行安全的风险降低到可接受的程度。
  • 碰撞规避方面,具有对航天器碰撞的预测及避免碰撞的线路规划或干预能力。
  • 寿命预测方面,具有对太空碎片寿命预测功能。在抗毁方面,具有容灾备份能力及应急响应能力。

对于整个太空交通管理系通来说,其通过数据采集与分发分系统获取航天测控网、地面站网以及太空物体数据模拟分系统等各个部分的观测或者仿真数据。在太空数据管理分系统中实现空间物体轨位等信息的存储管理,通过太空运行服务分系统实现航天器发射、在轨运行以及再入段的任务规划等。此外,利用收集的太空物体等数据实现风险预测、寿命预测以及告警等,最终对太空态势等信息进行综合呈现。

2.2 系统结构

太空交通管理系统的功能组成如图2所示,在此采用系统—分系统—子系统的方式进行描述。太空交通管理原型系统按照功能特点,可以分为综合管理、专业管理、数据采集分发以及支撑平台等部分。

  • 综合管理主要进行统计信息的呈现、处理以及管理等。
  • 专业管理主要包括太空物体数据模拟分系统、太空碎片寿命预测分系统、太空监视和跟踪分系统、太空冲突管理分系统、太空数据管理分系统、太空运行服务分系统、太空预警分系统等。这些分系统在专业领域层面实现对太空物体运行的预测、监视以及管理等。
  • 数据采集分发主要实现异构数据的采集、转换以及将信息分发给各个分/子系统或者其他功能模块。
  • 支撑平台主要由云管理平台分系统以及公共应用平台分系统组成,主要提供软件系统的运行环境,保障系统的可靠稳定运行。在原型系统的软硬件实现方面,采用UI层、SaaS层、PaaS层、DaaS层、IaaS层等软硬件的实现架构。

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图2 太空交通管理原型系统结构

2.3 服务及应用

在系统结构分析的基础上,给出太空交通管理系统参考模型,如图3所示。在该图中明确了服务端和应用端,其中应用端部分包括政府空间运行中心和商业空间运行中心。监视和跟踪管理部分利用空间感知传感器实现对任务的响应,获取空间物体的监测数据和跟踪数据,为数据管理提供所需的信息。该功能部分实现的前提是构建互连互通的信息网络,将来自世界各地的监测站和地面站数据汇聚起来,并实现信息层面的数据解析和整合。地球陆地以及空间中的监测站监视并跟踪包括卫星、飞船、空间站、火箭及其零部件等在内的所有空间交通情况,同时还监测空间中的碎片以及空间天气等。

太空交通管理系统稳定运行需要大量的监测数据及信息,但是,这些数据来自于不同国家和国际组织,因此需要制定具有约束力的并获得普遍认同和执行的条约或者合同。该系统通过联网手段实现对空间中所有物体位置及其运行轨迹的高精度监测与跟踪,进而能够及时的响应系统对空间物体信息的需求。

为了实现对空间物体的交通管理,需要建立一个能够实现全球数据共享的数据库。该数据库保存空间中所有被监测和跟踪的空间物体或其他资源,并进行编目管理,主要包括空间碎片、空间天气信息、航天器以及射频频谱利用率等。依托该数据库,建立通用的数据结构以及数据使用策略。通过采用标准化的数据结构,最大程度地减少来自不同系统中数据的格式转换工作。确保太空交通管理中的所有数据均是可用、可见以及可访问的。

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图3 太空交通管理系统参考模型

服务端的太空数据管理主要包括空间天气数据库、航天器数据库、空间碎片数据库以及空间射频信息数据库等。

  • 空间天气数据库能够实现有关空间天气的信息服务。
  • 航天器数据库能够维护航天器运行相关特性的详细信息,比如拥有者、使用者、发射时间、轨道参数、机动时间、功能、机动能力、离轨时间等。
  • 空间碎片数据库能够对自然的和人造的空间碎片信息进行管理和维护。
  • 空间射频信息数据库能够实现对空间通信频谱相关信息的管理和维护。

太空数据管理的目标是能够对空间物体或其他资源信息的可见、可访问、可理解以及可信任等,实现对数据的共享、互操作以及对用户使用数据的需求做出及时的响应。

空间物体运行管理主要为政府或商业用户提供航天器在轨运行阶段和再入轨阶段的咨询服务。可用的运行轨道和发射窗口是航天器能够发射入轨的至关重要的参数。其可以确定待发射入轨航天器的可用轨道以及具有最小碰撞或干扰概率的发射窗口。在航天器在轨运行阶段,能够对可能发生的碰撞进行空间交通管理协调;进而确定可用的轨道,并为受影响的用户推荐机动规划,避免紧急机动和可能产生的碰撞。由于机动规划可能需要针对涉及到的有关用户开展一系列的协调工作,因此,该部分需要具有能够解决涉及到碰撞风险的用户之间的包括复杂机动规划排序以及调度问题等方面协调的能力。对于再入轨阶段,能够支持航天器在减少空间碎片的基础上安全地进入相关的空域。采用实时的消息推送方式为应用端的政府和商业用户提供航天器各个阶段机动情况。伴随着人类在太空领域的合作以及对太空探索的推进,也可以在太空救援行动方面提供一定的服务支持。

太空告警部分主要对碰撞、干扰以及空间天气等情况进行预测和告警。该部分能够接收在轨航天器发送的部件损坏和故障信息,并将该信息存储和推送给与该航天器相关的用户。在空间物体碰撞方面,能够估计空间物体碰撞的概率、评估航天器损坏和受干扰的风险等级。同时,能够将可能发生的碰撞、损坏或者干扰等信息推送给相关航天器的用户,并给出告警信息。在很大程度上该部分能够为太空交通管理系统实现航天器交通协调提供有力的支撑。

太空冲突管理部分需要具有评估航天器是否符合国际法规或者有关的条约的能力,进而解决不同政府或者商业用户之间可能产生在轨或计划入轨方面的冲突,评估相关投诉或者不遵守国际法规的政府或商业用户,为相关方提供航天器信息和专业领域方面的支持。此外,对可能引起太空冲突事件的风险进行预测,协调不同用户的活动并避免可能产生的冲突。

2.4 关键技术

太空交通管理的知识范围囊括了多门学科,涉及到多项关键技术,主要为:

1)太空交通管理总体技术;

2)基于多源信息融合的空间物体定位定轨技术;

3)太空交通风险评估及预测技术;

4)航天器避撞及控制技术;

5)一体化高效智能天域管理技术;

6)轨道碎片清除技术。

3 挑战与机遇

太空交通管理与现有的海上航道、地面公路甚至空中交通管理系统相比具有一些独特的自身问题[9]。这些问题主要体现在技术和规则等两个方面。需要强调的一点是,虽然太空交通管理的主题已经讨论了很多年,但是相关的文献资料却比较少。从有关资料中不难看出,这不是技术上的问题而是规则上的问题,它妨碍了对太空交通管理领域相关问题的深入研究,进而影响了该主题的论文数量。但是,从长远来看,实现太空交通管理系统的主要因素为在轨重大空间资产的碰撞风险和商业卫星运营商的利益。

3.1技术方面

相比与地面、海面等二维的交通控制管理,处在地球外层三维空间的太空交通管理显得更加复杂。由于太空中物体所处的外层空间环境以及其自身速度极高,致使其存在许多技术方面的关键挑战问题。需要明确一点,针对未来太空中存在大量航天器的情况,目前已有的空间监测系统的能力和准确性不足以满足需求,不能实现全天时、全天候、多手段的太空空域的全覆盖问题,无法为所有航天器提供轨道规避服务。众所周知,即使是很小的太空物体也有可能造成大型卫星的损坏。此外,太空交通的参考系统不同于二维的地面交通系统的情况,其是在三维空间中使用特定的参考系。

地球外层空间的物体往往由于受到大气阻力、地球扁率、太阳辐射压、天体引力以及意外的推力等的影响,轨道会出现扰动\摄动。由于空间物体沿轨道运行具有时变的特性,需要定期进行捕获和跟踪,进而完成其轨道计算。位于赤道上方的地球静止同步轨道(GEO)的卫星位置数量是有限的,为了充分利用资源,不得不将几颗卫星放置在曾经被单个卫星占用的位置;这种情况直接导致了卫星的运行变得越来越复杂,某些轨道位置变得越来越繁忙,需要发展先进的技术予以解决。

在航天器机动方面,目前存在一定数量在轨运行卫星无法执行任何的机动,这给太空交通管理带来了新的风险。比如,曾经提出的太空天梯之类的新兴技术概念,若得以实施将给太空交通管理带来新的复杂问题。一旦商业飞船成熟,亚轨道载人太空飞行旅游人数可能会增加。卫星通信等网络的兴起,尤其是OneWeb、StarLink星座的建设,致使未来空间中卫星的数量急剧增加,给太空交通管理带来新的挑战。此外,目前人们对于空间天气的了解仍然很有限。

3.2 规则方面

在之前人类探索太空的历史长河中,政府将主要精力放在了太空领域的探索中,很少将太空交通管理放在重要的位置予以关注。到目前为止,除了人为的太空碰撞之外,在太空中,发生自然条件下的空间物体相撞的次数很少,但是世界航天界已经认识到太空交通的重要性和必要性。不难看出,为了实现良好的太空交通管理,不仅仅是发展技术能力,还需要具有相当国际约束力的法规制度[10]。

在利益相关方上,太空交通管理涉及到的利益相关方主要为政府、飞行器运营商以及服务提供商。政府的职能为通过实施具有国际约束力的法规,确定和保护为国家安全、公共利益和商业活动进行公平利用空间的权利。飞行器运营商在其职责范围内确保航天器在正确的轨位上,使其卫星平台工作正常。服务提供商利用卫星载荷的业务能力提供具体的应用服务。只有各个利益相关方在其职责范围内各司其职,才能实现良好的太空交通管理。

在相关国际协议上,为了对人造航天器进行有效的统筹管理,需要各国在遵守有关协议的基础上提供其发射航天器的详细信息和后续处理的信息。目前,由于缺乏具有约束力的全球协议/条约,某些国家可能会不合作。不难看出,如果不制定合理的、具有约束力的协议,就无法实现与其他国家进行相关的协调。

在太空交通管理制度上,必须规定符合现有空间条约的强制执行和检查机制。使得各国提前分布航天器发射信息,完成航天器相关信息的注册,并确保航天器在空间的安全运行。该制度还需要考虑在出现航天器碰撞风险时,各国应该承担的航天器机动规避义务,以及航天器发生碰撞后应该承担的赔偿责任。此外,各国的军事需求情况、太空电梯等新兴的技术等还需要在该制度上予以考虑。太空交通管理能够实施的前提条件是能够给各个国家带来好处并能够降低甚至避免航天器碰撞的风险等。制度的制定和执行必然会带来一定的在自由方面的限制,会对航天器自由进出太空空间带来一些影响。因此,需要在安全与公平、公正之间进行平衡。

此外,在任务以及服务分工上还需要理清一些问题。比如服务提供商、不同服务的实施主体、有些事项怎么委派给相关的国家或国际机构等。需要说明的一点是,有些服务可以从商业公司中得到,因此可以鼓励并引导商业公司投资所需的硬件、软件和人力以换取可以盈利的部分业务。

结 语

本文描述了与太空交通管理有关的现状,提出了可能的概念框架、系统组成以及参考模型。在此基础上分析了在技术和规则方面可能遇到的挑战与机遇。从太空领域技术的发展规律上来看,太空交通管理系统的实现必须建立在对已有系统的升级改造、软硬件的集成、已有功能模块的复用重用以及新功能模块研发的基础之上。虽然太空交通管理涉及到的所有情况难以达成国际共识,但是可以在规则最小约束下保持空间领域的自由开放。处理国际事务的联合国可能会为其实施提供某些支持,从而在目标上达到航天器安全运行与自由进出外层空间之间的折中。反之,若不能很好的实施太空交通管理,日益增加的太空活动将使太空碰撞等问题变得更加严重。本文的研究可以为未来太空交通管理体系设计和系统建设提供有力的支撑。