【智庫聲音】美日「太空交管局」覆蓋全空域!太空交通管理的機遇與挑戰

2020-10-01 04:24:05 4806 views
摘要

為了滿足人類對太空資源利用的需求,太空活動次數逐年增加,尤其是近年來OneWeb、StarLink等大規模低軌星座的規劃和建設,使得地球外層空間中各類航天器、太空碎片等物體數量迅速增長,導致人類太空活動碰撞的風險或者碰撞問題增加。

來源:學術plus

【智庫聲音】美日「太空交管局」覆蓋全空域!太空交通管理的機遇與挑戰

引 言

風險增加

為了滿足人類對太空資源利用的需求,太空活動次數逐年增加,尤其是近年來OneWeb、StarLink等大規模低軌星座的規劃和建設,使得地球外層空間中各類航天器、太空碎片等物體數量迅速增長,導致人類太空活動碰撞的風險或者碰撞問題增加[1]。航天器殘骸、空間隕石以及行星粒子等在地球外層空間的確切的數量尚不清楚。即使只有毫米量級大小的太空碎片也有可能會破壞價值數百萬美元的航天器。因此,有必要開展太空交通管理的研究,支撐未來航天器的入退軌以及在空間中長期運行等人類的太空活動。從航天器發射、入軌、在軌使用以及報廢的整個全生命周期的階段均在太空交通管理的範疇。包括碰撞避免和重新入軌協調等防止出現空間損害的活動,將衛星離軌和移入墳墓軌道等減少未來衝突的活動。

美國搶佔制度先機

太空交通管理系統離不開覆蓋地球外層人類活動區域的空間態勢感知,其可以使得航天安全達到可接受的水平[2]。雖然至今人們的主要精力還是放在增強不同操作平台的協調能力、提高空間態勢感知能力上,但是,已經開始意識到太空交通管理系統的重要性,並開始初步展開相關的研究工作[3]。

2018 年6月,美國總統特朗普在國家航天委員會第三次會議上籤署了「3號航天政策令」《國家太空交通管理政策》。

該管理政策的主要目的在於防範因日益擁擠、競爭加劇造成的太空活動風險,保持美國在太空戰略的優勢地位。同時,該政策也為確保美國在太空交通管理和緩解太空碎片影響等領域的領導地位提供了指引和方向。

技術手段

從目前可用的技術角度來看,兩個主要的太空垃圾及航天器的探測手段為基於光學的設備和基於微波的雷達[4]。美國、俄羅斯有諸如「太空籬笆」等專門的太空垃圾探測雷達系統。它與美空軍陸基光電深空探測系統、導彈預警雷達網和太空監視系統共同構成從近地軌道到深空軌道的立體空間目標監視系統。俄羅斯科學院航天委員會於2018年7月批准成立太空碎片問題委員會。他們利用大數據技術,預測太空碎片在近地軌道的運動和進一步擴散情況,用於揭示太空目標運動的規律和傾向。

技術熱點:空間碎片移除

同年7月,日本宣布介入空間碎片移除計劃,主動參與太空目標監視,與有關機構合作移除漂浮在太空中的危險碎片,保障空間中衛星

的安全。該計劃打算2022年前在山口縣山陽小野田市部署太空監視雷達,於2023年完成太空段部署並運營。在美國的幫助下,日本擬於2022年之前發射太空物體移除衛星,採用與太空垃圾並排飛行的方式完成圖像拍攝、數據收集,進而掌握太空垃圾的飛行方式,嘗試用具有清除功能的其他衛星完成衛星垃圾的捕獲。目前同步軌道衛星的處置方式是將其送入位於地球同步軌道上方數百千米處的「墓地軌道」。此外,歐空局將於2023年發射實驗航天器驗證大型報廢衛星移除技術。

美日打造首個「太空交管局」

此外,為了避免發生衛星相撞的慘劇,美國和日本兩國政府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,對各國在軌衛星進行有效管理。同時,該系統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武器級衛星,那麼通過該系統可以快速反饋給情報部門,為後續行動提前做好數據收集。利用該系統還可以管制地球軌道,控制他國的衛星活動。

國內還在起步

在國內,對於太空交通管理方面的研究還處在起步階段,相關的報道很少。西安衛星測控中心通過測控網能夠對在軌航天器進行測量及跟蹤,但對於空間碎片等太空物體的監測能力不足。目前國內主要的太空垃圾探測手段是光學探測,而類似雷達探測系統未見有相關的報道。雖然國內在天基、地基、紅外以及雷達探測空間物體方面進行著積極的探索,但是在空間態勢感知方面還存在著不小的差距,尚未建成高效統一的空間態勢感知體系。

本文首先研究了現有的空間條約以及相關的組織;其次,提出了太空交通管理系統的方案,在此基礎上給出系統架構以及參考模型等;最後,討論了技術和政策方面的挑戰與機遇,並給出了一些空間交通問題的建議。

【報告】太空治理的3個關鍵問題(全文精華版)

1 目標及基本情況

1.1 功能及目標

太空交通管理系統採用信息化的手段監測太空中的各類航天器以及太空碎片等的運行狀態,通過天域管理、太空安全管控等手段,進行太空物體管理並控制其分布。在此基礎上,提供太空交通服務,保障各類用戶的太空活動秩序,有效規避干擾並避免碰撞等各類危險,實現航天器的避障預警、交通管理等。太空交通管理系統在平時作為基於規則的太空治理平台,在特定場景下作為民商等航天資源的支撐平台。通過合理使用,達到保護人造航天器、減小潛在電子或光學干擾、減小潛在物理干擾、減少空間天氣引起的異常、優化太空資源配置以及依據現有空間法解決衝突等目標。

1.2 國際組織及條約情況

該領域的重要國際組織主要包括國際電信聯盟(ITU)、聯合國外空司(UNOOSA)、國際宇航聯(IAF)以及跨國太空碎片協調委員會(IADC)等

  • 國際電信聯盟的主要職責為標準化和規範化國際無線電和電信系統,也可以協調地球同步通信衛星的軌道。

  • 聯合國外空司主要職責為執行與空間有關的政策並促進和平利用外層空間的國際合作,其維護地球外層空間物體的信息,並執行《空間應用方案》,該機構還提供空間科學和技術用於所有國家的經濟和社會發展。國際宇航聯的成員來自行業、專業協會、政府組織和學術團體,是一個非政府和非營利組織,其與國際空間法學會共同組織年度國際宇航大會,鼓勵開展空間知識探索的合作,促進空間資源的利用並造福人類。

  • 跨國太空碎片協調委員會由多個國家政府機構組成,主要職責是協調與地球軌道上的碎片問題相關的活動,目的是審查正在進行的合作活動並確定減少碎片的方案,交換關於空間碎片研究活動的信息,支持空間碎片研究方面的合作。此外,諸如國家航天局、歐洲航天局等一些組織也有可能為未來太空交通管理提供重要的支撐。

1959年,聯合國主持成立的「特設委員會」第一次嘗試審議國際空間使用協定。該委員會編寫了一份報告,該報告為有關空間國際協定的未來工作奠定了基礎和指導。在隨後的國際條約中涉及到了許多其中的內容。

出於和平目的在地球軌道上可以開展完全自由的空間活動原則在1967年生效的《外空條約》中被確立。其他有關的條約,比如《營救協定》、《責任公約》、《登記公約》和《月球協議》等在隨後分別出現[5-7]。合理利用這些條約中的有關規定,可以在一定程度上有效防止任何國家濫用外層空間。這些條約對批准他們的政府具有法律約束力,但是,對於其他政府或機構可能具有的約束力有限。在某種程度上,外層空間法及其條約可以促進國際合作、信息交流和傳播。

2 系統設計

為了實現本文1.1節中描述的目標,需要設計合理的太空交通管理系統,為各國政府、商業運營商以及國際組織等提供可靠和及時的服務。太空交通管理系統是建立在信息網路之上的信息服務系統,必須將來自全球各個商業空間運控中心、政府空間運控中心和監測站等部分的數據進行有效的整合併連接在一起。建立通用的通信架構,實現與其他系統的互連互通,達到信息的自由、可靠的訪問及共享。由於存在不同國家和組織的系統的互連互通,通信介面及相關的數據協議轉換將是一項複雜和艱巨的任務[8]。這就要求通信系統需要使用通用的並得到大家認可的協議。目前,得到廣泛使用的數據格式為JSON。它是一種輕量級的數據交換格式,易於理解,可以輕鬆擴展以適應可能存在的數據需求。

在本節中,將介紹太空交通管理系統可能的概念框架、功能組成以及參考模型等,在此基礎上深入描述提供的各個服務的情況。

2.1 概念框架

太空交通管理網路體系結構的概念框架圖如圖1所示。為了滿足空間物體管理的需求,太空交通管理涉及到與許多其他系統的信息交互。太空交通管理服務部分通過信息網路連接綜合空間態勢感知系統、聯合評估系統、補充數據系統、太空物體清理系統、航天信息系統以及不同運營商的控制系統等部分,實現太空物體信息的獲取以及服務信息的共享等。

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圖1 太空交通管理體系結構概念框架

為了實現太空交通管理的功能和目標,系統必須具有相對應的能力。

  • 評估方面,具有事前和跟蹤評估的能力。

  • 風險應對方面,具有風險管理機制,將太空交通運行安全的風險降低到可接受的程度。

  • 碰撞規避方面,具有對航天器碰撞的預測及避免碰撞的線路規劃或干預能力。

  • 壽命預測方面,具有對太空碎片壽命預測功能。在抗毀方面,具有容災備份能力及應急響應能力。

對於整個太空交通管理系通來說,其通過數據採集與分發分系統獲取航天測控網、地面站網以及太空物體數據模擬分系統等各個部分的觀測或者模擬數據。在太空數據管理分系統中實現空間物體軌位等信息的存儲管理,通過太空運行服務分系統實現航天器發射、在軌運行以及再入段的任務規劃等。此外,利用收集的太空物體等數據實現風險預測、壽命預測以及告警等,最終對太空態勢等信息進行綜合呈現。

2.2 系統結構

太空交通管理系統的功能組成如圖2所示,在此採用系統—分系統—子系統的方式進行描述。太空交通管理原型系統按照功能特點,可以分為綜合管理、專業管理、數據採集分發以及支撐平台等部分。

  • 綜合管理主要進行統計信息的呈現、處理以及管理等。

  • 專業管理主要包括太空物體數據模擬分系統、太空碎片壽命預測分系統、太空監視和跟蹤分系統、太空衝突管理分系統、太空數據管理分系統、太空運行服務分系統、太空預警分系統等。這些分系統在專業領域層面實現對太空物體運行的預測、監視以及管理等。

  • 數據採集分發主要實現異構數據的採集、轉換以及將信息分發給各個分/子系統或者其他功能模塊。

  • 支撐平台主要由雲管理平台分系統以及公共應用平台分系統組成,主要提供軟體系統的運行環境,保障系統的可靠穩定運行。在原型系統的軟硬體實現方面,採用UI層、SaaS層、PaaS層、DaaS層、IaaS層等軟硬體的實現架構。

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圖2 太空交通管理原型系統結構

2.3 服務及應用

在系統結構分析的基礎上,給出太空交通管理系統參考模型,如圖3所示。在該圖中明確了服務端和應用端,其中應用端部分包括政府空間運行中心和商業空間運行中心。監視和跟蹤管理部分利用空間感知感測器實現對任務的響應,獲取空間物體的監測數據和跟蹤數據,為數據管理提供所需的信息。該功能部分實現的前提是構建互連互通的信息網路,將來自世界各地的監測站和地面站數據匯聚起來,並實現信息層面的數據解析和整合。地球陸地以及空間中的監測站監視並跟蹤包括衛星、飛船、空間站、火箭及其零部件等在內的所有空間交通情況,同時還監測空間中的碎片以及空間天氣等。

太空交通管理系統穩定運行需要大量的監測數據及信息,但是,這些數據來自於不同國家和國際組織,因此需要制定具有約束力的並獲得普遍認同和執行的條約或者合同。該系統通過聯網手段實現對空間中所有物體位置及其運行軌跡的高精度監測與跟蹤,進而能夠及時的響應系統對空間物體信息的需求。

為了實現對空間物體的交通管理,需要建立一個能夠實現全球數據共享的資料庫。該資料庫保存空間中所有被監測和跟蹤的空間物體或其他資源,並進行編目管理,主要包括空間碎片、空間天氣信息、航天器以及射頻頻譜利用率等。依託該資料庫,建立通用的數據結構以及數據使用策略。通過採用標準化的數據結構,最大程度地減少來自不同系統中數據的格式轉換工作。確保太空交通管理中的所有數據均是可用、可見以及可訪問的。

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圖3 太空交通管理系統參考模型

服務端的太空數據管理主要包括空間天氣資料庫、航天器資料庫、空間碎片資料庫以及空間射頻信息資料庫等。

  • 空間天氣資料庫能夠實現有關空間天氣的信息服務。

  • 航天器資料庫能夠維護航天器運行相關特性的詳細信息,比如擁有者、使用者、發射時間、軌道參數、機動時間、功能、機動能力、離軌時間等。

  • 空間碎片資料庫能夠對自然的和人造的空間碎片信息進行管理和維護。

  • 空間射頻信息資料庫能夠實現對空間通信頻譜相關信息的管理和維護。

太空數據管理的目標是能夠對空間物體或其他資源信息的可見、可訪問、可理解以及可信任等,實現對數據的共享、互操作以及對用戶使用數據的需求做出及時的響應。

空間物體運行管理主要為政府或商業用戶提供航天器在軌運行階段和再入軌階段的諮詢服務。可用的運行軌道和發射窗口是航天器能夠發射入軌的至關重要的參數。其可以確定待發射入軌航天器的可用軌道以及具有最小碰撞或干擾概率的發射窗口。在航天器在軌運行階段,能夠對可能發生的碰撞進行空間交通管理協調;進而確定可用的軌道,並為受影響的用戶推薦機動規劃,避免緊急機動和可能產生的碰撞。由於機動規劃可能需要針對涉及到的有關用戶開展一系列的協調工作,因此,該部分需要具有能夠解決涉及到碰撞風險的用戶之間的包括複雜機動規劃排序以及調度問題等方面協調的能力。對於再入軌階段,能夠支持航天器在減少空間碎片的基礎上安全地進入相關的空域。採用實時的消息推送方式為應用端的政府和商業用戶提供航天器各個階段機動情況。伴隨著人類在太空領域的合作以及對太空探索的推進,也可以在太空救援行動方面提供一定的服務支持。

太空告警部分主要對碰撞、干擾以及空間天氣等情況進行預測和告警。該部分能夠接收在軌航天器發送的部件損壞和故障信息,並將該信息存儲和推送給與該航天器相關的用戶。在空間物體碰撞方面,能夠估計空間物體碰撞的概率、評估航天器損壞和受干擾的風險等級。同時,能夠將可能發生的碰撞、損壞或者干擾等信息推送給相關航天器的用戶,並給出告警信息。在很大程度上該部分能夠為太空交通管理系統實現航天器交通協調提供有力的支撐。

太空衝突管理部分需要具有評估航天器是否符合國際法規或者有關的條約的能力,進而解決不同政府或者商業用戶之間可能產生在軌或計劃入軌方面的衝突,評估相關投訴或者不遵守國際法規的政府或商業用戶,為相關方提供航天器信息和專業領域方面的支持。此外,對可能引起太空衝突事件的風險進行預測,協調不同用戶的活動並避免可能產生的衝突。

2.4 關鍵技術

太空交通管理的知識範圍囊括了多門學科,涉及到多項關鍵技術,主要為:

1)太空交通管理總體技術;

2)基於多源信息融合的空間物體定位定軌技術;

3)太空交通風險評估及預測技術;

4)航天器避撞及控制技術;

5)一體化高效智能天域管理技術;

6)軌道碎片清除技術。

3 挑戰與機遇

太空交通管理與現有的海上航道、地面公路甚至空中交通管理系統相比具有一些獨特的自身問題[9]。這些問題主要體現在技術和規則等兩個方面。需要強調的一點是,雖然太空交通管理的主題已經討論了很多年,但是相關的文獻資料卻比較少。從有關資料中不難看出,這不是技術上的問題而是規則上的問題,它妨礙了對太空交通管理領域相關問題的深入研究,進而影響了該主題的論文數量。但是,從長遠來看,實現太空交通管理系統的主要因素為在軌重大空間資產的碰撞風險和商業衛星運營商的利益。

3.1技術方面

相比與地面、海面等二維的交通控制管理,處在地球外層三維空間的太空交通管理顯得更加複雜。由於太空中物體所處的外層空間環境以及其自身速度極高,致使其存在許多技術方面的關鍵挑戰問題。需要明確一點,針對未來太空中存在大量航天器的情況,目前已有的空間監測系統的能力和準確性不足以滿足需求,不能實現全天時、全天候、多手段的太空空域的全覆蓋問題,無法為所有航天器提供軌道規避服務。眾所周知,即使是很小的太空物體也有可能造成大型衛星的損壞。此外,太空交通的參考系統不同於二維的地面交通系統的情況,其是在三維空間中使用特定的參考系。

地球外層空間的物體往往由於受到大氣阻力、地球扁率、太陽輻射壓、天體引力以及意外的推力等的影響,軌道會出現擾動\攝動。由於空間物體沿軌道運行具有時變的特性,需要定期進行捕獲和跟蹤,進而完成其軌道計算。位於赤道上方的地球靜止同步軌道(GEO)的衛星位置數量是有限的,為了充分利用資源,不得不將幾顆衛星放置在曾經被單個衛星佔用的位置;這種情況直接導致了衛星的運行變得越來越複雜,某些軌道位置變得越來越繁忙,需要發展先進的技術予以解決。

在航天器機動方面,目前存在一定數量在軌運行衛星無法執行任何的機動,這給太空交通管理帶來了新的風險。比如,曾經提出的太空天梯之類的新興技術概念,若得以實施將給太空交通管理帶來新的複雜問題。一旦商業飛船成熟,亞軌道載人太空飛行旅遊人數可能會增加。衛星通信等網路的興起,尤其是OneWeb、StarLink星座的建設,致使未來空間中衛星的數量急劇增加,給太空交通管理帶來新的挑戰。此外,目前人們對於空間天氣的了解仍然很有限。

3.2 規則方面

在之前人類探索太空的歷史長河中,政府將主要精力放在了太空領域的探索中,很少將太空交通管理放在重要的位置予以關注。到目前為止,除了人為的太空碰撞之外,在太空中,發生自然條件下的空間物體相撞的次數很少,但是世界航天界已經認識到太空交通的重要性和必要性。不難看出,為了實現良好的太空交通管理,不僅僅是發展技術能力,還需要具有相當國際約束力的法規制度[10]。

在利益相關方上,太空交通管理涉及到的利益相關方主要為政府、飛行器運營商以及服務提供商。政府的職能為通過實施具有國際約束力的法規,確定和保護為國家安全、公共利益和商業活動進行公平利用空間的權利。飛行器運營商在其職責範圍內確保航天器在正確的軌位上,使其衛星平台工作正常。服務提供商利用衛星載荷的業務能力提供具體的應用服務。只有各個利益相關方在其職責範圍內各司其職,才能實現良好的太空交通管理。

在相關國際協議上,為了對人造航天器進行有效的統籌管理,需要各國在遵守有關協議的基礎上提供其發射航天器的詳細信息和後續處理的信息。目前,由於缺乏具有約束力的全球協議/條約,某些國家可能會不合作。不難看出,如果不制定合理的、具有約束力的協議,就無法實現與其他國家進行相關的協調。

在太空交通管理制度上,必須規定符合現有空間條約的強制執行和檢查機制。使得各國提前分布航天器發射信息,完成航天器相關信息的註冊,並確保航天器在空間的安全運行。該制度還需要考慮在出現航天器碰撞風險時,各國應該承擔的航天器機動規避義務,以及航天器發生碰撞後應該承擔的賠償責任。此外,各國的軍事需求情況、太空電梯等新興的技術等還需要在該制度上予以考慮。太空交通管理能夠實施的前提條件是能夠給各個國家帶來好處並能夠降低甚至避免航天器碰撞的風險等。制度的制定和執行必然會帶來一定的在自由方面的限制,會對航天器自由進出太空空間帶來一些影響。因此,需要在安全與公平、公正之間進行平衡。

此外,在任務以及服務分工上還需要理清一些問題。比如服務提供商、不同服務的實施主體、有些事項怎麼委派給相關的國家或國際機構等。需要說明的一點是,有些服務可以從商業公司中得到,因此可以鼓勵並引導商業公司投資所需的硬體、軟體和人力以換取可以盈利的部分業務。

結 語

本文描述了與太空交通管理有關的現狀,提出了可能的概念框架、系統組成以及參考模型。在此基礎上分析了在技術和規則方面可能遇到的挑戰與機遇。從太空領域技術的發展規律上來看,太空交通管理系統的實現必須建立在對已有系統的升級改造、軟硬體的集成、已有功能模塊的復用重用以及新功能模塊研發的基礎之上。雖然太空交通管理涉及到的所有情況難以達成國際共識,但是可以在規則最小約束下保持空間領域的自由開放。處理國際事務的聯合國可能會為其實施提供某些支持,從而在目標上達到航天器安全運行與自由進出外層空間之間的折中。反之,若不能很好的實施太空交通管理,日益增加的太空活動將使太空碰撞等問題變得更加嚴重。本文的研究可以為未來太空交通管理體系設計和系統建設提供有力的支撐。

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