空間活動長期可持續：從空間交通管理到空間環境治理
——第683次香山科學會議評述

龔自正，宋光明，李明，王冀蓮，黃宇民

（1.北京衛星環境工程研究所，北京100094；2.中國空間技術研究院，北京100094；3.錢學森空間技術實驗室，北京100094）

1 空間可持續發展面臨的風險與挑戰

一般把距離地表100km高度以上大氣層外的宇宙空間稱為外空 （太空），又稱為外層空間或空間，包括近地空間、深空等。外空是海、陸、空以外人類活動的第四疆域，具有重大政治、軍事、經濟價值。外空活動是指人類進入、探索、開發和利用外空的各種活動，分為空間科學、空間技術和空間應用。外空活動具有戰略性、復雜性、前沿性、高風險性、國際性等特點。

1957年10月4日，蘇聯成功發射第一顆人造地球衛星，揭開了人類空間時代的序幕?？臻g技術、空間科學、空間應用迅猛發展，深刻影響著人類經濟和社會生活的方方面面，極大促進了全球經濟發展、社會進步和民生改善。

然而，蓬勃發展的外空事業，其長期可持續性正面臨著嚴峻的風險與挑戰，主要是兩個層面的問題：一是空間環境惡化、交通擁擠和空間碎片增多這些 “成長的煩惱”日益突出，為外空安全利用帶來不利影響。這個趨勢與外空利用相生相伴，是發展層面的問題。二是隨著外空戰略地位凸顯，外空資源爭奪日趨激烈，外空武器化趨勢明顯增強，對外空安全和國際戰略格局影響日益顯現。這是安全層面的問題，也是人類利用外空面臨的重大挑戰。

1.1 空間碎片數量急劇增長，空間碰撞事件頻發

據ESA數據［1］顯示：自1957年至2020年底，人類進行了約6000余次航天發射，共將約10680顆人造衛星送入地球軌道。其中，仍在軌的約6200余顆，在軌正常服役的約3800余顆。目前已被跟蹤編目的空間物體 （在軌衛星＋空間碎片）約28200余個，所有在軌空間物體質量總和超過9200t。而根據模型估算的在軌空間物體數量為：大于10cm的物體約34000個，在1～10cm之間的物體約90萬個，1mm～1cm之間的物體約1.28億個。迄今，共發生在軌爆炸解體事件560余次，平均每年發生8.4次，近20年平均每年發生12.2次。2004—2021年，僅美國國防氣象衛星 （DMSP）F系列衛星在軌發生蓄電池爆炸引起衛星解體事件就超過10次，2021年3月10日軌道高度為800km的美國NOAA-17氣象衛星發生在軌爆炸解體。

在發射入軌的火箭殘骸和有效載荷中，超過1／3分布在600～2000km的低地軌道 （LEO）區域，其中大部分又都分布在775km、850km和975km三個更集中的空間區域中，在這三個區域中，小于1km的近距離接近平均每年發生1000次［2］。

在850km的碎片集中區域中，在5km以內的交會平均每天發生一次，交會的相對速度通常為12km／s，過去4年中最近的一次是87m。如果在這個集中區內的兩個物體之間發生碰撞，將產生大約1.6萬個可追蹤的碎片和20萬個或更多的現在還無法追蹤的致命碎片 （LNT），使得空間碎片的數量可能會瞬間增加一倍。需要指出的是，在LEO中25個最大的空間碎片中有18個運行在這個區域內45km高度范圍內的軌道上［2］。

在975km的碎片集中區域中，在5km內的交會平均每天約有60次，通常每月都有達到或超過2009年銥-33和宇宙2251相撞時碰撞概率的交會。這些交會事件中的每一個都將產生大約4500個可追蹤的碎片和超過60000個LNT［2］。

在LEO區域，厘米級空間碎片實際年增長率接近10%。基于模型的預測表明，50年內，在LEO區域大于10cm的碰撞在3～5年將發生1次，發生碎片鏈式撞擊效應 （Kessler災難）的可能性增大。

在地球靜止軌道 （GEO）區域，目前在軌空間物體為1400余個，按照頻率軌位防干擾原則該區域最多可容納1800個，按照目前的占位速度，30年后軌位將飽和，無新的軌位資源可用。

國際上有公開報道的因碎片撞擊而失效或異常的衛星超過16顆，我國衛星因空間碎片撞擊導致異?；蚴录矔r有發生。全球衛星每年機動規避空間碎片的操作超過100次，全球每年空間碎片撞擊衛星概率大于10－4的事件超過1000次。截至2021年4月初，國際空間站為躲避空間碎片撞擊共進行了29次機動規避。

這些事件和數據充分說明空間碎片數量急劇增長，空間碰撞風險不斷攀升，空間碰撞事件頻發，空間碎片環境正在日益惡化，空間碎片已對人類空間資產安全構成嚴重的現實威脅。

1.2 低軌巨型星座迅猛增長，空間秩序雪上加霜

技術的巨大進步使得航天成本大大降低，加之其軍民兩用特性，催生了低軌巨型小衛星星座的出現并使其發射數量呈爆炸式增長。2014—2017年，66%新增衛星為微納衛星；2018—2020年，新增衛星80%以上為質量是500kg以下的小衛星。SpaceX的星鏈衛星計劃數量 （42000顆）是過去60多年來發射的所有空間物體的數倍，大大超過當前跟蹤編目的空間物體數量。迄今，計劃發射的低軌衛星數總計超60000個，而且這個數字還在不斷攀升。

低軌巨型衛星星座有如下特點：（1）數量巨大，發射過程穿越空間目標密集區域，極大增加了部署軌道空間目標數量及撞擊概率，自身受碎片撞擊概率大；（2）可靠性低，入軌失敗率高，運行中失效率高，難以保證可靠任務后離軌；（3）目標特征小，地面監測、預警、規避難度大。據估計，低軌巨型衛星星座3%將成為空間碎片。

2019年9月2日，歐空局 （ESA）地球觀測衛星風神號 （Aeolus）采取了機動規避，以避免與SpaceX發射的一顆微小衛星發生碰撞。2021年4月4日，SpaceX的衛星與Oneweb的衛星在軌道上相距58m，兩顆衛星相撞的概率為1.3%，上演了一次危險的空中近距離接觸，使美國太空部隊數次拉響 “紅色警報”。

按照現在的部署速度，預計100年后LEO區域的空間目標將達到10萬個，模型計算顯示100年后，LEO區域每年的碰撞數超過80次，LEO區域將真的不可用！

巨型低軌小衛星星座不僅使得所在區域年碰撞概率大大增加 （發射、在軌和離軌過程均穿越衛星密集區域），也大幅壓縮了發射窗口，同時擠占了極寬頻段的可用頻率資源，對地面和低軌道天文觀測及空間物體觀測產生嚴重負面影響。

因此，大規模低軌小衛星星座的爆炸式發展使已經十分脆弱的空間碎片環境 “雪上加霜”，將導致空間失序。

1.3 頻率軌位資源緊張，個別國家掠奪式搶占

無線電頻率軌道資源作為空間業務領域的重要戰略資源，與石油、礦產等資源一樣，屬于稀缺不可再生的自然資源。在空間和地面、固定和移動業務、民用和軍用、國內和國際間，無線電頻率通過一定的規則劃分，來盡可能實現安全、經濟、高效的資源共用。頻率軌道資源實行 “先占先得”規則，后來者將被徹底擠出。出于政治、經濟、軍事等多方面的考慮，各國都加強了對衛星頻率與軌位資源的搶占力度，特別是低軌巨型星座的發展，使得本已趨于應用飽和的頻率和軌位資源呈現更加稀缺的態勢，導致對外空資源的爭奪日趨激烈，并向更遠的深空延伸。

1.4 新型空間活動帶來安全風險與挑戰

在商業航天推動下，在軌服務、空間物體主動移除、在軌和地外制造、外空資源利用和小行星采礦、空間旅游等新型空間活動如火如荼。同時，行星保護、近地天體防御、空間核動力等活動也此起彼伏。

2021年 3月 21日，日本宇宙尺度 （Astroscale）公司發射了ELSA-d碎片清除航天器，將演示與空間碎片對接和清除的核心技術，該公司計劃進一步發展GEO軌道衛星的延壽平臺。2021年4月12日，美國諾格公司的衛星延壽器MEV-2與在GEO軌道的宿主衛星Intelsat10-2成功對接，給耗盡燃料的Intelsat10-2加注燃料，計劃使其延壽5年。這是繼2020年4月2日諾格公司的衛星延壽器MEV-1與Intelsat-901成功對接，把其從墳墓軌道拖入服務軌道后的第二次在軌加注延壽服務。

美國在月球和深空率先 “跑馬圈地”，鼓勵政府和私人開采與利用月球和小行星資源。2020年美國啟動在月球建立保護區計劃，2021年美國等多國積極開展火星探測。太空新航海時代大國開疆擴土、爭奪戰略資源、競相搶占 “太空島嶼”的大幕已經拉開。

這些新型空間活動涉及太空資源所有權、技術標準和成本、信息透明等一系列問題。例如，月球安全區保護、外空采礦、近距離空間操作安全、載人商業飛行安全等等，勢必引起管轄權、開發權、控制權、損害賠償責任等一系列爭議、糾紛，事關規則和技術標準的制定，帶來了新的空間安全風險與挑戰，而目前的國際外空治理體系能力明顯不足、監管缺失。

1.5 美國處處追求 “美國優先”，謀求建立 “外空聯盟”

2017年12月，美國發布 《國家安全戰略》再次提出 “外空，包括外空安全，是國家最高優先事項”。2020年6月，美國發布 《太空力量》政策文件，強調空間對國家利益至關重要，維護太空行動自由是太空軍事力量的本質，也是太空軍事力量的首要任務，追求太空絕對軍事優勢。2020年8月美國推出 《國防太空戰略》，提出爭奪外空國際規則制定主導權，要制定有利于美國和盟國利益的外空活動標準和規則，體現出美國的 “外空領先、外空優先、外空霸權”思維。近年來，美國已經與多國簽訂空間態勢感知數據共享協議，2020年10月美國與7個國家簽訂了阿爾忒彌斯 （Artemis）計劃，準備在月球和火星建立基地，謀求建立 “外空聯盟”。美國試圖通過制定相關政策法規、設立專門機構、建立國際聯盟等方式率先開展空間交通管理實踐，在國際上推行以 “美國標準”構建的相關法律框架，達到爭奪國際話語權和影響力的目的。這些舉措，引發了各航天國家紛紛組建天軍，使空間資源爭奪和軍事化加劇，把外空對抗方式由威懾引向實戰。

1.6 國際外空治理體系能力不足，部分監管缺失

由于制定倉促、對外空認識有限、美歐主導制訂過程等原因，外層空間法自身的缺陷和漏洞比較明顯，當前外空活動的私營化和商業化勢不可擋，現有國際外空規則體系已不能適應新時代的要求。特別是針對軍事化、武器化、低軌大規模星座監管、新型航天活動等問題，爭端解決機制尚不明確、缺乏足夠的法律約束力、存在監管空白和漏洞，國際外空治理機構權威性和約束力不足，治理技術尚不成熟。

2 空間交通管理及其戰略意義

2.1 空間交通管理

按照國際宇航科學院 （IAA）的定義，空間交通管理 （STM）是指：在進入空間、在軌運行及再入過程中保障航天器安全和不受外界 （物理或無線電頻率）干擾的各種技術和政策規則法規，以保障空間長期可持續使用。

空間交通管理概念起源于上世紀60年代，隨著對空間交通管理的需求日漸迫切，各國的相關理論研究也日漸深入，2017年空間交通管理進入實際操作階段?？臻g交通管理涉及發展權、資源利用權、話語權、自主權，其規則制定取決于國家的硬實力和軟實力。

2.2 空間交通管理戰略意義

（1）構建外空命運共同體，促進外空活動長期可持續。

2018年6月，聯合國外空大會50周年（UNISPACE＋50）高級別會議采納中國提議，呼吁 “在和平利用外空領域加強國際合作，以實現命運共同體愿景，為全人類謀福利與利益”。空間交通管理是國際社會共同應對外空全球性風險挑戰的有效手段，是外空領域國際合作的重要載體，對于促進外空活動規范有序和長期可持續發展具有重要意義。

（2）維護國家安全和外空安全的重要抓手。

空間交通管理嚴格空間碎片減緩標準，加強空間物體登記，優化頻率軌位資源的分配與使用，保護空間環境。空間交通管理促進空間態勢感知技術和能力發展，實現空間態勢感知數據的共享和互操作，減少碰撞等 “空間交通事故”的發生，確保航天器的在軌運行安全。

（3）航天強國建設的必然要求。

建設航天強國是我國的戰略目標，航天強國要求我們在航天器發射次數、制造數量、空間資產與在軌規模等方面都將居于世界前列。只有具備強大的空間交通管理能力，才能確保空間基礎設施能夠長期、連續、自主穩定運行。

（4）外空現代化治理的重要手段。

外空現代化治理是國家治理的重要組成部分，是人類對進入、探索、開發和利用空間各種活動的管理與規范。大國博弈背景下，主要航天國家從維護自身利益和謀求國際主導權出發，積極部署低軌大規模星座。因此，發展空間交通管理可有效監管外空活動、核查外空軍備控制，減少空間碰撞，防止外空武器化，是外空治理的重要手段。

（5）爭奪外空國際規則制定話語權的重要平臺。

聯合國外空委2016年第55屆法律小組委員會會議開始設立 “空間交通管理所涉法律問題的一般性交換意見”議題。在2019年2月召開的聯合國外空委科技小組委員會會議上空間交通管理成為熱門話題。空間交通管理已經成為外空國際規則制定的新方向，是爭奪規則制定話語權的重要平臺。

3 命運共同體理念下的空間交通管理

3.1 外空命運共同體愿景

外空作為人類生存和可持續發展的全球公共空間，集中體現了人類的共同利益和共同關注。外空不歸任何國家所有；各國共同參與外空管理；開發外空資源所獲取的利益將惠益各國；外空必須專門為和平目的而使用；必須為子孫后代保護外空。

3.2 命運共同體理念下的空間交通管理概念

秉持貫徹共商、共建、共享原則，充分發揮聯合國外空委的協調作用，在聯合國框架下對現有國際空間法律進行完善和補充，制定一套涵蓋航天器全壽命周期的技術標準和政策法規，發展空間態勢感知、航天器指揮調度以及任務后處置能力，提供碰撞預警、空間天氣等信息服務，保證航天器安全發射、在軌運行和返回地球，確保航天活動的順利、安全、可持續開展。

3.3 空間交通管理要素

（1）空間態勢感知。空間態勢感知是指對空間的目標、事件、環境和航天發射活動等的現狀掌握和趨勢預測，主要包括在軌物體感知、電磁頻譜感知、空間天氣感知及航天發射活動監測等。

空間物體感知：對在軌空間物體進行探測、跟蹤、編目與預警，實現對地球軌道物體和近地天體等空間飛行物全域多維感知，發布監測預警信息。

電磁頻譜感知：對外空全頻段頻譜進行監視、探測、測向、定位等。

空間天氣感知：探測太陽活動、地磁等空間天氣情況，分析對軌道空間環境的影響，并發布預報。

（2）發射／再入／回收。發射場與著陸場的安全標準規范以及設施安全保護要求等；發射活動海、空域使用通報與協調；擬發射空間物體安全審查、有控再入風險評估和無控再入監測預警與風險評估等。

（3）在軌運行。依據制定的航天器工作流程、規避技術標準和數據規范，對任務壽命期內在軌航天器活動實施管理；協調航天器與其他航天器的活動，在保障安全的前提下，實現對軌道資源的充分利用，防止在軌碰撞；在軌管理實行分區域管理的原則，依據軌道區域和管理方式的不同，分為低軌道管理、中軌道管理和高軌道及以外區域管理。

（4）任務后處置。航天器完成任務壽命后，基于返回再入與主動離軌規范形成的航天器返回再入與壽命末期主動離軌管理機制；協調航天器返回再入或在壽命末期主動或被動離軌，保證在軌運行航天器、返回航天器以及地面人員與財產安全。

（5）頻率軌位資源申請與使用。無線電頻率軌道資源作為空間業務領域發展的重要戰略資源，與石油、礦產等資源一樣，屬于稀缺且不可再生的自然資源。同時，頻率軌道與其他自然資源相比還有其自身特有的屬性，主要包括國際性、共享性、稀缺性、超前性。

頻率軌道資源的管理、使用不是單純的技術問題，也不是常規的法律問題，需要建立在技術研究基礎上，通過法律法規、標準、軟件等管理手段確保其安全、平等、高效的利用。

3.4 空間交通管理體系構成

空間交通管理體系由基礎層、管理層和對象層組成，如圖1所示。

圖1 空間交通管理體系構想Fig.1 The conception of STM system

（1）基礎層

由基礎設施和相關技術構成，是空間交通管理體系運行的物質基礎。基礎設施包括空間態勢感知與生成系統、空間風險預警服務系統、星上風險告警和自主規避系統、指揮與調度系統、空間環境治理系統、空間天氣監測預報系統。相關技術包括空間態勢感知與生成技術、空間交通指揮控制技術、信息智能處理與融合技術、空間事態處理與服務技術等。圖2給出了空間交通管理技術體系。

圖2 空間交通管理技術體系Fig.2 Technical system of STM

涉及的前沿技術包括：空間暗弱小目標的全空域精準態勢感知、特征探測與智能識別，全域頻譜網絡化智能自主感知、自主協同，航天器空間態勢智能自主感知與主動規避決策，天地一體化空間目標監測，信息智能化處理與融合，海量航天器智能指揮調度策略，空間突發事態處置與服務，空間碎片碰撞及環境長期演化模型研究等技術。

（2）管理層

由政策法規體系、主體機構和其提供的應用服務構成。政策法規體系既包括國家空間交通管理政策，從頂層規范和指導空間交通管理的原則、目標、任務、政策措施等，也包括空間態勢感知、空間物體登記、信息透明與交流共享、空間碎片減緩、頻率軌位等具體規則。管理機構包括國家航天行業主管部門、國家無線電管理部門、其他有關部門等。應用服務涵蓋空間態勢感知服務、碰撞預警服務、空間天氣服務、碎片清除與故障維修在軌服務等。

（3）對象層

主要由空間目標、空間活動和行為主體構成?？臻g目標包括空間碎片、在軌航天器、運載器、近地小行星、頻率軌位、空間天氣等?？臻g活動包括發射／再入／回收、在軌操作、軌道機動、在軌制造、信息獲取、信息傳輸、亞軌道飛行等。行為主體包括發射者、所有者、操作者、控制者、航天員等。

3.5 從空間交通管理 （STM）到空間環境治理（SEG）

空間交通管理 （STM）的核心是通過指揮和控制衛星 （航天器）來避免衛星和其它空間目標之間的碰撞，保障空間資產的安全運行。

需要指出的是，空間資產安全運行的主要風險是致命的不可追蹤 （LNT）碎片群，這是空間碎片的主要組成部分。它們小到無法看到和避免，但大到足以發生碰撞，危及航天器的任務。然而，目前關于STM的討論主要集中在對可跟蹤空間目標的關注上，這只是衛星遭遇碰撞導致任務終止風險的很小一部分。因此，盡管對空間資產運行保障是必須的，但只有空間交通管理（STM，數據共享和避免碰撞）、空間態勢感知（SSA，提供軌道物體信息）和空間碎片緩減，對空間資產運行保障還不夠充分、完備。因為在低地軌道 （LEO）中，有約90萬個尺度為5mm～10cm的致命的不可追蹤 （LNT）碎片，可追蹤的碎片數量僅占可造成任務終止風險的軌道碎片的3%～4%。因此，空間碎片環境修復絕不能被忽視?？臻g環境治理 （SEG）便成為STM的發展趨勢?？臻g環境治理包括：（1）安全操作 （STM）；（2）不使環境惡化 （碎片減緩）；（3）使環境更好 （空間碎片修復）。

4 我國發展建議

（1）在國家層面深入開展空間交通管理研究。盡快啟動空間交通管理專項研究工作，結合國際公域管理概念體系和我國戰略需求，識別我國核心關切，在人類命運共同體理念指導下，提出具有中國特色的空間交通管理概念、定位、發展目標、頂層框架和立場文件，為我國參與空間交通管理相關國際事務提供堅實的理論支撐和策略儲備。

（2）大力推動空間交通管理應用系統論證和能力建設?；谌斯ぶ悄堋⒋髷祿?、云計算等前沿技術，以現有航天器在軌狀態監測、故障診斷與預警、運行態勢管理等為基礎核心，大力發展空間物體監測、空間數據共享與應用、空間頻譜與軌位監管、空間碎片減緩和移除、近地天體防御以及空間設施維護等能力，構建天地一體化的空間交通管理應用系統，支撐我國空間資產的安全和空間活動可持續性發展。

（3）加快建立空間交通管理協調機制，推動立法進程。國內有關部門建立聯合協調機制，在國家層面進行統一規劃，從能力建設和制度建設兩方面同步構建我國的空間交通管理體系，積累空間交通管理實踐經驗。盡早出臺我國空間交通管理國家政策，指導我國空間交通管理體系的發展和建設，為相關立法奠定基礎。加快我國航天立法進程，為我國空間交通管理法規體系建設提供法律基礎。

（4）深度參與空間交通管理相關國際事務與合作。與國際組織、航天大國、友好國家加強信息交流與共享，積極參與空間交通管理領域相關議題磋商，在國際規則和標準制定方面爭取更多的話語權。組織相關科研院所、高校和智庫參與國際層面相關研究，積極參與國際各類平臺／機制下的交流與合作，提升國際影響力。