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涵及面臨的主要挑戰

隨著外層空間擁擠、對抗、競爭態勢加劇，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，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 概念內涵

根據國際宇航科學院2006年的定義，太空交通管理是指通過技術手段和相關監管規定，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境中行動的安全性、穩定性和可持續性，而對太空活動進行的規劃、協調和在軌同步操作。

1.2 主要挑戰

（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以上的太空碎片數量已達23000個；尺度在1～10cm的碎片數量約90萬個；尺度在1～10mm的碎片數量約1億個，1 mm以下的碎片數量數以百億計，未來50年太空碎片數量每年還將以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，在低地球軌道區域將發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次軌道機動規避。近年來NASA衛星每年規避太空碎片操作20余次，而2008年這一數字為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）軌道區域衛星密集，截至2019年底，在軌工作的GEO衛星約為562顆，衛星登記數量還在逐年遞增。在大部分在軌航天器工作的低軌區域，太空碎片分布更為密集，是太空突發事件的密集區域。在頻率資源方面，目前，地球靜止軌道上C頻段通信衛星已近飽和，Ku頻段通信衛星也很擁擠。

（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衛星在西伯利亞上空800km處相撞，這是人類歷史上首次衛星整星相撞事件。隨著衛星研制及發射技術門檻的降低，小衛星呈現井噴式發展態勢，低軌巨型星座已成為當前太空系統建設的熱點。以SpaceX公司和一網公司為代表的商業航天企業已開始構建超過4萬顆的低軌小衛星星座組網建設。俄羅斯啟動 “球體”全球衛星星座計劃，計劃2026年前部署640顆衛星。

OPC UA能夠實現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一的網絡，它能夠滿足所有工業物聯網應用的關鍵性要求。無論是OPC UA還是TSN以太網擴展都由獨立的組織進行管理和開發，從而使OPC UA TSN成為真正跨廠商的協議。“在通信方面，機器制造商和運營商將不再受制于特定供應商的束縛。”Schonegger解釋道。

隨著小衛星數量的增多，一方面將加劇太空交通擁堵，增加碰撞風險；另一方面，小衛星普遍壽命較短，進一步增加了太空碎片產生速度。2019年9月，歐空局地球觀測衛星Aeolus采取機動規避，避免了與SpaceX公司發射的小衛星發生碰撞。2020年1月29日，美國1983年發射的退役的太空望遠鏡IRAS和1967年發射的美國實驗有效載荷險些發生碰撞事故。目前，世界在軌衛星數量已超過2200余顆，隨著在軌衛星數量的急劇增加，航天器發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星轉發器屬于 “透明型”轉發器，對衛星覆蓋波束區域內的上行信號不加辨別予以放大、變頻轉發，因此不可避免地產生干擾。航天器間產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。隨著衛星通信的高速發展，地球靜止軌道衛星越來越多，衛星在重要軌位上的位置越來越近，鄰星干擾逐步增多。隨著發射數量的增多，存在衛星的通信頻率重疊現象，從而導致衛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，美國總統特朗普簽署了 “3號航天政策令”，首次發布 《國家太空交通管理政策》。該管理政策提出了9項目標。一是促進太空態勢感知和太空管理技術發展；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、太空態勢感知、太空交通管理領域的商業領導力；四是向公眾提供太空態勢感知基礎數據和太空交通管理基本服務；五是提高態勢感知數據互操作性，實現數據共享；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定。

《國家太空交通管理政策》從太空運行環境完整性、太空運行安全性、全球戰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、購買太空態勢感知數據，提供新型傳感器手段，提高太空態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勢感知數據倉庫架構并制定相應標準和協議，同時提出了對數據庫基本特征的要求；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調和統籌

目前，美國有多家機構負責太空交通管理工作。其中，聯邦航空局負責航天發射和再入活動，以及與發射相關的太空碎片相關事務；聯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調；國防部負責太空態勢感知數據的收集和分發。多頭、分散容易產生職權重疊、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，具體負責太空態勢感知數據庫建設和避撞支持服務這兩項太空交通管理核心業務。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一管理和組織協調。

2.3 開展技術開發與系統建設

（1）大力加強太空態勢感知技術發展

太空態勢感知是實現太空交通管理的前提，美國不斷加強太空態勢感知技術發展。目前，美國太空監視網由超過30部以上的地基雷達和太空望遠鏡組成，太空監視網獲取的跟蹤數據將由美國天軍第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礁S波段 “太空籬笆”地基太空目標監視雷達系統具備初始運行能力，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航天力量，提升太空態勢感知能力。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勢感知數據共享協議。在利用商業航天力量方面，美國AGI公司經營著商業太空運行中心，該中心對軌道物體進行跟蹤并對數據進行分析，向衛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）大力發展太空碎片清除規避技術

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，就讓航天器進行規避機動。三是主動碎片移除，即發射專用航天器，通過機械臂、飛網捕獲、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，美國正在發展新型太空碎片碰撞規避技術。

一是發展針對1～5cm太空碎片的規避技術。航天器通過加裝防護系統，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星實現避碰；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視即可幫助衛星快速檢測數十米范圍內中等大小碎片產生的熱量信息，而固體推進劑的高推力可使衛星在不到1s時間內快速避碰。

二是發展適時碰撞規避技術。NASA正在發展碎片適時碰撞規避技術，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。

三是發展衛星自動碰撞規避技術。美國航天初創公司Kayhan航天公司正在開發衛星碰撞評估與規避系統。該系統可融合國防部、衛星運營商以及其他商業公司所提供的太空態勢感知數據，對數據進行自動分析，為運行商提供避免衛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，日本經濟新聞網報道，美國和日本兩國政府即將達成一項協議，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，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衛星，那么通過該系統可以快速反饋給情報部門，為后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。2019年10月國際宇航大會期間，美國與法國簽署協議，將在太空交通管理、太空安全和太空態勢感知方面加強合作，包括共享太空態勢感知信息、避免太空碰撞加強協調和溝通。

3 幾點認識

3.1 太空交通管理將成為太空國際規則制定新熱點

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性”（LTS）、太空碎片減緩等議題形成強烈互動，成為當前外空規則治理體系中熱點問題。2016年，美NASA發布 “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）發布 “太空交通管理執行路線圖”，基本完成了該議題相關學術理論準備工作。同時經過多年LTS的談判，目前協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 美意圖通過國內政策搶抓國際太空交通管理主導權，強化太空領域非軍事領導權

太空交通管理將涉及太空態勢感知、太空碎片管控、數據共享、交通規則制定、統一監管、國際協調等多方面，已觸及太空控制權問題，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，實際是以國內政策搶抓國際太空交通管理主導權。美國出臺的太空交通管理政策雖然面向國內發布，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勢感知數據庫并負責防止在軌碰撞，淡化了太空態勢感知的軍事色彩，便于國際社會接受，有利于在國際上確立其領導權。

3.3 將增強美國太空攻防能力

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

一是增強太空態勢感知能力。美將利用其太空態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。目前美國已經與世界各國、政府間組織和商業航天公司簽署了117份太空態勢感知數據共享協議 （至2020年7月），并繼續增長。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量從當前的2.6萬增至10萬以上，使美軍太空監視網的覆蓋范圍與探測數量獲得大幅提升。結合在印度反衛試驗期間已經驗證的對高動態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視網進一步獲得及時探測、預知威脅太空資產和航天任務的各類異常活動能力，從而促進美軍太空域感知能力從發現型向預測型轉變。

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。一旦發生戰事，太空碎片清除技術可以將清除目標定位為敵方衛星，對敵方在軌衛星進行清除或破壞。多數太空碎片主動清除技術完全可以直接用于太空對抗活動。美國以發展太空碎片清除技術為掩護，發展太空操控技術，將顯著增強其太空攻防能力。