面向空間環(huán)境治理的標(biāo)準(zhǔn)化需求研究

張杰, 夏亞茜

(北京空間科技信息研究所, 北京 100094)

1 引言

近年來, 隨著太空軍事化活動的加劇, 空間碎片數(shù)量急劇增長, 對航天器等空間物體造成的碰撞風(fēng)險也在不斷攀升。 同時, 爆發(fā)式發(fā)展的低軌巨型星座加劇了空間秩序的失衡, 并且由于其巨大通信容量需求, 頻率競爭形勢極其激烈, 資源愈加稀缺。 蓬勃發(fā)展的外空事業(yè)的長期可持續(xù)性正面臨著嚴峻的風(fēng)險與挑戰(zhàn): 一是空間環(huán)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;二是隨著外空戰(zhàn)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(zhàn)略格局影響日益顯現(xiàn)[1]。 為此, 美、 歐等先進的航天實體都已將空間環(huán)境治理視為外空規(guī)則制定的重要方面。

各國對空間資源的爭奪和太空環(huán)境急劇惡化, 對我國在軌運行的空間基礎(chǔ)設(shè)施也帶來越來越大的威脅, 使我國空間基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展受到極大制約。 因此, 我國急需發(fā)展空間環(huán)境治理系統(tǒng), 保障空間基礎(chǔ)設(shè)施的安全運行, 為我國空間信息系統(tǒng)大發(fā)展提供保障。

2 空間環(huán)境治理概念內(nèi)涵與現(xiàn)狀

習(xí)近平主席2021年9月在視察駐陜西部隊某基地時的講話中指出: “太空資產(chǎn)是國家戰(zhàn)略資產(chǎn), 要管好用好, 更要保護好。 要全面加強防護力量建設(shè), 提高容災(zāi)備份、 抗毀生存、 信息防護能力。 要加強太空交通管理, 確保太空系統(tǒng)穩(wěn)定有序運行。 要開展太空安全國際合作, 提高太空危機管控和綜合治理效能。” 隨著外層空間擁擠、對抗、 競爭態(tài)勢加劇, 空間碎片、 航天器碰撞風(fēng)險明顯增加, 太空治理日益成為國際關(guān)注的熱點問題。 中央準(zhǔn)確把握當(dāng)今世界全球治理體制變革的歷史轉(zhuǎn)折點和大趨勢, 強調(diào)“要不斷推動變革全球治理體制向更加公正合理的方向發(fā)展, 推動實現(xiàn)各國平等發(fā)展, 推動全球治理和國際關(guān)系的民主化、 法治化發(fā)展, 推動建設(shè)新機制新規(guī)則,加強國際社會應(yīng)對全球性挑戰(zhàn)的能力, 推動全球治理理念、 繼續(xù)豐富打造人類命運共同體, 促進世界共同發(fā)展。” 由此可看, 發(fā)展太空環(huán)境治理既是“人類命運共同體和全球治理” 理念下空間系統(tǒng)發(fā)展的必然, 也是我國建設(shè)航天強國的急需, 更是我國爭奪國際話語權(quán)的有力武器。

當(dāng)前國內(nèi)外對空間環(huán)境治理概念方面開展了一些研究, 從研究內(nèi)容來看, 空間環(huán)境治理的內(nèi)涵主要包括太空交通管理和空間碎片移除兩個方面, 如圖1 所示。 太空交通管理, 是從源頭防治, 針對航天器采取的一系列措施; 空間碎片移除則是從末端治理, 針對空間碎片環(huán)境采取的一系列措施。

圖1 空間環(huán)境治理概念內(nèi)涵Fig.1 Spatial environmental governance concept connotation

圖2 我國空間碎片標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成Fig.2 Constitution of space debris standard in China

2.1 太空交通管理研究現(xiàn)狀

近年來, 太空交通管理成為各航天大國和聯(lián)合國等國際組織討論的熱點話題。 制定外空行為準(zhǔn)則、 維護各自太空利益成為各國競相爭奪的重點。 國際航天界也逐步提出和發(fā)展了太空交通管理的概念和范疇。 太空交通管理的目標(biāo)是確保太空運行安全, 減少日益惡化的太空環(huán)境對太空活動的負面影響, 降低在軌碰撞和干擾的風(fēng)險, 確保航天器的安全運行和太空資源的高效利用。 因此, 太空交通管理的含義可以概括為: 為確保安全、 可持續(xù)的太空運行環(huán)境, 由管理者通過基礎(chǔ)設(shè)施、 管理技術(shù)/工具提供服務(wù)的方式, 基于相應(yīng)的管理(法規(guī)/政策/標(biāo)準(zhǔn)), 對太空交通行為及其主體、 物理對象、 數(shù)據(jù)/信息等進行約束、協(xié)調(diào)、 指揮和控制的過程[2,3]。

基于此定義, 可以理解為太空交通管理的范圍分為發(fā)射、 在軌、 離軌三個階段。 發(fā)射階段主要是對發(fā)射活動的監(jiān)控等; 在軌階段主要是任務(wù)期間的碰撞預(yù)警以及規(guī)避等; 離軌階段主要是對位于近地軌道、 地球靜止軌道等各級軌道航天器的離軌管理等。

2.2 空間碎片移除技術(shù)研究現(xiàn)狀

自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來, 截止2020年底, 人類進行了約6000 余次航天發(fā)射,共將10680 余顆人造衛(wèi)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。 目前已被各種編目的空間物體(在軌衛(wèi)星+空間碎片) 約28200 余個, 所有在軌空間物體質(zhì)量總和超過9200t[1]。 為應(yīng)對加速到來的低軌碎片“霧霾式大爆發(fā)” 可能帶來的“凱斯勒效應(yīng)”, 各航天大國和國際社會都在持續(xù)關(guān)注空間碎片問題, 加大應(yīng)對空間碎片危機的努力[4]。 其中, 空間碎片減緩和移除是最重要的舉措。 在空間碎片減緩方面, 從國際到國內(nèi), 都先后發(fā)布了一些政策法規(guī), 空間碎片減緩已經(jīng)從原來的“軟約束” 逐漸向“硬約束” 轉(zhuǎn)變。 而對于空間碎片移除來說, 其是當(dāng)前航天能力建設(shè)的一個制高點, 是被列為“大國戰(zhàn)略競爭” 的頭等戰(zhàn)略要務(wù), 也將是未來各航天大國能力體現(xiàn)的重要方面。 目前國際上在空間碎片清除方面, 歐空局的步伐相對比較快, 技術(shù)相對成熟。日本在此方面也積極參與。 美國在空間碎片移除方面報道相對較少, 但并不是沒有開展研究。

3 空間環(huán)境治理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀

3.1 國外空間環(huán)境治理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

3.1.1 空間碎片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

隨著空間碎片成為全球高度關(guān)注的領(lǐng)域, 國際組織及各國研究機構(gòu)均積極致力于制定法規(guī)、準(zhǔn)則、 指南、 標(biāo)準(zhǔn)等, 通過建章立制的方式, 約束空間探索、 開發(fā)和利用的行為, 減少和控制空間碎片的產(chǎn)生, 從而保護外太空環(huán)境與在軌航天器。 國際層面, 5 個空間碎片相關(guān)的文件成為國際公認的機制。 此外一些國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、 國外著名的宇航研究機構(gòu)、 區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)化組織也均在空間碎片領(lǐng)域積極地制定標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 作為世界最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)化組織, 發(fā)布了一系列關(guān)于空間碎片的標(biāo)準(zhǔn)、 技術(shù)報告。 最近,其標(biāo)準(zhǔn)按照新的開發(fā)框架進行了調(diào)整[5]。 截至目前, ISO 已發(fā)布、 在編的標(biāo)準(zhǔn)、 技術(shù)報告共計13項, 具體見表1。 其標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容上主要以空間碎片減緩為主, 其標(biāo)準(zhǔn)的范圍與已有的國際空間碎片減緩指南, 特別是IADC 發(fā)布的文件完全一致, 目的是將國際認可的空間碎片減緩指南轉(zhuǎn)化成一系列可測量且可驗證的頂層要求及與之配套的具體方法或程序[6]。 美國政府層面發(fā)布了《美國政府軌道碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)實踐》, 這是國家級空間碎片減緩技術(shù)指南, 并作為各政府部門制定空間碎片減緩要求的基礎(chǔ)。 此外, NASA 成立了專門的空間碎片項目辦公室, 該辦公室在環(huán)境模型、 防護等空間碎片研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平。 各航天中心都設(shè)有安全與飛行保障辦公室,制定了一系列的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、 手冊、 模型、 軟件等。 另外, 歐空局也很早就積極制定空間碎片相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn), 如PSS -01 -40 《安全政策防止碎片產(chǎn)生的特殊要求》、 《ESA 空間碎片減緩手冊》。

表1 ISO 空間碎片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)清單Table 1 List of ISO space debris related standards

3.1.2 航天領(lǐng)域電磁頻譜管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

作為國際權(quán)威電磁頻譜管理機構(gòu)的國際電信聯(lián)盟(ITU), 在聯(lián)合國《外層空間條約》 《組織法》 等國際法規(guī)框架下, 在尊重各國主權(quán)的基礎(chǔ)上, 通過協(xié)調(diào)各種力量, 為完成“消除不同國家無線電臺之間的有害干擾及改進無線電通信業(yè)務(wù)中無線電頻譜及衛(wèi)星軌道的使用” 的目的而工作。 作為規(guī)則實施的監(jiān)管者和仲裁者, 對無線電頻率資源的管理分“規(guī)劃” 和“非規(guī)劃” 兩種。其標(biāo)準(zhǔn)分為以《無線電規(guī)則》 為主的規(guī)則體系和以建議書為主的技術(shù)文件體系。 《無線電規(guī)則》是ITU 依據(jù)聯(lián)合國《外層空間條約》 《組織法》等國際法規(guī), 建立的一套管理全球無線電業(yè)務(wù)的契約性法規(guī), 它對各類無線電業(yè)務(wù)的頻率劃分、衛(wèi)星軌道資源和頻譜資源的申請流程、 臺站間干擾的協(xié)調(diào)機制等內(nèi)容進行了規(guī)定, 記錄了各國對頻率資源和衛(wèi)星軌道資源的使用情況, 是各國開展頻譜相關(guān)工作的法律依據(jù)[7]。

美國負責(zé)電磁頻譜管理領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定的機構(gòu)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI) 下屬的電信工業(yè)協(xié)會(TIA)。 TIA 制定的關(guān)于電磁頻譜管理的標(biāo)準(zhǔn)主要集中在電磁兼容性領(lǐng)域, 其中針對航天領(lǐng)域制定了TIA 411-1986 《Electrical and Mechanical Characteristics of Earth Station Antennas for Satellite Communications》、 TIA 1168-2009 《Terrestrial and Non-Terrestrial Mobile Multimedia Multicast based on Video Broadcasting for Handheld Devices Using Satellite, Terrestrial or Hybrid Networks Operating Below 3 GHz》 等一系列針對地面站和手持終端的標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)主要對地面站和手持終端的發(fā)射功率等技術(shù)要求以及電磁兼容性要求進行了規(guī)定。

在歐洲, 電磁頻譜的管理工作主要由歐洲郵政和電信管理委員會(CEPT) 負責(zé), 但該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI) 負責(zé)。ETSI 成立了電磁兼容性和電磁頻譜工作組(ERM)專門負責(zé)該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)研究與制定, 其中針對航天領(lǐng)域, ETSI 制定了ETSI EN 301489 《Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters(ERM); ElectroMagnetic Compatibility ( EMC)standard for radio equipment and services》 系列標(biāo)準(zhǔn), 該系列標(biāo)準(zhǔn)對基于移動衛(wèi)星服務(wù)(MSS) 的移動地球站、 基于固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS) 的甚小口徑衛(wèi)星終端站(VSAT) 和固定地球站等不同類型地球站及其組成設(shè)備的電磁兼容性測試條件、 評估方法、 指標(biāo)要求等內(nèi)容進行詳細規(guī)定。

3.2 國內(nèi)空間環(huán)境治理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

3.2.1 空間碎片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

自“十一五” 開始, 我國積極推進空間碎片標(biāo)準(zhǔn)化研究工作, 開始建立我國自己的空間碎片專項標(biāo)準(zhǔn)體系。 隨著“十二五” 空間碎片專項工程的推進, 國內(nèi)在空間碎片減緩與應(yīng)急合作、 防護、 監(jiān)測、 預(yù)警和數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究不斷深入, 這對空間碎片標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)工作提出了進一步完善的需求, 在此期間, 通過借鑒國際空間碎片標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的最新情況, 以國內(nèi)航天型號實際需求為基礎(chǔ), 結(jié)合空間碎片研究成果, 對空間碎片標(biāo)準(zhǔn)體系進一步拓展、 深化, 形成以標(biāo)準(zhǔn)為牽引、 以規(guī)范為支撐, 涵蓋航天器和運載器兩方面的空間碎片標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系[6]。

3.2.2 航天領(lǐng)域電磁頻譜管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

我國的電磁頻譜管理由工業(yè)與信息化部下屬的無線電管理局負責(zé), 制定的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、 頻率使用標(biāo)準(zhǔn)、 干擾保護與測量標(biāo)準(zhǔn)、 干擾協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)四部分。 術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)屬于基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn), 主要包括電磁頻譜管理所涉及的管理術(shù)語、 技術(shù)術(shù)語等, 包括無線電臺站、 空間業(yè)務(wù)、 饋線鏈路、 頻率指配、 頻率占用率、 頻率共用等重要概念。 頻率使用標(biāo)準(zhǔn)、 干擾保護與測量標(biāo)準(zhǔn)、 干擾協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)屬于實施層面標(biāo)準(zhǔn), 其中頻率使用標(biāo)準(zhǔn)主要涉及各業(yè)務(wù)頻段的分配、 不同通信業(yè)務(wù)之間的頻率共用、 通信系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)等內(nèi)容; 干擾保護與測量標(biāo)準(zhǔn)主要涉及各業(yè)務(wù)的干擾包含要求、 類干擾的測量方法等內(nèi)容; 干擾標(biāo)準(zhǔn)主要涉及對有害干擾的協(xié)調(diào)和處理原則、 實施細則等內(nèi)容。

4 空間環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)想

4.1 空間環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)需求分析

從空間環(huán)境治理的概念來看, 空間環(huán)境治理的任務(wù)主要包括空間態(tài)勢感知、 航天發(fā)射管理、航天器日常在軌活動協(xié)調(diào)與調(diào)度、 航天器返回再入與離軌管理、 空間頻率資源與軌道管理、 空間天氣預(yù)報、 應(yīng)急事件處置等[8], 就空間環(huán)境治理的任務(wù)和能力需求來開展標(biāo)準(zhǔn)需求分析:

(1) 空間態(tài)勢感知: 主要聚焦空間態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)共享與互操作, 其數(shù)據(jù)主要包括空間碎片和在軌目標(biāo)的監(jiān)測與登記、 空間碎片模型的建立、 空間碎片模型的長期演化、 觀測數(shù)據(jù)的共享等內(nèi)容, 涉及的標(biāo)準(zhǔn)主要包括空間物體登記標(biāo)準(zhǔn)、 空間目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(含數(shù)據(jù)格式、 數(shù)據(jù)架構(gòu)、 數(shù)據(jù)采集與分發(fā))、 空間碎片建模標(biāo)準(zhǔn)等;

(2) 航天發(fā)射管理: 主要聚焦發(fā)射安全管理與監(jiān)控方面, 涉及內(nèi)容有航天器、 運載器等發(fā)射, 涉及的標(biāo)準(zhǔn)包括發(fā)射窗口、 發(fā)射監(jiān)控、 發(fā)射風(fēng)險預(yù)警等方面的標(biāo)準(zhǔn);

(3) 航天器日常在軌活動協(xié)調(diào)與調(diào)度: 主要聚焦太空交通管理中的航天器協(xié)調(diào)與控制, 包括任務(wù)規(guī)劃、 航天器指揮控制與調(diào)度等內(nèi)容, 涉及的標(biāo)準(zhǔn)包括航天任務(wù)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)、 航天器變軌標(biāo)準(zhǔn)、 航天器在軌預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、 航天器碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)等;

(4) 航天器返回再入與離軌管理: 主要聚焦包括地球靜止軌道、 近地軌道、 中軌道等航天器的離軌管理, 涉及的標(biāo)準(zhǔn)主要包括航天器離軌標(biāo)準(zhǔn)、 航天器再入預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)、 任務(wù)后處置標(biāo)準(zhǔn)等空間碎片減緩類標(biāo)準(zhǔn);

(5) 空間頻率資源與軌道管理: 主要聚焦航天器在軌期間的頻率管理、 頻率與軌道申請, 涉及的標(biāo)準(zhǔn)包括空間頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)、 頻率軌位資源申請標(biāo)準(zhǔn)、 頻譜干擾和頻率再用標(biāo)準(zhǔn)等;

(6) 空間天氣預(yù)報: 主要聚焦空間氣象環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)、 氣象探測等內(nèi)容, 涉及的標(biāo)準(zhǔn)主要包含空間氣象數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、 空間天氣探測標(biāo)準(zhǔn)等;

(7) 應(yīng)急事件處置: 主要聚焦航天器在軌安全規(guī)避、 空間碎片清除等方面內(nèi)容, 涉及的標(biāo)準(zhǔn)主要包含航天器在軌避讓標(biāo)準(zhǔn)、 空間碎片清除標(biāo)準(zhǔn)等。

4.2 空間環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)體系框架

通過進行標(biāo)準(zhǔn)需求分析, 結(jié)合空間環(huán)境治理各任務(wù)涉及的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容, 可以將涉及空間物體登記、 軌道信息交換等內(nèi)容合并, 專門設(shè)置為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn), 含術(shù)語、 空間物體登記、 軌道信息交換;將空間天氣預(yù)報內(nèi)容合并入空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)中, 將應(yīng)急事件處置修改為空間事態(tài)處理與環(huán)境修復(fù)標(biāo)準(zhǔn), 分為空間碎片防護, 空間碎片清除,將在軌規(guī)避標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整至在軌協(xié)調(diào)與調(diào)度板塊, 由此提出空間環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)體系框架主要包含基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、 空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、 航天發(fā)射管理標(biāo)準(zhǔn)、 航天器在軌協(xié)調(diào)與調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)、 頻率軌道管理標(biāo)準(zhǔn)、 航天器任務(wù)后處置(包括離軌和再入) 標(biāo)準(zhǔn)、 空間事態(tài)處理與環(huán)境修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)等7 個板塊如見圖3 所示。

圖3 空間環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)體系框架初步設(shè)想Fig.3 The framework of space environment governance standard system is preliminarily envisaged

5 結(jié)束語

空間環(huán)境治理涉及空間態(tài)勢感知、 空間碎片管控、 數(shù)據(jù)共享、 交通規(guī)則制定、 國際監(jiān)管與協(xié)調(diào)等多方面, 已觸及太空控制權(quán)問題,日益受到關(guān)注。 作為人類競爭的新疆域, 國際空間競爭不僅是技術(shù)和工程能力競爭, 更是國際規(guī)則的競爭, 但國際社會尚缺乏有效的空間環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)體系, 也尚未出臺有效的國際法律和政策。 盡早開展空間環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)體系研究和規(guī)劃, 對于掌握國際話語權(quán)、 體現(xiàn)大國地位, 展現(xiàn)中國在空間環(huán)境治理領(lǐng)域的大國形象具有重要意義。