空间碎片环境与空间交通安全

第1章空间系统复杂性概述 随着空间技术的不断发展和人类航天活动的不断增多，外层空间飞行器的种类、数目快速增长，空间环境日益复杂，空间系统的安全运行管理问题已逐渐超越工程问题的范畴，对运行管理技术提出了新挑战。 空间系统是由空间环境和航天器一起构成的复杂大系统。多年来，对空间对象的研究主要停留在科学技术和工程层面，即使对于载人航天，人也仅作为工程系统的一个组成部分被研究，很少从管理角度考察人对航天活动和空间环境的影响。事实上，航天活动作为人类活动的外延，不可避免地受人作用的影响。随着系统构成的不断复杂、系统规模的不断增大、系统应用的不断增加，尤其是外层空间政治、经济、军事对抗因素的不断出现，空间系统的管理问题日益突出。 距离人类航天时代的开启已过了半个世纪，*早的航天器以科学技术实验为主要目的，应用也很简单。在很长一段时期内，航天技术作为美苏争霸的重要阵地，为炫耀技术水平不计代价，对经济效益往往不予考虑。随着冷战结束和航天技术的发展成熟，航天器逐渐走向实用，通信、遥感、导航等应用卫星获得了大发展，成为人们生活中不可缺少的重要内容。卫星的数目也以惊人的速度增长，截至2021年，所有编目的空间目标数量超过40000个，仍在轨运行的空间目标超过20000个，剩下的大部分坠入大气层销毁或坠落到地面。在轨运行的编目目标中，近80%是空间碎片，不可控空间目标的数目更是大得惊人，浩瀚的太空已不再宁静，太空垃圾将导致空间车祸的发生，空间交通已出现繁忙的端倪[1]。人们有理由相信，若干年后，空间交通不可能如现在一样，继续允许无序、自由地发展，而是要依据一定的统一规划，遵守一定的运行规则，甚至像城市交通系统一样，必须遵守交通管理部门的指挥和控制，空间系统管理将成为空间系统发展的必然要求。 目前，在航天器主要由国家和国际组织所有的情况下，开展空间系统管理的研究，提出空间交通的整体规划、运行规则、管理政策，相对于理论滞后于实践的城市交通管理，更为有利、及时，更可以获得理想的效果。事实上，在某些领域，人们已经注意到形成国际公认的航天器运行规则的重要性。例如，为避免地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星过于拥挤造成的问题，国际电信联盟规定，所有国家和组织发射地球静止轨道卫星前，必须向国际电信联盟提出轨道位置和卫星通信频率的申请，这对地球静止轨道的安全、有效利用发挥了重要作用。 空间环境、航天器系统的日益复杂，以及空间竞争因素的日益显现是空间系统建设和发展必须面对的问题。为了空间系统的安全有效运行，急需一个能够模拟空间系统的计算实验环境，为空间系统的安全性分析以及管理规则的制定提供支撑。 1.1空间环境复杂性分析 空间环境的复杂性导致了空间系统的不确定性。 外层空间由于不受大气和磁场的保护，有着非常严酷的高能射线、高能粒子辐射环境。在大多数航天器运行的近地空间，存在来源于地球辐射带、银河宇宙线和太阳宇宙线的大量高能带电粒子，包括高能电子、质子和重核粒子，它们与航天器上的电子元器件和功能材料相互作用，引发特殊的空间辐射效应，如总剂量效应、单粒子效应等，从而对航天器产生严重的不良影响，甚至威胁航天器的安全。近年来，各种大规模、超大规模微电子器件和新型功能材料在航天器上广泛应用，虽然提高了航天器的性能，但是也增大了空间辐射效应引起故障的风险，各国航天器不断发生由空间辐射引起的在轨故障。空间辐射引起航天器的故障是典型的不确定性事件，是空间系统运行管理中不容忽视的一个因素。一方面，空间天气的变化，会影响在轨目标和空间粒子的相互作用，例如，当太阳活动增强时，会加快航天器表面材料的剥蚀，特别是表面油漆涂层的脱落，就形成了新的空间碎片；另一方面，空间天气的变化，会改变目标在轨受到的作用力。全球温室效应会降低高层空间中的大气温度和大气密度，从而使空间碎片在轨驻留时间增加，不利于空间碎片的自然清除。 对空间系统和空间活动有着致命性不确定影响的因素是空间碎片。空间碎片是人类空间活动的产物，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛射物、空间物体之间碰撞产生的碎片等，是空间环境的主要污染源。空间碎片对空间系统造成了很多威胁，小到改变航天器表面特性、降低载荷性能，大到造成航天器损坏甚至解体，也是载人航天面临的*致命威胁之一。在轨目标数量持续增加，尤其是近10年，在轨目标主要是空间碎片的数量呈现阶跃式增长。 空间碎片在空间中的分布与人类航天活动密切相关。低地球轨道（low earth orbit，LEO）空间是当前空间中*为拥挤的区域，在同步轨道高度以下已经被人类开发利用的空间中，低地球轨道空间仅占0.3%，却包含了近80%的编目目标（对应于40%的空间目标质量）。在一些特殊的低地球轨道上运行的航天器，如太阳同步轨道（sun synchronous orbit，SSO），已经面临严峻的空间碎片碰撞威胁问题。在太阳同步轨道上，尺寸在10m2左右的航天器，其遭受1cm尺寸空间碎片碰撞的年平均概率超过0.8%。太阳同步轨道是近地空间范围内面临碰撞风险*大的轨道。研究表明，在400km高度，航天器每年遭遇分米级至米级尺度空间碎片碰撞的概率为千万分之一量级；每年遭遇厘米级尺度空间碎片碰撞的概率为百万分之一量级；每年遭遇毫米级尺度空间碎片碰撞的概率为百万分之四左右；每年遭遇0.1mm级尺度空间碎片约2次；每年遭遇0.01mm级尺度空间碎片550～600次。北京时间2009年2月11日0时56分，美国的“铱-33”移动通信卫星与俄罗斯已废弃的“宇宙-2251”军用通信卫星在西伯利亚北部上空约790km处相撞，巨大的动能使得两颗卫星瞬时化作两团碎片云。“铱-33”移动通信卫星重约560kg，“宇宙-2251”军用通信卫星则重达900kg，两颗卫星均运行于大倾角的近圆轨道，相撞时两者轨道夹角为103.3°，相对速度高达11.7km/s[2]。如此巨大的冲量产生了大量空间碎片，导致低地球轨道上的空间碎片数量再次剧增，这使得酿成“空间交通事故”的概率进一步增大。 由空间碎片导致的空间系统安全问题具有典型的不确定性和非线性特征，呈现出典型复杂系统的特点，既无法准确预知，也无法采用传统的监测、控制手段加以避免。 1.2航天器系统复杂性分析 主要在地球大气层外空间飞行（运行）的飞行器，称为航天器。航天器可分为无人航天器和载人航天器两大类。无人航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和空间探测器两类；载人航天器则包括载人飞船、空间站、航天飞机等类型。航天器是由人设计、制造、发射的，其使命由人决定，运行状态受人控制，也必然带有人的主观性、不确定性，航天器的种类、数目越是增多，由个体不确定性引起的整体不确定性效果就越突出。 *早的人造地球卫星都是执行单一任务或一类任务的单个航天器，航天器在轨运行期间，由地面多个测控站对其进行跟踪、定轨和控制。随着航天技术和航天应用的发展，航天器的规模不断增大，出现了卫星星座和卫星网的概念，如用于低轨通信的卫星星座、全球导航的卫星星座等。卫星星座通常由几十颗卫星组成，这些卫星运行在相同或相近的轨道上，其运行控制除了取决于自身任务和状态，还受整个星座系统任务的约束，需要考虑与星座其他成员的相互关系。例如，美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）由24颗卫星构成，这些卫星均匀地分布 在6个轨道面上，运行于高度为20200km的圆轨道上。根据卫星导航原理，为确保导航功能的实现，卫星构型的分布必须时刻确保地球表面的任意一点能同时见到至少4颗GPS导航卫星。俄罗斯的全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GLONASS）、欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system，GSNS）、我国的北斗二号卫星导航系统都是由多颗卫星组成的卫星星座，这些卫星星座的设计、规划、建设和运行控制中的关键问题都集中在目标制定、约束分析、应用模式、产业政策等方面，远远超越了传统工程技术的范畴。可见，空间系统本身规模和能力的发展，从物质层面催生了空间系统的管理问题。 近年来，以美国为代表的航天大国纷纷提出了智能化的航天器集群概念和研究计划，其本质意图是将在轨运行的航天器发展为具有自主感知、自主组网、自主控制的智能控制单元，从而实现航天器功能和能力的任意组合、重构，发挥航天器集群的整体能力，产生“1+1>2”的效果。 美国国防部高级研究计划局（Defence Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出并开始执行的“快速、灵活、自由飞行和模块化航天器（Future，Fast，Flexible，Fractionated，Free-Flying）”计划，即F6计划，是**个明确的航天器集群研究项目。F6计划从2007年开始实施，已进行多次模块重组演示实验，并取得了相关技术的突破。参与F6计划的各个组成单位主要有美国的波音公司、通用动力公司、轨道科学公司、喷气推进实验室和海军研究实验室等，虽然DARPA于2013年5月宣布取消F6计划，但是F6计划的一些理念还是对航天器系统的发展产生了深刻影响。 F6计划的基础方案是将一组模块航天器作为一个单位，以无线自组织网络组织在一起，通过集群内资源的合理配置实现一种或多种任务能力。与常规星座或编队不同，F6计划的模块是各不相同的，飞行构型是松散的，资源和信息配置是动态的。 F6计划将建立一种面向未来的航天器体系结构，将传统的整体式航天器分解为可组合的分离模块，各分离模块可以快速批量制造和独立发射，当其在轨运行时通过无线数据连接和无线能量传输，构成一个功能完整的虚拟航天器系统。该系统在全寿命周期都具备系统重构和功能再定义的能力，以此有效降低航天器全寿命周期中各种不确定因素对天基系统在设计、制造和运行阶段造成的严重影响，使航天器能够实现在轨故障修复、功能更换和扩展，提高航天器执行任务的范围和能力，增强航天器的灵活性和可靠性，降低全寿命周期费用和风险。模块的批量生产、分离发射入轨和在轨自主组网技术能够大大降低航天器从研制到投入使用的时间，甚至可以直接通过发射载荷模块对已有航天器进行任务更换和扩展以满足任务要求，从而大大提高空间任务的响应能力。 航天器的智能化、体系化，不但产生了空间系统交通管理的必要性，也为其可能性、可操作性提供了条件。 1.2.1传统低轨卫星通信系统 传统低轨卫星通信系统起源于20世纪80年代，由摩托罗拉公司*先提出，主要为了创建覆盖全球的天基通信网络服务。从20世纪80年代末到90年代末，以铱星（Iridium）、轨道通信（Orbcomm）、全球星（Globalstar）为代表的公司相继完成**代星座系统的组网运营。2000～2014年，新铱星公司、轨道通信公司、全球星公司进行了第二代星座系统组网，极大地增强了地面通信手段[3]。 1.Iridium卫星通信系统 Iridium卫星通信系统是全球唯一采用星间链路组网、全球无缝覆盖的低轨星座系统，Iridium一代系统在1998年建成并开始商业运营，1999年宣告破产，后被新铱星公司收购。Iridium卫星通信系统轨道高度为780km，由分布于6个轨道面的66颗卫星组成，用户链路采用L频段。Iridium二代系统通过对Iridium一代系统卫星的逐步升级，如L频段配置48波束的收发相控阵天线、用户链路增加Ka频段、配置软件定义可再生处理载荷等方式实现了更高业务速率、更大传输容量以及更多功能。2017年～2019年，Iridium二代系统已完成全部组网发射，部署后传输速率可达1.5Mbit/s，运输式、便携式终端速率分别可达30