空间交通管理概论

第1章空间交通管理的概念 1.1空间交通管理概念的演变进程 1.1.1概念的产生（基于空间活动实践的概念孕育阶段，20世纪60～90年代）1957年10月4日，苏联成功发射了人类**颗人造地球卫星，揭开了人类太空时代的序幕。随后美国也发射了自己的**颗人造地球卫星。进入20世纪60年代，美、苏两个空间大国开始登月、空间探索领域的空间竞赛，其他国家也纷纷表达了开展空间活动的愿望。随着航天器活动的不断开展，1965年，美国R. Cargill Hall［1］有预见性地提出对发射进入空间的航天器进行交通控制（traffic control of space vehicle），并指出如果不对日益拥挤的空间交通进行控制，将可能导致航天器发生碰撞，并引发相应的国际争端。 20世纪60年代，全球发射的航天器数量相对较少，低地球轨道区域也没有出现拥挤状况，航天器发生碰撞和有害干扰的概率极低。1967年，联合国和平利用外层空间委员会（简称联合国外空委，COPUOS）《外空条约》确立了各国自由探索外层空间的原则。这个时期也正是美国和苏联开展太空竞赛的关键时期，在空间运行的航天器，除个别航天器外，基本都是美、苏两国的。在这种政治环境下，虽有学者提出“航天器交通控制”的想法，但双方都不会考虑对空间活动加以限制，自然也不会出现空间交通管理的概念。 20世纪70～80年代，特别是进入80年代后，出于对涉及国家安全的空间系统保护的考虑，美国提出了围绕卫星的“隔离区”概念［2］。但在当时的技术水平下，在低地球轨道高速运转的航天器基本不具备轨道控制能力，因此“隔离区”的概念无法实现。 20世纪70年代后期，出现了将退役航天器机动到处置轨道的呼声。1980年5月，美国国防部的一颗卫星为避免和另一颗美国国防部退役卫星发生碰撞，实施了首次碰撞规避机动。随后，国际通信卫星组织首次对退役卫星实施寿命后处置，将其机动到地球同步轨道（GEO）的处置轨道。 1978年苏联核动力卫星“宇宙954”和1983年“宇宙1402”卫星的再入使国际社会重新审视核动力航天器的使用，但其目的是保护人类和环境不受核辐射的危害，而不是建立空间交通管理制度。对于这一问题的思考，*终产生了“核安全轨道”的概念，但后续并没有开展核动力源航天器安全轨道及其处置轨道的实践［2］。 1985年和1986年，美国开展的在轨卫星试验由于出现卫星高速相撞而被迫终止，这促使美国提出了“卫星试验场”的概念。“卫星试验场”概念的提出是想为卫星在轨试验指定一个特定的轨道区域，从而确保卫星试验不对邻近航天器产生干扰和危害。这个方案由于轨道力学方面的限制和低地球轨道航天器分布的分散性并未形成可行的方案。 在GEO轨道上，由于航天器只能在相对小的范围内运行，对航天器进行管理是可行的。国际电信联盟（ITU）为防止频率干扰，颁布了《无线电规则》，对GEO轨道进行轨位和频谱管理，该规则从客观上在空间系统的运行控制管理取得了一些进展。但即使在这一范围，国际电信联盟的重点也只在于防止射频干扰，而不是防止物理碰撞。事实上，20世纪70、80年代，“卫星位置管理”是比较流行的空间交通管理的表述［3］。 1988年7月，美国空间科学和应用分委会主席在美国国会关于空间碎片的听证会上提出了一个*为极端的碎片“零增长”方案——为抑制地球轨道碎片的增长，只有在旧的碎片再入地球大气层后，才允许产生新的碎片。但如何实现这一提议，后续不了了之。 这些研究和空间飞行试验都可以视为人类试图对航天器及其行为进行管控的尝试，可以视为人类在不同阶段对空间交通管理的认知。 空间交通管理作为一个正式的术语**次正式出现是在20世纪80年代，捷克航天专家P. Lubos教授在《外层空间的交通规则》（Traffic Rules for Outer Space）一文中首次给出了空间交通管理的概念。开展空间交通管理意味着要确切地知道航天器在某一时刻处于什么位置，是在大气层中，还是在外层空间；要了解航天器从哪里来，要到哪里去；要了解航天器正在做什么及其工作状态。空间交通管理同时也包括通过防止碰撞和有害的干扰确保空间活动的安全开展，并保护外空和地球的环境［4］。此后各国空间法领域的学者和空间领域的技术专家开始了对空间交通管理的广泛研究，但直到世纪之交才出现了更详细的讨论［5］。 1.1.2概念的发展 空间交通管理或空间交通控制的概念一直很模糊，对此在某种程度上要归咎于技术和政治方面的原因。虽然有些学者对空间交通管理与陆地、航空、海洋的交通管理作了许多对比，但是空间交通管理与陆地、海洋和航空交通管理有着本质的区别。汽车、飞机、舰船在行驶路径和速度控制方面都具有极大的灵活性，能够设立航道控制或道路规则。而在外层空间运行的航天器就没有这么简单了。在外层空间运行的航天器机动能力有限，有些航天器，如哈勃望远镜和大部分微纳卫星基本没有轨道机动能力，同时技术、政治、法律等方面的因素也使空间交通管理面临更大的挑战。因此，空间交通管理问题与上述领域的交通管理问题相比具有非常不同的特点。 1.1.2.1基于学术研究的概念构建阶段（20世纪90年代～2006年） 这一阶段具有代表性的研究是国际宇航学会（IAA）牵头开展的空间交通管理系列研究。2001年IAA启动了一项关于空间交通管理的课题研究，在2003年提交到在德国举行的国际宇航大会上进行讨论。IAA经过多年的研究，在2006年发表了《空间交通管理研究报告》，在报告的术语部分将空间交通管理界定为“空间交通管理包括在进入外空、在轨运行以及再入过程中保证航天器安全和不受干扰的各种技术和制度规则。”［6］这种表述并没有界定什么是空间交通管理，只是指出了空间交通管理涉及技术和规范两个层面，并涵盖了航天器发射、在轨运行和航天器再入三个阶段，以及空间交通管理的目标，因此没有提供一般意义上可操作的概念。IAA关于空间交通管理的研究使该问题在国际范围内引起了广泛的关注。 1.1.2.2空间交通管理体概念广泛研究阶段（2006～2014年） 这一阶段有关国际组织和学术机构开始广泛参与空间交通管理问题的研究。2007年，具有多学科背景的国际空间大学（ISU）国际学生小组研究、提出了空间交通管理（STM）系统，根据不同轨道的特点，细分了不同轨道的“交通规则”，并考虑了STM方法的各种选择。2008年，由IAA和世界安全基金会（SWF）共同组织在欧洲空间政策研究所（ESPI）举办了“公平和负责任地使用空间： 国际视角”研讨会，重点讨论了空间交通管理的相关问题。《空间法科隆评论》随后也开辟了关于STM的专栏。 随着全球空间活动的广泛开展，航天器数量和空间碎片数量每年大幅增长。随着空间碎片数量的不断增长，出现多次卫星与空间碎片碰撞事件，特别是2009年2月，俄罗斯退役的“宇宙2251”卫星与美国正在运行的“铱星33”碰撞产生了约1500块新的可跟踪空间碎片，加剧了空间重要区域的拥挤问题，也进一步凸显了实施空间交通管理的迫切性，引发了国际社会对加强空间交通管理的关注和讨论。2009年4月，美国国会召开了关于空间交通管理的听证会，评估了随着空间事故和空间碎片数量的持续增长，民用和商业空间用户所面临的挑战。2012年加拿大麦吉尔大学组织了空间交通管理论坛，成功引导了空间交通管理与航空交通管理的交叉研究。 随着商业航天的飞速发展，空间活动更加多样化，大量小型卫星星座发射，空间环境愈发拥挤并进一步恶化已成为必然趋势；同时由于全球军、民、商空间能力的快速发展，各国对空间资产的依赖性越来越严重，空间系统的脆弱性问题也日益突出。2014年国际宇航大会（IAC）期间，IAA批准“空间交通管理——走向实施路线图”课题研究立项，从对空间交通管理的概念讨论阶段进入关注空间交通管理具体实施的问题。 1.1.2.3空间交通管理体系构建和政策实施阶段（2015年至今） 历经多年的学术研究和国家层面的讨论和准备，在IAA的推动下，联合国外空委开始推进“空间交通管理”概念和体系的共识，从而指导、规范各国的空间活动。 2015年在联合国外空委法律小组会议上，国际空间法学会和欧洲空间法中心（ECSL）联合举办了空间交通管理研讨会，同年联合国外空委法律小组委员会在其决议中对STM进行了强调，并将其纳入2016年和2017年会议议程，从而将此前的理论概念探讨提升到政府间交流和讨论的层面。 与此同时，欧洲也开始在欧洲层面关注空间交通管理的构建。欧洲航天局（ESA）委托德国航天局牵头联合欧洲多个国家开展了空间交通管理的研究，并于2017年4月发布了《执行欧洲空间交通管理系统》的三份报告，包括白皮书、安全和可靠性战略、技术需求。 美国出于巩固其在太空的领导地位、掌握规则制定主导权的考虑，积极推进国内空间交通管理工作的开展。2016年，美国国家航空航天局（NASA）发布了《空间交通管理研究*终报告》。2018年6月18日，时任美国总统特朗普在白宫举办的国家航天委员会第三次会议上正式签署颁布了《国家空间交通管理政策》，成为全球首*综合性空间交通管理政策。该政策的目标是实现美国在空间交通管理领域的领导地位，构建安全、稳定和可持续的空间环境。为实现该目标，美国一方面积极推进空间态势感知、空间交通管理等领域的科研发展与技术进步，另一方面将向个人和实体运营商提供“空间安全数据和服务”及其他空间交通管理的工作从国防部移交至商务部，商务部将制定一个开放式的空间态势感知数据共享架构，改善空间态势感知数据的共享性与互操作性。同时，商务部也会在全球空间态势感知数据的基础上制定航天器发射前风险评估和在轨碰撞评估的*低安全标准和*佳实践，尽量防止在轨碰撞的发生。 2017年IAA在国际宇航大会（IAC）上全面介绍了空间交通管理研究的进展情况，并于2018年2月发布了《空间交通管理——走向实施路线图》。 人类空间活动的重要性及空间活动的可持续性要求凸显了实施有序、安全进出外空和对空间活动进行管理的必要性，在这个背景下产生了空间交通管理的概念，从而可以有效处理新出现的挑战，维持现有和未来空间活动的安全性和可持续性。空间交通管理的概念将伴随着人类空间活动的发展而不断发展、演化。 事实上，空间交通管理只是一个目标，即在任何时间，使航天器潜在的电磁干扰和物理碰撞的可能性降到*低。前者主要通过国际电信联盟来具体操作，后者则比较复杂，要具体研究如何避免空间物体碰撞，这也是20多年来解决空间碎片问题的关键，同时也是空间交通管理面临的焦点问题。航天器及碎片数量的不断增加、商业航天的飞速发展、空间活动主体的多样化，这些因素共同决定了空间交通管理概念的发展方向。 1.2各国空间交通管理概念的内涵与外延 1.2.1学术界的概念 1.2.1.1国际宇航学会（IAA） 国际宇航学会（IAA）经过多年研究于2006年向联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）提交了一份关于未来空间交通管理的基本报告。在该报告中，IAA给出了空间交通管理的初步概念： 制定一整套技术和规章制度，以确保航天器安全无干扰地进入空间、在空间运行以及返回地球。空间交通安全管理的目的是采取适当的措施，保证空间活动的顺利开展。因此空间交通管理涉及技术和规范两个层面，并涵盖了航天器发射、在轨运行和航天器再入三个阶段［6］。 空间交通管理在功能上必须能准确地对地球轨道的物体进行搜索、探测、跟踪、辨识和分类；该系统还应对航天器未来的位置进行预测，分析可能发生的空间物体碰撞，对受影响的各方发出碰撞预警，并在需要的时候，指导各方实施航天器规避机动；将可能的电磁波、光学干扰和物理干扰降到*低，尽可能避免因空间气象造成的异常影响，实现空间资源的有效利用。一旦航天器遭到破坏，空间交通管理系统的执行机构应尽*大可能协助和确认相关航天器及其所属国，并根据相关国际法确定相应的责任、明确赔偿事宜。 2006年，在国际上实施STM的建议尚不具备实施条件。经过10年的发展，2017年IA