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太空中漂浮的数十万人造物体 我们该怎么处理?

Jamie Morin指出了追踪卫星、避免碰撞所需的几大要素。

太空正变得越来越拥挤。今天,我们可以追踪到20,000多个绕地球运行的人造物体,包括1500颗现役卫星和大量“退休”飞行器、使用过的助推器和其他碎片。而这只是冰山一角。今年晚些时候,美国空军将开启太空围栏(Space Fence),届时我们追踪到的物体将是现在的10倍。这个耗资16亿美元建造在太平洋夸贾林环礁的强大雷达,每天可以进行100万次观测。

大量卫星和空间碎片围绕着地球运行丨ESA/ID&Sense/ONiRiXEL

控制太空交通的挑战性与日俱增。卫星正变得越来越小,发射成本也越来越低。科学家、企业甚至大学只要花上1万美元,就能造一颗卫星来拍摄地球。成千上万的航天器被联合起来,越来越多地用于各种宏伟的项目。例如,加州的SpaceX公司计划在本世纪20年代中期前,发射近12000颗小型卫星,形成一套太空互联网系统。

碰撞、事故、误解和冲突发生的几率也在增加。每一次碰撞产生的碎片,都会威胁到其他太空活动。2012年,国际空间站的工作人员发现2009年一次卫星碰撞产生的碎片从旁边经过,不得不在“联盟”号宇宙飞船的逃生舱内躲避。

为适应愈发拥挤和大众化的太空未来,我们需要某种形式的太空交通管理。美国政府在寻求领导全球共同努力的同时,也在制定更有效的卫星管理政策。这些政策不是说成为“交警”,指挥卫星向左还是向右,而是一种类似气象预报服务的系统。卫星运营商分享自己的信息,接收状态报告和碰撞警报,企业则根据这些数据开发和销售服务及应用程序。

但太空拥堵是一个全球问题,影响着民事、商业和国家安全活动。中国和印度是两支主要力量;澳大利亚和新西兰在过去三年里都成立了自己的国家空间机构。企业家和教育家正热切渴望扩大他们的据点。从法律上讲,他们完全有权利。1967年的《外空条约》规定,任何国家都不得限制另一个国家进入及和平利用太空。

然而,关于轨道运行的国际条约或规范少之又少。国际上曾几番讨论,包括欧盟的《外空活动行为准则》草案以及联合国和平利用外空委员会(United Nations Committee on the Peaceful Uses of Outer Space),但始终未就协调航天器活动达成全球框架。

国际性的太空交通管理制度在某种程度上可以映照航空业的管理制度:采用多边的安全和通信标准与做法,同时通过涵盖某些经济活动和安全形势的双边协定予以巩固。但管理太空交通和管理航空运输存在很大差别。和大多数飞机不同,卫星不需要传输自己的身份证明、速度、方向或高度。所有权很难确立。飞行器的位置是不确定的,而且部分最重要的数据因为商业或政府原因不能公开。失效卫星和碎片或许会一直留在轨道上,几百年都没人管。

下面,我将简要讲述国际性的太空交通管理系统所需的4个主要要素,以及构建这一系统所需采取的措施。

四个要素

优化追踪技术。飞机的管控比卫星严格得多。在数小时的飞行中,空中管制系统根据规划好的航线指挥飞机飞行。大多数飞机会不断报告自己的位置。在高峰时段,美国在其领土上使用150个雷达追踪5000架飞机。相比之下,全球只有几十个站点在追踪数以万计的太空物体。卫星可能被忽视多年,在物理定律的支配下,沿着轨道运行。

追踪太空物体从技术上来说是很难的,尤其是在它们体积较小、运行速度较快的情况下。太空物体可以像油漆斑点一样小,也可以像公交车一样大(见“交通堵塞”)。它们中的大多数在离地球表面200千米至4万千米的轨道上,以每秒数千米的速度运行。目前,美国军方会在一个网站上发布大于10厘米的物体的各种数据(www.space-track.org)。但是,每一个被追踪的物体,都有20-30倍之多的碎片。碎片大部分很小,无法追踪,但如果任何一片撞上卫星,都能使任务告吹。

图丨space-track.org/The Aerospace Corporation

在全球更多的地方放置改进的传感器能够提高测量的频率和灵敏度。在卫星频繁更换轨道时,这将非常重要。不过更高效的做法是太空运营商共享传感器和通信链路的实时信息——就像它们共享飞机信息一样。随着卫星操作越来越自动化,分享这类信息极其重要。最后,将卫星与设计为即使卫星发生故障也能传输位置的应答机相连,可以提供精确的位置信息,减少错误的碰撞警报。

说到底,要想最大程度地发挥全球传感器的作用,分享追踪数据十分必要。在接下来的几年里,其他国家的系统或许可以补充美国的“太空围栏”。这些可以通过双边和多边数据分享协议(如美国范登堡空军基地的联合空间行动中心目前所使用的协议)与美国项目共同运作,和其他国家、企业分享追踪和碰撞警报信息。

私人企业也应当有所贡献。卫星运营商联盟可以提供追踪数据和飞行器操作计划,估测卫星位置的公司可以让它们的商业追踪数据能为人所用。越来越多的私人公司热切地向卫星运营商出售太空交通数据和增值服务。然而,由于地缘政治风险,飞行器追踪和管理方面的国际合作前景受到了制约,一些国家或许不愿依赖美国,想要寻求自己独立的数据。这和全球导航及计时数据现状类似:俄罗斯、欧洲国家、中国和日本都已开发出相关方案替代美国的全球定位系统(GPS)。

预测和身份识别。为避免碰撞,需准确预测飞行轨道。然而零散的观测使测定卫星的位置和速度具有不确定性。引力和其他力(例如来自高层大气的阻力)模型中的局限也会导致不确定性。

当不确定性的“气泡”重叠时,可以利用模型预测潜在的碰撞。由于存在很大的不确定性,许多潜在碰撞不会真的发生:考虑到目前轨道上的卫星数量,预计每10年会发生1-2次这样的碰撞。但卫星所有者需要评估风险。操控卫星不容轻率——它消耗燃料,产生其他碰撞风险,可能中断卫星任务,甚至缩短其使用年限。卫星任务需要确定碰撞警报的概率阈值,平衡操作频率和可接受的风险。

卫星运营商的身份也需要确定。过去,参与太空活动的国家很少,如今却多了很多,因此较难确定卫星的所有权。根据联合国《关于登记射入外层空间物体的公约》,各国政府需记录新的太空物体。但记录过程长达数周或数月,清单也不完整。一枚火箭可以发射数十颗卫星,一些卫星还携带了更小的卫星。谁对无法持续追踪的小碎片负责?这是很难确定的事。

随着飞行器和运营商不断增加,需要快速、完整地提供精准追踪和操控信息。比方说,在轨维护系统需要近实时的信息来避免和其他卫星相撞。

政府和企业,如加州的ExoAnalytic Solutions和LeoLabs都在开发用于汇报潜在碰撞的服务;目前,美国空军是主要提供商。这些服务必须24小时提供,并要定时快速更新;此外,它们还必须高效处理来自多个来源的矛盾数据。

标准和规范。为了管理在轨运行,减少太空碎片,国际上需协商和制定数据分享协议、标准和规范。2018年4月,美国副总统迈克尔·彭斯在演讲中宣布,美国商务部将率先制定共同管理太空交通的全球性措施。但是,为了让这些措施得以顺利实施,还需加大努力。

为达成国际共识,美国政府必须与商业太空从业者及国际伙伴协商。例如,交会和服务运作执行联盟(Consortium for Execution of Rendezvous and Servicing Operations,CONFERS)正在设立一个由太空专家组成的行业-政府论坛。

此外,还需要消除人们对于以下方面的顾虑:专有信息及敏感信息的处理,管理权限的划分,开发合同的分发,潜在责任。

自发的标准和经济激励措施将是一个良好的开端。比方说,世界经济论坛正沿着这些方向建立一个产业联盟,并在征求建议,仿照绿色建筑认证方法,建立太空可持续性评级系统。

减少太空碎片。现役卫星面临的主要碰撞风险来自碎片,而不是其他卫星。为长期维护轨道环境的可持续性,必须进一步限制碎片的产生。关于减少太空碎片的国际准则,应当以机构间太空碎片协调委员会(IADC,由13个民用空间机构组成)起草的方案为基础。例如,IADC的“25年守则”要求低轨卫星在其任务结束后的25年内被移除。清除卫星搭载的所有能量来源——从燃料到旋转动量轮,将降低退役卫星爆炸的风险。如果能够克服技术、政策和经济障碍,一些特别危险的碎片物体也有可能从轨道上移除。

美国联邦通信委员会(FCC)负责给美国的商用通信卫星发放发射许可,该机构宣布将更新碎片消除条例。即便没有国际协议,鼓励其他国家制定或强化其本国规则和标准,也可以改善太空环境。

下一步怎么做?

美国正在迈出第一步。联邦政府计划将太空追踪数据从军方转移到民间机构。这或将提高国际公众对分享数据的信任度和意愿度,从而提高太空安全。美国政府机构之间,公共部门和私营部门之间,以及具有空间活动能力的国家之间仍需建立起关系。将职责转移到不同的联邦部门并将任务交给承包商,不足以保护宝贵的太空资产。

美国政府、外国政府和商业卫星运营商之间的数十种数据共享做法需要打通。数据格式必须兼容,并且需要协议来归并包含专有或国家安全信息的数据流。

必须建立国家及国际间的卫星运营规范和标准。各方讨论已进行多年;而随着太空拥堵升级,是时候加速国内和国际对话了。今年10月在华盛顿举办的国际宇航大会(International Astronautical Congress)将是不容错过的重要机会。

责任编辑: 夏雨荷   来源:果壳网 转载请注明作者、出处並保持完整。

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