空间物体近距离交会无法避免 太空“交通规则”如何建立

空间物体的编目工作，可比作公安机关的户口管理，每个空间物体从“出生”起都会被赋予唯一的身份识别号码。履行空间物体管理职责的是各航天大国的空间监视部门，比如美国的空间监视网、俄罗斯的空间监视系统等等。限于监测设备的探测能力，现阶段编目工作通常仅对尺寸大于等于10厘米的空间物体进行稳定跟踪，周期性更新其轨道数据。随着空间物体数量的快速增长，解体事件和巨型星座等产生的大量相似轨道空间物体，给编目工作带来了巨大挑战，需要同步提升跟踪探测和数据处理能力，以应对挑战。

碎片监测到了，又该如何评估是否有碰撞风险呢?

有人提出要清除空间碎片，但从保护空间资产和空间轨道资源的角度，相比动辄数亿的碎片清除费用，碰撞规避是经济有效、立竿见影的手段。航天器日常碰撞预警工作是预警规避的基础，当识别到重要空间资产的碰撞风险超过规避阈值时，通常采取轨道机动规避碰撞。

空间物体的碰撞风险识别常会用到“碰撞概率”和“盒子方法”两种方法描述。轨道预报误差不可怕，掌握误差分布统计学规律后，可以使用误差球来描述空间物体可能出现的位置，如使用3倍标准差，使空间物体落在误差球内的概率会控制在99.73%。如果预测的两个空间物体所在的误差球，没有发生交会，则二者的碰撞概率为零，如果两误差球有重叠，则对重叠区域的概率密度进行积分，就会得到碰撞概率，这就是碰撞概率的描述方法。正如对密度不均匀物体的密度积分，得到是物体的质量。因为在卫星运行的沿速度、指向地心和垂直轨道面三个方向，作用力模型掌握的精确程度不同，相应三个方向的预测误差也不同，所以误差球一般使用椭球来描述。盒子方法也正是利用预测误差的这一规律，以航天器为中心，在三个方向上取不同的长度，画出一个长方体的盒子表示交会风险等级。

未来面临的挑战

碰撞警报频现，太空无序“跑马圈地”会害人害己

空间的发展需要有序规划、遵守秩序。动辄数万颗的巨型星座规划是否必要?太空中的跑马圈地是否应当被限制呢?

以规划4.2万颗卫星的星链卫星星座和4.8万颗的一网星座为例，下面，我们来概述其带来的风险与挑战。至2021年12月底星链开始实施以来，已先后发射了35批次，共计将1942颗卫星送入地球轨道，目前仍在轨1794颗。星链卫星主要分布在倾角53度，运行高度覆盖200~550公里的空间区域内。一网卫星星座开始实施以来，已发射11批次，共计将358颗一网卫星送入地球轨道，目前仍在轨358颗。这些卫星主要分布在倾角88度，高度600/900/1200公里的空间区域内。为提高运载效率，节省成本，钢铁侠埃隆·马斯克的星链卫星通常采用一箭60星的方式，批量送至约300公里高度的轨道，大约需要两个多月的时间，爬升到550公里的运行高度。

轨道爬升期间，要穿越空间站运行的近圆形轨道区域，下面，我们随机选取2021年一个月内，与天和空间站的近距离接近事件进行统计。结果显示，交会距离在10、30、50、70和100公里以内的总交会次数分别为28次、468次、1452次、2680次、6034次，与星链卫星交会次数分别为4次、134次、428次、722次、1232次。

可以看出，近距离交会事件中，星链卫星占比最高接近31%。更令人担心的是，星链卫星爬轨过程处于电推进工作模式。在不掌握机动策略和机动模型的情况下，具有小推力或变推力持续机动目标的轨道预报误差难以估计。预报误差可达数十公里级或百公里量级，由预测时长来确定，并且此误差概率密度分布不符合统计学规律，难以精确评估碰撞概率。要保护重要空间资产“万无一失”，只能放大误差球半径，识别潜在的碰撞风险。但是，放大误差球同样具有负面效应，那就是虚警次数增加，造成推进剂损耗。同时，避碰机动过程会破坏空间站实验舱的零重力环境，影响科学实验的开展。

地球上行进需要交通规则，太空中也是如此，科学技术研究、特别是在太空等公共区域的探索也应该在一定的规则框架内进行。古语讲“无规矩不成方圆”，太空交通也有相应的“规矩”。联合国已经制定了外层空间行为的国际法，例如1967年10月10日生效的《关于各国探索和利用外层空间包括月球与其他天体活动所应遵守原则的条约》，简称《外空条约》;1976年9月15日生效的《关于登记射入外层空间物体的公约》，简称《登记公约》等。条约中规定：本条约各缔约国如发现在包括月球与其他天体在内的外层空间有对航天员的生命或健康可能构成危险的任何现象，应立即通知本条约其他缔约国或联合国秘书长。很显然，美国太空探索技术公司并没有遵守这一法规。

我们希望随着太空技术的迅猛发展，能够修订和完善联合国层面的太空探索法律法规，让大家都能有法可依。也希望各个国家都能在国际法框架下进行科学研究和空间活动，否则将会害人害己。探索太空、利用太空是人类共同的事业，需要我们携起手来，共同前行。

(刘卫 作者系中国科学院国家空间科学中心副研究员)