空间交通管理研究现状与分析

胡敏 范丽 任子轩

1.装备学院航天指挥系 北京101416 2.清华大学航天航空学院北京100084

随着空间物体数量的不断增长,空间环境日趋复杂,研究空间交通管理问题以规范空间活动变得越来越重要[1].至今人类的空间活动已有58年历史,据美国空间监视网(Space Surveillance Network,SSN)观测(截至2015年1月),地球附近空间物体的规模已接近7000t[2].人类航天发射活动产生的空间碎片持续威胁着航天器和空间站的安全,航天大国都意识到空间碎片问题的严重性,并提出了一系列减缓空间碎片的计划.由忧思科学家联盟公布的卫星数据库显示,截止到2015年1月31日,在轨运行的航天器共1265个,其中运行在近地轨道的航天器为669个,运行在中地球轨道的航天器为94个,运行在地球静止轨道的航天器为465个[3].如何通过制定合理的管理规则,保障在轨运行航天器的安全,避免空间交通事故的发生,一直是人们关注的核心.

本文从两大方面对空间交通管理研究的现状进行述评.一方面综述了空间碎片相关模型研究现状,包括空间碎片演化模型、空间碎片寿命计算模型以及空间碎片碰撞危险评估模型,在此基础上,重点对“凯斯勒现象”(Kessler Syndrome)这一理论假设的提出和研究进展进行了分析.另一方面综述了空间交通管理方法研究现状,主要针对碰撞规避问题、太阳同步轨道管理问题、地球静止轨道管理问题以及载人飞行轨道管理问题进行综述.

1 空间碎片相关模型

研究航天器解体或碰撞后空间碎片的生成、演化分布规律、碎片的轨道寿命,以及它们与现有航天器的碰撞概率,并最终建立空间碎片环境模型,有助于人们了解航天器解体或碰撞事件对空间环境的影响;评估不同轨道航天器的运营风险,设计航天器空间碎片防护结构,同时也是制定空间碎片减缓措施的重要依据.

1.1 空间碎片演化模型

空间碎片演化模型是一种长期演化模型,这里的“长期”是相对于短期工程模型而言的,演化模型更侧重于从机理上描述空间碎片环境,主要用于预测未来整个空间碎片环境的长期演化行为.空间碎片演化模型建模时,要根据已探测到的数据建立当前空间碎片环境数据库,再结合碎片的自增长与自消亡两方面因素的影响,引入一系列辅助因子,例如发射活动模型、轨道衰减模型、爆炸事件模型等,预测未来特定时间内的空间碎片环境[4].常用的空间碎片演化模型有:EVOLVE模型、LEGEND模型以及CHAIN/CHAINEE模型等.

EVOLVE4.0模型由NASA开发,采用蒙特卡洛随机模拟的方法,由发射、解体、固体火箭发动机燃烧熔渣及反应堆冷却剂泄露、太阳活动4个子模块组成,这4个子模块也就相当于4个特征量,可以预测轨道根数、碎片通量的变化情况,以及太空物体之间的碰撞概率,目前应用广泛[4].

LEGEND模型也通过蒙特卡洛仿真的方法对同步轨道以下200∼50000km范围内的所有空间目标进行演化计算,包括未来的发射事件、大气阻力、太阳辐射等数值计算模型,同时也考虑历史发射模型,可以给出与时间、高度、经度及纬度相关的碎片分布,如碎片尺寸、密度、速度等分布[6].

CHAIN/CHAINEE模型采用Particles-In-a-Box模型,将空间碎片环境简化为一系列在不同质量域和轨道高度域内的随机变量,为时间较长的演化行为分析提出了新的方法.因为EVOLVE等模型对于计算机内存消耗很大,一般不适宜进行包含连续碰撞的空间碎片演化行为分析,由于经过简化处理,CHAIN模型计算速度比EVOLVE模型快103∼104倍,但可信度低一些,主要用于分析空间碎片环境长期演化及连锁碰撞问题[7].

此外,目前国际上比较常用的空间碎片工程模型有NASA的ORDEM模型和ESA的MASTER模型.文献[8]比较了最新的ORDEM 3.0模型和MASTER 2009模型的特点.

1.2 空间碎片寿命计算模型

空间碎片寿命估计主要是针对近地轨道区域内的碎片,其消亡主要因素是摄动力,摄动力影响主要包括地球非球形摄动、大气阻力、太阳光压以及日月引力等.现有的空间碎片寿命计算方法主要有数值法、半解析法和解析法[9].数值法精度高,但是计算时间长.半解析法利用平均轨道根数作为状态变量,计算速度有了很大提高.空间碎片寿命计算模型的关键在于大气模型的选取,由于大气密度受时间、空间等多个因素的影响,建立精确的大气模型往往很难.目前相关研究主要集中在卫星坠入大气层方面,文献[10]针对卫星坠入大气层问题进行了仿真,分析认为影响预测精度的因素的变化范围为15%∼20%.事实上,使得近地轨道航天器消亡的最节省燃料的行为,就是将其机动到25年内注定会消亡的轨道,这种轨道的高度一般在600km以下.在这个高度区域内的空间碎片将在25年之内消亡.

1.3 空间碎片碰撞危险评估模型

空间碎片碰撞危险评估模型主要基于空间物体碰撞概率模型,碰撞概率模型有多种建模方式.文献[5]提出了一种基于几何距离接近事件的确定方法.这种碰撞检测是通过连续的高度筛选、轨道几何筛选和相位筛选.一般来说,高度筛选会筛选出与目标轨道近地点和远地点之间的高度相交的空间目标,在这个过程中需要考虑高度的衰减和短周期变化.筛选出的目标再经过轨道几何筛选,确定危险目标和关注目标的轨道面交线,计算最近距离,与安全距离进行对比.最后应用轨道相位筛选,分析预报时间内两目标的过交线时间窗口是否有交叠.另外还有学者基于空间密度越大碰撞概率越大的观点,对空间进行网格划分,使用统一采样的方式,统计采样时刻每个空间网格内的碎片数,如果同一个网格内的碎片数目大于或等于2个,那么认为这些碎片两两之间具有一定的概率发生碰撞.

1.4 凯斯勒现象

在空间碎片日益稠密的今天,越来越多的人在关注空间碎片密度是否存在一个极限值,大于这个极限值,人类的太空探索活动将变得举步维艰.可以直观地想象,这个极限值是存在的,达到这个密度值之后,将会产生一系列的正反馈现象,导致产生碰撞级联效应,使密度无法阻挡地增长下去,从而使太空变得无法利用.NASA专家Donald J.Kessler首先对这种碎片的碰撞级联效应进行了研究,因此,这种现象也就以他的名字命名为“凯斯勒现象”(Kessler Syndrome)[12].Kessler首先提出了一个恶性循环的可能性,当某一轨道高度的碎片密度达到临界值时,这一轨道变得尤为拥堵,加剧了碎片之间碰撞的可能性,碎片之间的碰撞产生更多新碎片,新碎片能够继续碰撞使得空间更加拥堵[10],这种恶性循环可以用图1表示.

图1 凯斯勒现象示意图

根据之前空间碎片演化模型来看,碎片有多种消亡的方式,有人认为,如果在一段时间内不发生卫星碰撞等使碎片数目剧增的行为,碎片会始终控制在一个稳定的、可控的范围,Kessler的估计过于悲观.然而事实上,Liou和Johnson利用LEGEND模型,在假设2005年以后停止发射活动的条件下,对未来200年后的空间目标环境进行了演化分析,从预测结果来看,Kessler并没有过于悲观,相反,他可能过于乐观了[13].他们认为在接下来的200年内,即使从2006年起不发生新的卫星碰撞事件,就近地轨道空间而言,尽管爆炸产生的碎片和与任务相关的碎片数目会降低,但是碰撞产生的碎片数目会升高,总碎片数目也会增加,空间碎片数目估计如图2所示[14].

Liou和Johnson同时也指出,尽管很多学者基于不同的假设和模型开展了很多分析,但是最终都得到了相同的结论,即近地轨道空间内的碎片数目将会不可阻挡地增长,并且,这种不安全的态势将持续相当长一段时间[15].更有资料证实,这种碰撞的级联效应已经成为了现阶段尺寸小于1mm碎片数目达到百万量级的最重要原因[16].为了更好地描述这种不可控的增长,Kessler在1991年提出了临界密度的概念[17].

2 空间交通管理方法

研究空间交通管理规则和相关法规问题,例如航天器运行管理规则、航天器入轨和离轨管理规则等,可以实现航天器的安全运行和空间资源的高效利用[18].目前对空间交通管理问题研究比较系统的是国际空间大学于2007年发布的研究报告[19].

2.1 碰撞规避问题

防止卫星碰撞有两个步骤:一是碰撞危险评估,二是碰撞规避机动.碰撞危险评估就是对在轨运行的空间飞行器发生碰撞的预判.碰撞规避机动是通过对空间飞行器的在轨机动来避免相互碰撞.碰撞危险评估一般分为多个级别,针对低级别的预警,需要对风险进行进一步的评估,逐步提高精度;而对于中等级别的预警,需要确定规避策略;对于高级别的预警,则需要执行规避策略.文献[19]提出了卫星碰撞规避的4条规则,提出由空间交通管理系统计算出碰撞概率、碰撞速度以及解体碎片对其他飞行器的影响概率,当碰撞概率超过1/10000时,向运营商提供碰撞规避机动的建议;当碰撞概率小于1/3000时,运营商可以选择是否进行碰撞规避、何时进行碰撞规避以及怎样进行碰撞规避;当碰撞概率大于1/3000时,并且碎片很有可能会危及到其他航天器,那么运营商需要执行合适的规避行动.

2.2 太阳同步轨道管理问题

有研究显示近地轨道上空间目标主要集中在800km、950km 高度的轨道层,而且轨道倾角为98.7◦到99◦的轨道上的航天器数目是最多的.在近地空间航天器中,运行在太阳同步轨道上的航天器占44%[20].这是因为太阳同步轨道的特性使得卫星每次飞越某地上空时,太阳都从同一角度照射地球,有较固定的光照条件,成为成像侦察、气象卫星、资源卫星争夺的宝贵资源.太阳同步轨道管理问题有其自身的难点,太阳同步轨道和地球静止轨道不同,地球静止轨道的资源是唯一的,是高度大约36000km的赤道上空的一条轨道,而太阳同步轨道是一系列轨道,其高度是有区别的,轨道倾角也是有区别的,轨道高度和轨道倾角是耦合的,这样考虑问题就很复杂.文献[18]提出了太阳同步轨道管理的1条规则,以不同的升交点赤经为准,分别定义42条轨道带;同时从500km高度到1000km高度之间定义12条太阳同步轨道,每条轨道至少相距20km;每条轨道上相距50km定义一个轨位,则大概能定义1000个轨位.所有的太阳同步轨道卫星都放置在这些轨位上,大约504000个轨位.

2.3 地球静止轨道管理问题

在地球静止轨道上,机构间空间碎片协调委员会(IADC)提议设置上下40km为机动区,其中40km∼+40km为浮动带,用来进行轨道维持的,其东西方向的预警区为0.1˚,南北方向为±37km,这样可以保证东西、南北方向的距离足够卫星用来抵抗摄动力影响.静止轨道上下区域41km至200km 是留给卫星进行变换位置机动用的,使得卫星能够每天至少向西漂移0.524◦,向东漂移0.525◦[18].

图2 近地轨道空间碎片数目估计示意图

图3 地球静止轨道卫星机动区域示意图

另外,设置静止轨道向外235km的地方为坟墓轨道,让卫星在留有一些燃料的时候机动至坟墓轨道,让出静止轨道宝贵的空间资源.文献[18]提出了地球静止轨道管理的4条规则,包括地球静止轨道卫星的运营商必须定期向空间交通管理系统提供卫星位置数据来支撑系统的碰撞规避分析任务,而且有权把自己的卫星位置数据信息,通过空间交通管理系统分享给该卫星附近的其他卫星运营商,用以共同优化卫星在轨维护机动计划.地球静止轨道卫星应该提前48h向空间交通管理系统提供卫星的最初轨道位置、在轨维护机动和变换位置机动的信息.

2.4 载人飞行轨道管理问题

现阶段,国际普遍规定500km以下的圆形轨道保留给载人航天器使用,民间的、商业性的非载人航天器除特殊情况,不能使用该区域的轨道.在这一区域,主要的碰撞的威胁来自于碎片,在高度约为300km∼400km的国际空间站内,就不止一次地发生有碎片碰撞的预警之后,宇航员全部进入逃生舱躲避的情况,因为一旦发生撞击事故,宇航员需要通过逃生舱脱离空间站.文献[18]提出了载人飞行轨道管理的2条规则,任何载人航天器发射飞行之前,运营商要提前48h向空间交通管理系统提交的飞行详情,内容包括:运载器类型、载人数量、发射的日期、时间和轨位、发射轨道和运行轨道、在发射段飞行时间和在轨运行时间、返回的日期、时间和位置等.

3 结论

针对日益增多的空间碎片和日益复杂的空间交通现状,开展空间交通管理问题研究刻不容缓.一种可行的技术途径就是构建人工空间系统,除了能够开展航天器、空间碎片的计算试验,还将通过与实际空间系统的平行映射、平行发展,构成一个相互影响、相互促进的平行系统,为空间系统的安全运行和管理提供计算试验环境.通过大量的计算试验,优化制定出合理的空间交通管理规则,从而指导实际空间系统的交通管理.涉及的关键技术包括基于Agent的人工空间系统建模方法、计算试验数据融合和处理方法以及空间交通管理辅助决策方法等.

本文综述了空间碎片相关模型和空间交通管理方法的研究现状,并提出了利用平行系统方法来解决空间交通管理问题的思路.空间交通平行系统的建立,将为空间系统的运行与管理提供更丰富的评估手段、内容和方法,将起到拓展空间系统能力,提高空间系统控制与决策科学性的作用,为空间交通管理准则的制定提供支撑.