如何在太空安全“会车”

文/ 江山

▲ “猎鹰9”发星链组网卫星

前不久，太空探索技术公司和一网公司因为卫星之间的一次近距离靠近，同美国负责通信卫星监管工作的联邦通信委员会（FCC）举行了一场会面，并提交了材料，但双方的有关说法并不完全一致。两家公司的卫星在太空成功避撞，但在地球上的口水战中却互不相让，吃瓜群众纷纷围观。在卫星越来越多的情况下，如何采取措施，保证在轨卫星互不干扰、各行其是，确保空间环境安全一直颇受业界关注。

有惊无险的“会车”

“一网”官员4月初称，为避免同太空探索技术公司一颗“星链”卫星接近，他们被迫让一颗卫星实施了机动。“一网”那颗卫星编号为“一网”0178，是3月25日由联盟号火箭从俄东方航天发射场发射入轨的36颗卫星中的一颗。根据美国天军3月30日数据，该星据预测会在升轨过程中来到“星链”1546卫星附近，当时初步估计4月3日两者相距不到60米，相撞概率为1.3%。后者发射于去年9月，处在高约450千米的一条轨道上。“一网”官员后来对媒体表示，太空探索技术公司向“一网”通报称，它无法做任何事情来避免相撞，所以才关掉了那颗星上的自动避撞系统。言下之意，太空探索技术公司在协调过程中不太配合，而且“一网”对太空探索技术公司“大干快上”的星座发展策略颇有微词。

太空探索技术公司并未就那些报道公开置评，但的确在4月20日安排了同“一网”和FCC国际局的一场会面，后者负责通信卫星监管工作。根据太空探索技术公司报送给FCC的一份材料，会上讨论了这次卫星交会事件以及该公司自己对该事件的评估情况。太空探索技术公司表示，双方根本就没出现什么侥幸脱险或差点撞上的情况；太空探索技术公司和“一网”一致认为双方做了成功的协调，从而促成了积极的结局。在4月2日的一次通话中，太空探索技术公司指出，根据低轨实验室公司预测，两星相撞概率远低于用以决定是否要实施机动的阈值，即10万分之一。“一网”和太空探索技术公司的轨道数据对比曾短暂显示碰撞概率较高，包括相关报道中所说的1.3%，但太空探索技术公司称，“一网”已承认其轨道预测低估了不确定性。在不到两小时后进行的第二次通话中，“一网”表示已决定实施避撞机动，原因是其无法等待更多数据。“一网”请求太空探索技术公司关掉“星链”1546的自动避撞系统，而太空探索技术公司也照做了。“一网”随后便在4月3日让“一网”0178实施了机动。不过，从细化后的轨道数据来看，到实施机动时，相撞概率已经不大。根据天军的数据，两者实际接近距离为1120米。低轨实验室公司利用其自有数据做出的估计是1072米。低轨实验室公司利用其雷达网络来跟踪空间物体。

太空探索技术公司在其报送材料中说，太空探索技术公司就一网公司官员选择公开谎报相关协调情况向FCC表示失望；太空探索技术公司因此也要对一网公司在与FCC会谈时表示会收回其先前的不正确言论表示感谢。

▲ 俄制联盟2-1b弗雷盖特型运载火箭5月28日在俄东方航天发射场发射了一网公司的36颗组网卫星

“一网”并未收回其言论，但在报送给FCC的材料中表示，它觉得在与FCC会面时太空探索技术公司和“一网”工程团队之间的事实和数据交流做得非常好。“一网”致力于同太空探索技术公司和所有其它卫星运营商一道就卫星的物理协调开展全面合作。

降轨已成事实

这起事件正值太空探索技术公司请求FCC批准其修改现有许可证，把2825颗卫星的轨道从原先获得批准的超过1000千米调低到约550千米。这将让那些卫星加入到已获准在550千米轨道上运行的1584颗卫星之列。太空探索技术公司声称这项调整会提升其星座的安全性，因为卫星轨道调低后在轨寿命会缩短。在包括一网、卫讯、休斯网络系统和亚马逊在内的多家公司的强烈反对声中，FCC4月底批准了太空探索技术公司的请求。

这并不是第一起涉及“星链”卫星同他方卫星接近的争议。2019年9月，在确定一颗“星链”卫星会从过近距离上经过后，欧空局被迫对其“风神”卫星实施了机动。欧空局当时抱怨称，它在同太空探索技术公司协调方面遇到了问题，而后者则宣称那是因为人员休假等几个因素赶在了一起，但那些问题随后已得到解决。欧空局官员表示，当时的情况千钧一发，协调机制没能很好地发挥作用，但后来情况有了改善。此后欧空局同太空探索技术公司一直保持着密切联系，配合良好。

拥堵的太空让人愁

通常来说，卫星互联网有两种方案，一种是地球同步轨道卫星，一种是类似“星链”和“一网”的低轨卫星星座。地球同步轨道卫星互联网的缺点是轨道高度高，信号往返时间长，延迟明显。地球同步轨道卫星一般为大型卫星，功率大，能满足远距离通信要求，卫星成本高，对运载火箭运载能力要求高。其优点是所需卫星数量少，只需3颗卫星即可覆盖全球。每一颗卫星带宽有限，每颗卫星服务的用户数量越少，用户的带宽越大。

低轨卫星星座互联网的缺点是所需卫星数量多，由于轨道较低，需要很多卫星才能覆盖全球。其优点是轨道低、延迟少；卫星功率无需太大，通常采用小型卫星，成本较低；既可用大运载火箭群发，也可用小火箭单发，发射方式灵活。

太空探索技术公司低轨互联网星座项目最早于2015年提出。目前该公司已获得国际电联和FCC批准，获得了Ku、Ka和V频段资源及美国落地许可。“星链”星座计划分三期建设。一期和二期约为4400颗卫星。目前太空探索技术公司已在550千米的高度部署了超过1600颗卫星。按照FCC规定，“星链”星座到2024年需要完成一期和二期计划中的一半卫星（约2200颗）的部署，到 2027年需要完成所有卫星的部署，意味着在2025—2027年需要发射约2300颗卫星。但是，从2023年开始，前期部署卫星开始退役。为维持星座的正常运行，太空探索技术公司要不停地进行补网和组网发射，预计年均发射要达到40次。长期来看，维持一个4000多颗卫星的星座，年均补网卫星约为900颗。“星链”星座三期规划卫星数量为7518颗卫星。

一网公司的低轨卫星星座计划于2013年提出，计划在1200千米高度的轨道上部署720颗卫星，后来调整为648颗，2017年得到 FCC批准。2018年“一网”向FCC提出将卫星数量增加到1980颗，并在2020年得到批准。2021年年初，一网公司大幅压缩其下一代卫星星座的规模。在提交给FCC的一份申请材料中，一网公司请求准许其对2020年5月提交的一项申请进行修改，把二期星座发射卫星数量从47844颗降为6372颗。目前“一网”在轨卫星数量接近200颗。

利用其自有的可复用“猎鹰9”火箭编队，太空探索技术公司正在以比“一网”快得多的节奏部署其“星链”星座。包括亚马逊（3236颗）和电信卫星公司（298颗）在内，其他公司也在建设自己的卫星互联网星座，但都还没有启动业务型卫星组网发射工作。到目前为止，太空探索技术公司是距启动商业服务最近的一家，“一网”则紧随其后。

这些商业项目旨在向欠服务社区、商业和军用舰船、飞机以及其他偏远用户发送互联网信号。太空探索技术公司初期把重点放在消费者宽带市场上，但美国军方已试用了“星链”服务。“一网”则把向政府部门和企业销售服务作为重点，最近也向美国军方展示了其网络连接能力。

“星链”网络轨道高度较低一些，所以需要有比一网星座更多的卫星才能实现全球覆盖。太空探索技术公司称，采用较低的轨道可降低卫星成为太空垃圾长期来源的风险。

▲ 待发的一网卫星

▲ 待发星链卫星

▲ 蜂群被罚（太空蜜蜂）

▲ 低轨太空碎片

根据联合国外空司2019年统计，自1957年第一颗人造卫星发射升空以来，全球共发射约8500个航天器。如果太空探索技术公司和一网公司等持续大量发射卫星，将使在轨卫星数量爆炸式增长。作为国际空间站和对地观测卫星星座所在轨道，由于立方星、小卫星和新型通信星座的日渐流行，低地轨道正变得越来越“动荡不安”。

美国航天司令部司令迪金森上将称，地球轨道上卫星数量的快速增长正在引发不安，主要由商业活动导致的太空拥挤局面若管理不好会带来安全问题。由于商业实体计划未来几年发射数以千计的卫星，越来越拥挤的太空疆域的安全性和可持续性问题将变得更加复杂，如何避免碰撞发生变得越来越重要。

美国收紧“上路”标准

根据1967年的《外空条约》，各国要负责批准和持续监督从其领土或设施发射的卫星。在美国发射卫星必须经过FCC的许可，FCC会从多个角度对卫星做出全面分析，决定是否批准卫星发射。FCC是一个独立的美国联邦政府机构，由美国国会法令授权创立，并由国会领导。FCC对申请在美国经营通信卫星的公司颁发许可证，进行等级评定并规定其相应权利；为通信卫星规定技术规范，向国际无线电联盟等机构提出美国对有关频率分配、对外直播等问题的建议。它还负责管理所有非联邦政府机构使用无线电频谱（无线电和电视广播），美国国内州际通信（固定电话网、卫星通信和有线通信）和所有从美国发起或在美国终结的国际通信。

FCC下设10个办公室和7个职能局，具体负责制定相关政策（包括国际间通信政策），在政府层面进行协调，在消费者保护、地区竞争、公共安全和国土安全等方面执行相关法案、规定及命令等。

在航天领域，FCC虽然不是航天局，可它一打喷嚏，航天界就要吃药。2020年，FCC发布了其《新航天时代轨道碎片减缓》规则草案。这是FCC自2004年以来首次修订其空间碎片规则。新规将会影响从立方星到大型静地通信卫星等所有卫星。卫星行业对FCC的新规草案有很多担忧，其中最大的一点担忧是FCC可能不再为集体碰撞风险超过千分之一的星座项目发放许可证。美国宇航局的标准是单颗卫星碰撞风险不得超过千分之一，相对更为宽松。新规草案要求星座项目在离轨时造成人员伤亡的风险不能超过万分之一。FCC还计划要求工作轨道在400千米以上的新卫星自带推进系统或其它避撞手段。为让已经开始建造的卫星能够继续建造，无需再进行耗时而又费钱的重新设计，这条规定到2022年4月23日才会生效。FCC计划让申请许可证的卫星运营商交纳履约保证金。一旦未能正确处置退役卫星，它们就会失去这笔保证金。按FCC的保证金计算公式，静地卫星运营商可能要为此增加数千万美元的成本，而低轨大星座项目的这笔额外成本则可能会高达1亿美元。

对错误行为FCC绝不手软。美国硅谷初创企业蜂群技术公司未经联邦监管部门授权就在印度“极轨卫星运载器”2018年1月份的一次发射中搭载了4颗称为“太空蜜蜂”的皮型卫星。每颗“太空蜜蜂”尺寸为一颗单体立方星的1/4。FCC认为即使星上加装了Ku波段雷达反射器，这样的尺寸也令这些卫星因太小而无法可靠地被跟踪，因此未发放认可。事件发生后，FCC发出执法忠告，警告各机构若未经相应监管批准发射卫星将受到惩处，劝告运载厂家要准备好在必要时从箭上撤下未经授权的卫星，并称未能遵守FCC要求必将会导致执法行动。在经过了数个月的调查后，硅谷创企蜂群技术公司向FCC支付了90万美元罚款。FCC还指示蜂群公司指定一位合规主管，负责落实合规规划。

▲ 太空碎片

安全“会车”程序多

地面上安全会车的秘籍是“一看二算三慢”，即先看清楚，再估算风险，最后慢速通过。太空“会车”与此相似，可归纳为跟踪监测、告警与风险评估、协商避让。

安全“会车”、避免碰撞的前提条件是要了解航天器的动态。联合国外空委在《太空长期可持续发展指南》中鼓励为维护和改善空间安全共享相关在轨物体数据。然而截至目前世界上既没有统一的空间信息交换协议，也没有通用数据共享系统。有专家建议，为准确、实时跟踪在轨物体、避免碰撞，应制定统一的共享数据标准，包括星历表、协方差数据、规划机动情况、系统运行状态、自动导航算法以及其他必要数据。

▲ 星链卫星

空间目标碰撞告警与避撞的目的是对航天器与其他空间目标的近距离靠近进行告警分析，提出可能面临的危险等级以及为保障航天器安全而采取的措施。按航天器飞行阶段划分，空间目标碰撞告警与避撞可分为进入空间、在轨运行和再入阶段三类。进入空间主要是指为火箭提供穿越大气层与空中目标以及其入轨时与其他空间物体的碰撞预警分析。主要规避方法一是对于可能碰撞的空中目标，采取航线管制，在发射飞行一定距离内禁止飞机等进入；二是通过调整发射窗口，避免入轨时可能与其他空间物体的碰撞等。航天器在轨运行时，通过跟踪监测，对可能碰撞的目标采取自动筛选、人工风险评估、危险性风险精细评估、交会机动等措施。再入阶段主要指航天器再入时在太空和穿越大气层过程中与其他空间物体和空中目标的碰撞预警分析。应对方法与进入空间时类似，主要采取调整事件窗口和航线管制等方式。例如2021年4月27日，美国联合发射联盟公司的德尔塔4H重型运载火箭在加州范登堡空军基地发射美国国家侦察办公室一颗保密卫星时，因一项避撞警告而推后了1分钟。据监测，在那1分钟内发射火箭和有效载荷，上升路线会与另一个已在轨空间物体靠得太近，因而被认定为不安全。

▲ 阿联酋希望1号火星探测器

美国航天司令部位于加州范登堡空军基地的空间交通监视人员目前跟踪着约3.2万个在轨物体，其中有超过3400个是在用卫星。他们估测碰撞概率，并向卫星运行者发出预警。航天司令部把工作重点放在提升“天域感知”能力上，也就是要掌握太空中的物体和活动情况。航天司令部正在通过把陆军和海军导弹防御用地基和海基雷达获取的数据吸纳进来，扩大其空间监视网络。俄罗斯太空目标监视系统可对约1.2万个目标进行探测跟踪和编目管理，地面系统的探测跟踪能力也很强，综合能力仅次于美国。

2020年，美国硅谷空间测绘创企低轨实验室公司推出自动化避撞服务，帮助商业和政府卫星运营者避免同低地轨道上的碎片和其它卫星相撞。借助雷达数据，该公司打造了一套云服务，称为“低轨实验室避撞”，以用来提醒客户注意交会事件，并帮助其评估碰撞风险。

充分沟通保平安

针对卫星避撞，目前各国或各运营商之间一般采取一事一议的方法，通过商议确定由谁来避让。今年3月美国宇航局同太空探索技术公司就国际空间站和其他美国宇航局航天器与该公司日益壮大的低轨“星链”卫星编队的运行协调问题签署了一项“航天法案协议”。美国宇航局表示，签署这项协议并不是因为出了什么具体事情，例如有“星链”卫星近距离接近了美国宇航局航天器，而是旨在使双方通过信息共享来维护和改善空间安全的强烈意愿正式固定下来。美国宇航局和太空探索技术公司技术队伍已为确保一贯而及时的沟通合作了一段时间。

根据协议，在出现任何与该局航天器近距离接近的情况时，太空探索技术公司将利用“星链”卫星的自主避撞功能来实施避让。这是为了避免出现双方都进行机动的情况。美国宇航局同意在出现潜在交会的情况时不做机动，保证双方不会无意间跑向对方；除非太空探索技术公司另行通告，否则美国宇航局将保持其航天器预定飞行路线。

协议界定了美国宇航局和太空探索技术公司在共享轨道位置和机动方案信息方面的职责；要求太空探索技术公司在每次“星链”发射前至少提前一周向美国宇航局通报，使该局能够确定那次发射是否会构成任何避撞问题。太空探索技术公司还同意把“星链”卫星发到不会进入距国际空间站或其他该局航天器5千米之内的初始轨道。太空探索技术公司还要总体上避免同国际空间站出现“任何须通报的交会”。美国宇航局对此的定义是进入该站周围50千米×50千米×4千米的空间区域。

▲ “勇气号”

深空探测中的轨道协调

事实上，随着人类探索能力不断提升，碰撞风险不仅存在于地球轨道特别是低地轨道，火星上也存在类似风险。在美国宇航局和中国国家航天局或其它中方机构的任何信息交流都受众所周知的“沃尔夫修正案”限制的情况下，3月份，美国宇航局在征得国会批准后同中方同行进行了磋商，并拿到了中国新的火星探测器的轨道信息。为确保各自任务的安全，美国宇航局同有探测器在环火轨道上运行的阿联酋、欧空局、印度空间研究组织和中国国家航天局进行协调，交换各自火星任务的信息，从而确保各自探测器的安全。

▲ “天问一号”

美国宇航局喷气推进实验室开展了名为“多任务自动化深空交会评估过程”的一项计划，对火星轨道上的探测器开展交会评估。该计划最初称“火星深空避撞过程”，也用来开展月球轨道探测器的交会评估。目前在环火轨道上运行的探测器并不多，相互间发生碰撞的概率非常小。不过，正如喷推实验室在一份上述计划介绍材料中所指出的，这些探测器常常工作在相近轨道上，增大了近距离靠近的机率。

树大招风，太空探索技术公司因其正在加紧部署的“星链”星座而受到了政府部门严格的“盘查”，也遭到同行的“羡慕嫉妒恨”。实际上，太空就在那里，大家都可以去用，但是如何有序、安全、长久地使用，还需要政府、企业等共同努力，通过加强沟通、交换数据和建立最佳办法来确保共同维护空间环境安全。