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空間物體的編目工作，可比作公安機(jī)關(guān)的戶口管理，每個(gè)空間物體從“出生”起都會(huì)被賦予唯一的身份識別號碼。履行空間物體管理職責(zé)的是各航天大國的空間監(jiān)視部門，比如美國的空間監(jiān)視網(wǎng)、俄羅斯的空間監(jiān)視系統(tǒng)等等。限于監(jiān)測設(shè)備的探測能力，現(xiàn)階段編目工作通常僅對尺寸大于等于10厘米的空間物體進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，周期性更新其軌道數(shù)據(jù)。隨著空間物體數(shù)量的快速增長，解體事件和巨型星座等產(chǎn)生的大量相似軌道空間物體，給編目工作帶來了巨大挑戰(zhàn)，需要同步提升跟蹤探測和數(shù)據(jù)處理能力，以應(yīng)對挑戰(zhàn)。

碎片監(jiān)測到了，又該如何評估是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)呢?

有人提出要清除空間碎片，但從保護(hù)空間資產(chǎn)和空間軌道資源的角度，相比動(dòng)輒數(shù)億的碎片清除費(fèi)用，碰撞規(guī)避是經(jīng)濟(jì)有效、立竿見影的手段。航天器日常碰撞預(yù)警工作是預(yù)警規(guī)避的基礎(chǔ)，當(dāng)識別到重要空間資產(chǎn)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)超過規(guī)避閾值時(shí)，通常采取軌道機(jī)動(dòng)規(guī)避碰撞。

空間物體的碰撞風(fēng)險(xiǎn)識別常會(huì)用到“碰撞概率”和“盒子方法”兩種方法描述。軌道預(yù)報(bào)誤差不可怕，掌握誤差分布統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律后，可以使用誤差球來描述空間物體可能出現(xiàn)的位置，如使用3倍標(biāo)準(zhǔn)差，使空間物體落在誤差球內(nèi)的概率會(huì)控制在99.73%。如果預(yù)測的兩個(gè)空間物體所在的誤差球，沒有發(fā)生交會(huì)，則二者的碰撞概率為零，如果兩誤差球有重疊，則對重疊區(qū)域的概率密度進(jìn)行積分，就會(huì)得到碰撞概率，這就是碰撞概率的描述方法。正如對密度不均勻物體的密度積分，得到是物體的質(zhì)量。因?yàn)樵谛l(wèi)星運(yùn)行的沿速度、指向地心和垂直軌道面三個(gè)方向，作用力模型掌握的精確程度不同，相應(yīng)三個(gè)方向的預(yù)測誤差也不同，所以誤差球一般使用橢球來描述。盒子方法也正是利用預(yù)測誤差的這一規(guī)律，以航天器為中心，在三個(gè)方向上取不同的長度，畫出一個(gè)長方體的盒子表示交會(huì)風(fēng)險(xiǎn)等級。

未來面臨的挑戰(zhàn)

碰撞警報(bào)頻現(xiàn)，太空無序“跑馬圈地”會(huì)害人害己

空間的發(fā)展需要有序規(guī)劃、遵守秩序。動(dòng)輒數(shù)萬顆的巨型星座規(guī)劃是否必要?太空中的跑馬圈地是否應(yīng)當(dāng)被限制呢?

以規(guī)劃4.2萬顆衛(wèi)星的星鏈衛(wèi)星星座和4.8萬顆的一網(wǎng)星座為例，下面，我們來概述其帶來的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。至2021年12月底星鏈開始實(shí)施以來，已先后發(fā)射了35批次，共計(jì)將1942顆衛(wèi)星送入地球軌道，目前仍在軌1794顆。星鏈衛(wèi)星主要分布在傾角53度，運(yùn)行高度覆蓋200~550公里的空間區(qū)域內(nèi)。一網(wǎng)衛(wèi)星星座開始實(shí)施以來，已發(fā)射11批次，共計(jì)將358顆一網(wǎng)衛(wèi)星送入地球軌道，目前仍在軌358顆。這些衛(wèi)星主要分布在傾角88度，高度600/900/1200公里的空間區(qū)域內(nèi)。為提高運(yùn)載效率，節(jié)省成本，鋼鐵俠埃隆·馬斯克的星鏈衛(wèi)星通常采用一箭60星的方式，批量送至約300公里高度的軌道，大約需要兩個(gè)多月的時(shí)間，爬升到550公里的運(yùn)行高度。

軌道爬升期間，要穿越空間站運(yùn)行的近圓形軌道區(qū)域，下面，我們隨機(jī)選取2021年一個(gè)月內(nèi)，與天和空間站的近距離接近事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，交會(huì)距離在10、30、50、70和100公里以內(nèi)的總交會(huì)次數(shù)分別為28次、468次、1452次、2680次、6034次，與星鏈衛(wèi)星交會(huì)次數(shù)分別為4次、134次、428次、722次、1232次。

可以看出，近距離交會(huì)事件中，星鏈衛(wèi)星占比最高接近31%。更令人擔(dān)心的是，星鏈衛(wèi)星爬軌過程處于電推進(jìn)工作模式。在不掌握機(jī)動(dòng)策略和機(jī)動(dòng)模型的情況下，具有小推力或變推力持續(xù)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的軌道預(yù)報(bào)誤差難以估計(jì)。預(yù)報(bào)誤差可達(dá)數(shù)十公里級或百公里量級，由預(yù)測時(shí)長來確定，并且此誤差概率密度分布不符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，難以精確評估碰撞概率。要保護(hù)重要空間資產(chǎn)“萬無一失”，只能放大誤差球半徑，識別潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。但是，放大誤差球同樣具有負(fù)面效應(yīng)，那就是虛警次數(shù)增加，造成推進(jìn)劑損耗。同時(shí)，避碰機(jī)動(dòng)過程會(huì)破壞空間站實(shí)驗(yàn)艙的零重力環(huán)境，影響科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展。

地球上行進(jìn)需要交通規(guī)則，太空中也是如此，科學(xué)技術(shù)研究、特別是在太空等公共區(qū)域的探索也應(yīng)該在一定的規(guī)則框架內(nèi)進(jìn)行。古語講“無規(guī)矩不成方圓”，太空交通也有相應(yīng)的“規(guī)矩”。聯(lián)合國已經(jīng)制定了外層空間行為的國際法，例如1967年10月10日生效的《關(guān)于各國探索和利用外層空間包括月球與其他天體活動(dòng)所應(yīng)遵守原則的條約》，簡稱《外空條約》;1976年9月15日生效的《關(guān)于登記射入外層空間物體的公約》，簡稱《登記公約》等。條約中規(guī)定：本條約各締約國如發(fā)現(xiàn)在包括月球與其他天體在內(nèi)的外層空間有對航天員的生命或健康可能構(gòu)成危險(xiǎn)的任何現(xiàn)象，應(yīng)立即通知本條約其他締約國或聯(lián)合國秘書長。很顯然，美國太空探索技術(shù)公司并沒有遵守這一法規(guī)。

我們希望隨著太空技術(shù)的迅猛發(fā)展，能夠修訂和完善聯(lián)合國層面的太空探索法律法規(guī)，讓大家都能有法可依。也希望各個(gè)國家都能在國際法框架下進(jìn)行科學(xué)研究和空間活動(dòng)，否則將會(huì)害人害己。探索太空、利用太空是人類共同的事業(yè)，需要我們攜起手來，共同前行。

(劉衛(wèi) 作者系中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心副研究員)