太空态势感知问题与挑战

Chiara Manfletti, Neuraspace, Coimbra, Portugal

太空很大，甚至大到令人无法想象，但地球周围合适的轨道却是有限的。由于卫星日益拥挤，太空交通正成为一个问题。目前，已经有成千上万颗正在运行的卫星和数以亿计的大小不一的太空碎片。随着新服务和改良服务的提供和需求的增加，预计还会有数万颗卫星加剧这种状况。这些新服务从通信、金融交易、城市规划和流动性到运输、国家安全和环境监测不一而足。除非现有的和计划中的交通和碎片尽快得到更好的管理，否则太空态势感知（SSA）的挑战将危及太空的利用本身。许多国家的主权、社会和经济都依赖于这种关键的天基基础设施。需要做的事情显而易见：消除新碎片的产生，改进对现有活动卫星和碎片的跟踪和定性，并对已经产生的碎片进行清除。为了更好地了解这一情况，本文介绍了最紧迫的问题、有待解决的挑战以及最近的 SSA 倡议。

日益拥挤的太空

图1 太空拥挤的 AI 图像表示。来源：Neuraspace。

目前约有 13 000 颗卫星在轨道上运行，其中 10000 颗是现役卫星。专家估计，随着超大型星座的宣布，十年后太空中将有 6到10 万颗现役卫星。这些数字只考虑了卫星。目前的共识是，包括卫星在内，有 3 万块大于 10 厘米的太空碎片环绕地球运行。如果考虑的碎片最小尺寸降至大于 1 厘米，那么这个数字就会增加到 67 万。如果包括大于 1 毫米但仍足以损坏卫星的碎片在内，环绕地球轨道的碎片数量估计超过 1.7 亿个。图1 显示了一张人工智能（AI）生成的图像，该图像将不同轨道和轨道槽中的卫星数量和太空碎片数量与背景联系起来。

这些数字每年都在增加，任何一个物体都会构成潜在的"会合"威胁。在太空中，"会合"指的是两颗卫星或一颗卫星和一块太空碎片在太空中看起来非常接近，这意味着它们在相对较小的距离内通过，如果管理不当，可能会发生碰撞。所有这些碰撞都会带来风险，对业务产生影响，并可能造成服务或资产损失。

航天器碎裂事件、碰撞事件和反卫星武器（ASAT）是造成轨道太空碎片的最主要因素。虽然这些事件在发生时是局部性的，但它们并不是静止不动的，随着时间的推移，它们开始影响邻近的轨道系统。太阳活动的影响会加剧这些挑战。太阳活动的增加会降低大气密度。密度降低后，碎片受到的阻力减少，重返大气层的时间增加。这种效应减缓了重返大气层的过程，使碎片情况更加严重。这增加了发生会合的可能性，使碎片问题更加突出。根据 Space-Track 的 "卫星情况报告"，¹从 2023 年 5 月 30 日到 2023 年 6 月 30 日，估计发生了 22723 次会合。

这种担忧不仅限于碎片与卫星的相互作用。2023 年 6 月，SpaceX 向美国联邦通信委员会提交了一份报告，称他们在 2022 年 12 月 1 日至 2023 年 5 月 31 日期间对其 Starlink 卫星群进行了超过 25,000 次操作。这相当于每颗卫星大约进行了 12 次操作。除了为避开已识别的碎片而采取的行动外，还包括大量的星链卫星对卫星连接的操作。星链的例子是针对一个操作员和星座的，但操作次数说明操作员之间的协调日益重要。图2 是 Neuraspace 的幻灯片，该幻灯片总结了部分数据以及描述了太空拥塞的挑战。

图2 太空是一个拥挤的环境。资料来源：Neuraspace。

太空物体的不完整数据

为确保轨道安全，掌握所有太空物体的准确而全面的数据至关重要。这样才能对轨道上的物体进行监测、绘图和编目。有了这些数据，就能开发出更好的方法和算法，用于预报和预测太空物体的行为。

这些活动正在进行中，但目前的许多解决方案都依赖于人工流程、传统技术和传感器。业界担心的是，这些算法将无法应对预计增加 15 倍的太空物体。在制定太空物体快速增长的计划时，必须考虑到现有的数据集并不完整，有数百万个小于 10 厘米的碎片没有被跟踪，但却对卫星构成了威胁。

应对这一挑战的办法是扩大被跟踪物体的目录。然而，这项任务所需的规模和速度需要更多的数据源。即使有了这些数据源，这项工作还需要协调和有效处理来自地面和太空大规模观测系统网络的数据。这种威胁已经上升到国家和全球层面，只要看到越来越多的航天国家为改善太空安全保障做出贡献，就可以清楚地看到这一点。

图3 Neuraspace 的卫星跟踪天线。来源：Neuraspace。

为协助这些工作，Neuraspace 在智利安装并启动了光学望远镜，如图3 所示。除了来自合作伙伴网络的数据外，这台新望远镜还通过两台望远镜将 Neuraspace 的卫星跟踪覆盖范围扩大到了两个半球。这台新望远镜可以在低轨道上每秒获取一张以上的图像，并跟踪直径小至 10 厘米的物体。这两台望远镜可将单次轨道旋转内的位置误差不确定性降至 20 米以下，比 2023 年欧空局太空碎片减缓要求高出五倍。

测量结果令人印象深刻。两台望远镜都支持地平线到地平线多轨道跟踪，允许快速切换目标。它们能进行从几秒到几十分钟不等的测量，从而实现可扩展的数据采集，用于避免碰撞、碎片跟踪、生命模式分析以及发射和早期轨道阶段等多种用途。这台新望远镜预计将在运行的头三个月内对从低地球轨道到地球静止轨道的太空物体进行 30 多万次测量。

然而，由于这一问题的范围很广，单个实体不太可能跟踪太空的所有物体。让卫星运营商能够根据综合这些不同来源的现有数据和新数据来计划机动和避免危险会合，是朝着更全面会合筛选迈出的一步。这将产生大量必须在发射前进行分析的信息。分析结果将用于确定运载火箭的安全升空窗口以避免碰撞、太空物体与运行航天器的距离、执行避免碰撞机动的算法和星座管理，包括报废处理。

保持太空可持续性利用的技术和方法

航天工业正通过开发系统来解决主动清除碎片、避免碰撞、加固和延长运行寿命等问题，开始证明太空可持续性在商业和技术上的可行性。

制造措施

早在卫星进入轨道之前，就应开始研究如何更好地避免碎片。建造 "太空加固 "卫星并为包括立方体卫星在内的所有卫星配备推进系统，是有助于卫星避免碎片的一项措施。在预计增加的太空资产中，立方体卫星占了相当大的比例，而它们历来没有推进手段。更加注重质量保证，减少在发射和早期运行过程中释放的物体数量，也是有助于减轻挑战的措施。

避免碰撞

如果不依靠利用人工智能和机器学习（ML）能力的自动化，人类将不可能收集、组织和分析数据并实时做出决策。人工智能和 ML 是强大的工具，可用于识别传统方法无法识别的模式。可解释的人工智能将使卫星行业能够处理数据、预测物体行为、预测会合相关参数并支持智能决策。获取数据和发现模式有助于有效管理碰撞，改进机动规划，特别是针对星群和星座卫星，并使太空活动更安全、更可持续和更高效。为了应对其中的一些挑战，Neuraspace 正在将改进后的卫星跟踪和分析能力集成到其太空交通管理（STM）平台中，该平台结合人工智能和 ML，为 400 多颗卫星提供会合监测和避免碰撞等服务。图4 显示了 STM 平台的会合分析输出。为了强调这些趋势，非营利性、无党派研究机构兰德公司（RAND）报告称，卫星运营商开始意识到商业 STM 系统的好处，它是一种既能保持航天器运行，又能节省时间和成本的手段²。 

图4 连接细节分析显示。来源：Neuraspace。

主动和被动清除碎片

前两个主题涉及如何减少产生新碎片的可能性以及如何避免现有碎片。然而，要清除已失效的卫星或其他不具备脱轨能力的较大碎片，则需要具备主动清除碎片的能力。主动清除碎片意味着航天器必须能够安全地接近和捕获轨道物体，并主动使该物体脱离轨道。几十年来，业界一直在进行主动碎片清除和在轨服务的技术开发。直到最近，主动清除碎片领域的发展才开始加速，政府和太空机构签订了合同，以证明能够清除碎片的可行性。

正在考虑和处于不同开发和测试阶段的捕获太空碎片的技术包括机械臂和末端感应器、系留鱼叉、电动系绳、激光、磁力和系留网系统。在实施捕获技术之前，有许多重大问题需要解决。这些问题包括了解要捕获的物体及其行为，以及安全接近和进行近距离操作的最佳方法。例如，接近和近距离操作可能需要开发与旋转和自旋速率相匹配的算法。

目前，欧洲和日本在这些方面一直处于领先地位，工业界也在加紧努力。更重要的是，这些努力现在得到了风险投资基金的部分支持，这表明这些努力有可能形成可行的商业模式。虽然将所有物体移出轨道是最理想的状态，但以该行业有限的能力和资源，这似乎并不现实。不过，据广泛报道，集中力量清除 50 个在统计上与低地球轨道关系最密切的物体，并计划以每年至少三个的速度清除这些物体，将为卫星工业带来巨大的利益。

寿命终结措施

对于低地球轨道应用，业界正在探索和开发几种被动碎片清除概念。其中包括使用系绳或拖曳帆作为减少寿命终止碎片的手段。其他选择包括机载脱轨套件，在航天器发生故障无法脱轨的情况下，这些套件可以承担控制任务。

延长使用寿命

延长寿命的概念简单易懂，但实施起来却比较复杂。延长卫星寿命通常涉及在轨服务、燃料管理优化和先进组件设计等方法。2020 年，诺斯罗普-格鲁曼创新系统公司的 MEV-1 航天器与 Intelsat 901 卫星成功交会对接，使在轨服务朝着更广泛的应用迈出了一大步。MEV-1 成功地重新定位了该航天器，并在此后进行了驻留。

轨道安全经济学

随着各国政府认识到太空系统及其提供的服务对经济增长、国家安全和科学研究的重要性，轨道安全已发展成为一个重要的经济因素。对太空经济的预测差异很大，收入预测从 2030 年的 1.8 万亿美元到 2030 年代中期的超过 10 万亿美元不等。部分预测的变化取决于 "太空市场"包括哪些新兴细分市场。尽管存在变数，但收入数字是可观的。新太空产业的出现为非太空活动带来了转型机遇，释放了农业、医疗保健、通信和环境管理等各个领域的潜力。通过利用太空创新，远离传统航空航天应用的行业可以在效率、可持续性和全球影响方面实现突破，从而促进经济增长，并应对世界上一些最紧迫的挑战。企业需要协调一致的太空战略来保持竞争力。

这种对太空经济的推动体现在太空市场的各个环节：制造、发射、运营和服务。新太空应用的出现，增加了对非太空业务需求和驱动力的接触，增加了颠覆性创新和提高盈利能力的压力。根据《财富》商业洞察预测，全球 SSA 市场将从 2023 年的 19.7 亿美元增长到 2032 年的 30.1 亿美元。⁴Analysys Mason 预计，2023 年至 2033 年，卫星加燃料的累计收入将超过 60 亿美元。⁵Zion Market Research 预计，全球太空物流市场规模将从 2023 年的 51.2 亿美元增长到 2032 年的 211.4 亿美元。⁶未来十年，全球太空防御和安全投资也将呈持续增长趋势。

这些数字令人印象深刻，但要将这些预测变为现实还面临着挑战。太空安全、安保和可持续发展市场的增长必须由全球企业来推动，因为它们认识到，只有支持商业太空安全生态系统和市场的发展，才能充分释放创新潜力。为了充分发挥作用，所有这些现有的和计划中的举措都需要一些总体管理。

国家和国际监管及公共部门基础服务

太空可持续性是一个必要条件。各国政府需认识到在国家和国际政策和法律中提出并实施法规的迫切需要。通过建立明确的标准、鼓励数据共享以及设定准确和可靠的行业基准，法规将在培育太空领域感知（SDA）市场方面发挥积极作用。

认识到这些问题后，过去几年出现了一些新的进展。2022 年，美国联邦通信委员会（FCC）通过了新规则，将低地球轨道卫星脱离轨道的最长时限从任务结束后的 25 年改为 5 年。2023 年，联邦通信委员会对太空碎片开出了有史以来的第一张罚单，这一裁决的后果显而易见。美国卫星运营商 Dish 因未能将其一颗卫星移入安全轨道而不得不支付 15 万美元。这直接导致该公司的股价在当天下跌了近 4%，使该公司 30 亿美元的估值减少了 1 亿美元。

同样在2023年，美国参议院商业、科学和运输委员会通过了《轨道可持续性法案》。同年，欧空局发布了不具约束力的《零碎片宪章》。该宪章强调了碎片追踪的重要性，特别提到需要"及时、准确地获取低地球轨道上尺寸小至 5 厘米或更小的太空物体的数据"。

公共部门的 SDA 服务，如美国太空部队的太空交通协调系统和欧盟的太空监视和跟踪系统，提供了基础数据和基本安全服务，商业供应商可以加强这些服务，为政府和商业终端用户提供量身定制的解决方案。美国国家航空航天局（NASA）和欧空局（ESA）等航天机构已经认识到，由于太空中的物体数量不断增加，以及传统系统的不足，造成了越来越大的危险，因此正在寻找服务提供商。监管框架将进一步激励商业 SDA 服务。定义明确的法规将减少不确定性，使商业 SDA 生态系统更加强大。

最后评论和展望

事实证明，卫星市场是硬件和服务领域最具活力的机遇之一。市场机遇巨大，新的超大型星座有望实现和增强全方位的服务，改善通信、运输、安全、传感和连接应用。尽管太空幅员辽阔，但卫星和轨道碎片却日益拥挤，卫星发射的快速扩张只会加剧这一挑战。本文讨论了围绕 SSA 的一些问题和挑战，以及正在开发和实施的一些解决方案。越来越多的参与者将对未来的 SSA 市场和更广泛的航天工业产生深远的影响。机遇与挑战并存，太空安全与可持续发展的商业市场大有可为。

参考文献（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：www.microwavejournal.com/articles/43891