胡敏 范麗 任子軒

1.裝備學院航天指揮系 北京101416 2.清華大學航天航空學院北京100084

隨著空間物體數(shù)量的不斷增長,空間環(huán)境日趨復雜,研究空間交通管理問題以規(guī)范空間活動變得越來越重要[1].至今人類的空間活動已有58年歷史,據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)(Space Surveillance Network,SSN)觀測(截至2015年1月),地球附近空間物體的規(guī)模已接近7000t[2].人類航天發(fā)射活動產(chǎn)生的空間碎片持續(xù)威脅著航天器和空間站的安全,航天大國都意識到空間碎片問題的嚴重性,并提出了一系列減緩空間碎片的計劃.由憂思科學家聯(lián)盟公布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫顯示,截止到2015年1月31日,在軌運行的航天器共1265個,其中運行在近地軌道的航天器為669個,運行在中地球軌道的航天器為94個,運行在地球靜止軌道的航天器為465個[3].如何通過制定合理的管理規(guī)則,保障在軌運行航天器的安全,避免空間交通事故的發(fā)生,一直是人們關注的核心.

本文從兩大方面對空間交通管理研究的現(xiàn)狀進行述評.一方面綜述了空間碎片相關模型研究現(xiàn)狀,包括空間碎片演化模型、空間碎片壽命計算模型以及空間碎片碰撞危險評估模型,在此基礎上,重點對“凱斯勒現(xiàn)象”(Kessler Syndrome)這一理論假設的提出和研究進展進行了分析.另一方面綜述了空間交通管理方法研究現(xiàn)狀,主要針對碰撞規(guī)避問題、太陽同步軌道管理問題、地球靜止軌道管理問題以及載人飛行軌道管理問題進行綜述.

1 空間碎片相關模型

研究航天器解體或碰撞后空間碎片的生成、演化分布規(guī)律、碎片的軌道壽命,以及它們與現(xiàn)有航天器的碰撞概率,并最終建立空間碎片環(huán)境模型,有助于人們了解航天器解體或碰撞事件對空間環(huán)境的影響;評估不同軌道航天器的運營風險,設計航天器空間碎片防護結(jié)構(gòu),同時也是制定空間碎片減緩措施的重要依據(jù).

1.1 空間碎片演化模型

空間碎片演化模型是一種長期演化模型,這里的“長期”是相對于短期工程模型而言的,演化模型更側(cè)重于從機理上描述空間碎片環(huán)境,主要用于預測未來整個空間碎片環(huán)境的長期演化行為.空間碎片演化模型建模時,要根據(jù)已探測到的數(shù)據(jù)建立當前空間碎片環(huán)境數(shù)據(jù)庫,再結(jié)合碎片的自增長與自消亡兩方面因素的影響,引入一系列輔助因子,例如發(fā)射活動模型、軌道衰減模型、爆炸事件模型等,預測未來特定時間內(nèi)的空間碎片環(huán)境[4].常用的空間碎片演化模型有:EVOLVE模型、LEGEND模型以及CHAIN/CHAINEE模型等.

EVOLVE4.0模型由NASA開發(fā),采用蒙特卡洛隨機模擬的方法,由發(fā)射、解體、固體火箭發(fā)動機燃燒熔渣及反應堆冷卻劑泄露、太陽活動4個子模塊組成,這4個子模塊也就相當于4個特征量,可以預測軌道根數(shù)、碎片通量的變化情況,以及太空物體之間的碰撞概率,目前應用廣泛[4].

LEGEND模型也通過蒙特卡洛仿真的方法對同步軌道以下200～50000km范圍內(nèi)的所有空間目標進行演化計算,包括未來的發(fā)射事件、大氣阻力、太陽輻射等數(shù)值計算模型,同時也考慮歷史發(fā)射模型,可以給出與時間、高度、經(jīng)度及緯度相關的碎片分布,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,將空間碎片環(huán)境簡化為一系列在不同質(zhì)量域和軌道高度域內(nèi)的隨機變量,為時間較長的演化行為分析提出了新的方法.因為EVOLVE等模型對于計算機內(nèi)存消耗很大,一般不適宜進行包含連續(xù)碰撞的空間碎片演化行為分析,由于經(jīng)過簡化處理,CHAIN模型計算速度比EVOLVE模型快103～104倍,但可信度低一些,主要用于分析空間碎片環(huán)境長期演化及連鎖碰撞問題[7].

此外,目前國際上比較常用的空間碎片工程模型有NASA的ORDEM模型和ESA的MASTER模型.文獻[8]比較了最新的ORDEM 3.0模型和MASTER 2009模型的特點.

1.2 空間碎片壽命計算模型

空間碎片壽命估計主要是針對近地軌道區(qū)域內(nèi)的碎片,其消亡主要因素是攝動力,攝動力影響主要包括地球非球形攝動、大氣阻力、太陽光壓以及日月引力等.現(xiàn)有的空間碎片壽命計算方法主要有數(shù)值法、半解析法和解析法[9].數(shù)值法精度高,但是計算時間長.半解析法利用平均軌道根數(shù)作為狀態(tài)變量,計算速度有了很大提高.空間碎片壽命計算模型的關鍵在于大氣模型的選取,由于大氣密度受時間、空間等多個因素的影響,建立精確的大氣模型往往很難.目前相關研究主要集中在衛(wèi)星墜入大氣層方面,文獻[10]針對衛(wèi)星墜入大氣層問題進行了仿真,分析認為影響預測精度的因素的變化范圍為15%～20%.事實上,使得近地軌道航天器消亡的最節(jié)省燃料的行為,就是將其機動到25年內(nèi)注定會消亡的軌道,這種軌道的高度一般在600km以下.在這個高度區(qū)域內(nèi)的空間碎片將在25年之內(nèi)消亡.

1.3 空間碎片碰撞危險評估模型

空間碎片碰撞危險評估模型主要基于空間物體碰撞概率模型,碰撞概率模型有多種建模方式.文獻[5]提出了一種基于幾何距離接近事件的確定方法.這種碰撞檢測是通過連續(xù)的高度篩選、軌道幾何篩選和相位篩選.一般來說,高度篩選會篩選出與目標軌道近地點和遠地點之間的高度相交的空間目標,在這個過程中需要考慮高度的衰減和短周期變化.篩選出的目標再經(jīng)過軌道幾何篩選,確定危險目標和關注目標的軌道面交線,計算最近距離,與安全距離進行對比.最后應用軌道相位篩選,分析預報時間內(nèi)兩目標的過交線時間窗口是否有交疊.另外還有學者基于空間密度越大碰撞概率越大的觀點,對空間進行網(wǎng)格劃分,使用統(tǒng)一采樣的方式,統(tǒng)計采樣時刻每個空間網(wǎng)格內(nèi)的碎片數(shù),如果同一個網(wǎng)格內(nèi)的碎片數(shù)目大于或等于2個,那么認為這些碎片兩兩之間具有一定的概率發(fā)生碰撞.

1.4 凱斯勒現(xiàn)象

在空間碎片日益稠密的今天,越來越多的人在關注空間碎片密度是否存在一個極限值,大于這個極限值,人類的太空探索活動將變得舉步維艱.可以直觀地想象,這個極限值是存在的,達到這個密度值之后,將會產(chǎn)生一系列的正反饋現(xiàn)象,導致產(chǎn)生碰撞級聯(lián)效應,使密度無法阻擋地增長下去,從而使太空變得無法利用.NASA專家Donald J.Kessler首先對這種碎片的碰撞級聯(lián)效應進行了研究,因此,這種現(xiàn)象也就以他的名字命名為“凱斯勒現(xiàn)象”(Kessler Syndrome)[12].Kessler首先提出了一個惡性循環(huán)的可能性,當某一軌道高度的碎片密度達到臨界值時,這一軌道變得尤為擁堵,加劇了碎片之間碰撞的可能性,碎片之間的碰撞產(chǎn)生更多新碎片,新碎片能夠繼續(xù)碰撞使得空間更加擁堵[10],這種惡性循環(huán)可以用圖1表示.

圖1 凱斯勒現(xiàn)象示意圖

根據(jù)之前空間碎片演化模型來看,碎片有多種消亡的方式,有人認為,如果在一段時間內(nèi)不發(fā)生衛(wèi)星碰撞等使碎片數(shù)目劇增的行為,碎片會始終控制在一個穩(wěn)定的、可控的范圍,Kessler的估計過于悲觀.然而事實上,Liou和Johnson利用LEGEND模型,在假設2005年以后停止發(fā)射活動的條件下,對未來200年后的空間目標環(huán)境進行了演化分析,從預測結(jié)果來看,Kessler并沒有過于悲觀,相反,他可能過于樂觀了[13].他們認為在接下來的200年內(nèi),即使從2006年起不發(fā)生新的衛(wèi)星碰撞事件,就近地軌道空間而言,盡管爆炸產(chǎn)生的碎片和與任務相關的碎片數(shù)目會降低,但是碰撞產(chǎn)生的碎片數(shù)目會升高,總碎片數(shù)目也會增加,空間碎片數(shù)目估計如圖2所示[14].

Liou和Johnson同時也指出,盡管很多學者基于不同的假設和模型開展了很多分析,但是最終都得到了相同的結(jié)論,即近地軌道空間內(nèi)的碎片數(shù)目將會不可阻擋地增長,并且,這種不安全的態(tài)勢將持續(xù)相當長一段時間[15].更有資料證實,這種碰撞的級聯(lián)效應已經(jīng)成為了現(xiàn)階段尺寸小于1mm碎片數(shù)目達到百萬量級的最重要原因[16].為了更好地描述這種不可控的增長,Kessler在1991年提出了臨界密度的概念[17].

2 空間交通管理方法

研究空間交通管理規(guī)則和相關法規(guī)問題,例如航天器運行管理規(guī)則、航天器入軌和離軌管理規(guī)則等,可以實現(xiàn)航天器的安全運行和空間資源的高效利用[18].目前對空間交通管理問題研究比較系統(tǒng)的是國際空間大學于2007年發(fā)布的研究報告[19].

2.1 碰撞規(guī)避問題

防止衛(wèi)星碰撞有兩個步驟:一是碰撞危險評估,二是碰撞規(guī)避機動.碰撞危險評估就是對在軌運行的空間飛行器發(fā)生碰撞的預判.碰撞規(guī)避機動是通過對空間飛行器的在軌機動來避免相互碰撞.碰撞危險評估一般分為多個級別,針對低級別的預警,需要對風險進行進一步的評估,逐步提高精度;而對于中等級別的預警,需要確定規(guī)避策略;對于高級別的預警,則需要執(zhí)行規(guī)避策略.文獻[19]提出了衛(wèi)星碰撞規(guī)避的4條規(guī)則,提出由空間交通管理系統(tǒng)計算出碰撞概率、碰撞速度以及解體碎片對其他飛行器的影響概率,當碰撞概率超過1/10000時,向運營商提供碰撞規(guī)避機動的建議;當碰撞概率小于1/3000時,運營商可以選擇是否進行碰撞規(guī)避、何時進行碰撞規(guī)避以及怎樣進行碰撞規(guī)避;當碰撞概率大于1/3000時,并且碎片很有可能會危及到其他航天器,那么運營商需要執(zhí)行合適的規(guī)避行動.

2.2 太陽同步軌道管理問題

有研究顯示近地軌道上空間目標主要集中在800km、950km 高度的軌道層,而且軌道傾角為98.7?到99?的軌道上的航天器數(shù)目是最多的.在近地空間航天器中,運行在太陽同步軌道上的航天器占44%[20].這是因為太陽同步軌道的特性使得衛(wèi)星每次飛越某地上空時,太陽都從同一角度照射地球,有較固定的光照條件,成為成像偵察、氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星爭奪的寶貴資源.太陽同步軌道管理問題有其自身的難點,太陽同步軌道和地球靜止軌道不同,地球靜止軌道的資源是唯一的,是高度大約36000km的赤道上空的一條軌道,而太陽同步軌道是一系列軌道,其高度是有區(qū)別的,軌道傾角也是有區(qū)別的,軌道高度和軌道傾角是耦合的,這樣考慮問題就很復雜.文獻[18]提出了太陽同步軌道管理的1條規(guī)則,以不同的升交點赤經(jīng)為準,分別定義42條軌道帶;同時從500km高度到1000km高度之間定義12條太陽同步軌道,每條軌道至少相距20km;每條軌道上相距50km定義一個軌位,則大概能定義1000個軌位.所有的太陽同步軌道衛(wèi)星都放置在這些軌位上,大約504000個軌位.

2.3 地球靜止軌道管理問題

在地球靜止軌道上,機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)提議設置上下40km為機動區(qū),其中40km～+40km為浮動帶,用來進行軌道維持的,其東西方向的預警區(qū)為0.1?,南北方向為±37km,這樣可以保證東西、南北方向的距離足夠衛(wèi)星用來抵抗攝動力影響.靜止軌道上下區(qū)域41km至200km 是留給衛(wèi)星進行變換位置機動用的,使得衛(wèi)星能夠每天至少向西漂移0.524?,向東漂移0.525?[18].

圖2 近地軌道空間碎片數(shù)目估計示意圖

圖3 地球靜止軌道衛(wèi)星機動區(qū)域示意圖

另外,設置靜止軌道向外235km的地方為墳墓軌道,讓衛(wèi)星在留有一些燃料的時候機動至墳墓軌道,讓出靜止軌道寶貴的空間資源.文獻[18]提出了地球靜止軌道管理的4條規(guī)則,包括地球靜止軌道衛(wèi)星的運營商必須定期向空間交通管理系統(tǒng)提供衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)來支撐系統(tǒng)的碰撞規(guī)避分析任務,而且有權(quán)把自己的衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)信息,通過空間交通管理系統(tǒng)分享給該衛(wèi)星附近的其他衛(wèi)星運營商,用以共同優(yōu)化衛(wèi)星在軌維護機動計劃.地球靜止軌道衛(wèi)星應該提前48h向空間交通管理系統(tǒng)提供衛(wèi)星的最初軌道位置、在軌維護機動和變換位置機動的信息.

2.4 載人飛行軌道管理問題

現(xiàn)階段,國際普遍規(guī)定500km以下的圓形軌道保留給載人航天器使用,民間的、商業(yè)性的非載人航天器除特殊情況,不能使用該區(qū)域的軌道.在這一區(qū)域,主要的碰撞的威脅來自于碎片,在高度約為300km～400km的國際空間站內(nèi),就不止一次地發(fā)生有碎片碰撞的預警之后,宇航員全部進入逃生艙躲避的情況,因為一旦發(fā)生撞擊事故,宇航員需要通過逃生艙脫離空間站.文獻[18]提出了載人飛行軌道管理的2條規(guī)則,任何載人航天器發(fā)射飛行之前,運營商要提前48h向空間交通管理系統(tǒng)提交的飛行詳情,內(nèi)容包括:運載器類型、載人數(shù)量、發(fā)射的日期、時間和軌位、發(fā)射軌道和運行軌道、在發(fā)射段飛行時間和在軌運行時間、返回的日期、時間和位置等.

3 結(jié)論

針對日益增多的空間碎片和日益復雜的空間交通現(xiàn)狀,開展空間交通管理問題研究刻不容緩.一種可行的技術(shù)途徑就是構(gòu)建人工空間系統(tǒng),除了能夠開展航天器、空間碎片的計算試驗,還將通過與實際空間系統(tǒng)的平行映射、平行發(fā)展,構(gòu)成一個相互影響、相互促進的平行系統(tǒng),為空間系統(tǒng)的安全運行和管理提供計算試驗環(huán)境.通過大量的計算試驗,優(yōu)化制定出合理的空間交通管理規(guī)則,從而指導實際空間系統(tǒng)的交通管理.涉及的關鍵技術(shù)包括基于Agent的人工空間系統(tǒng)建模方法、計算試驗數(shù)據(jù)融合和處理方法以及空間交通管理輔助決策方法等.

本文綜述了空間碎片相關模型和空間交通管理方法的研究現(xiàn)狀,并提出了利用平行系統(tǒng)方法來解決空間交通管理問題的思路.空間交通平行系統(tǒng)的建立,將為空間系統(tǒng)的運行與管理提供更豐富的評估手段、內(nèi)容和方法,將起到拓展空間系統(tǒng)能力,提高空間系統(tǒng)控制與決策科學性的作用,為空間交通管理準則的制定提供支撐.