空间碎片对于GPS/GNSS的潜在威胁不容忽视-技术圈

最近有专家在《GPS世界》杂志上专门著文称，19% 的被跟踪空间物体（空间碎片）威胁着 GPS 和其他 GNSS 卫星。虽然处在中地球轨道（MEO）中的空间碎片比 LEO 中的少得多，但前者的风险可以说更大，因为 GPS/GNSS 对我们几乎所有的技术及其应用都至关重要。

空间碎片所存在的风险

GNSS 卫星，对于相关的经济和国家安全的福祉和平稳运行至关重要。在欧洲、美国、中国和俄罗斯尤其如此，因为他们已经大量应用卫星导航所提供的定位、导航和授时（PNT）服务，如果没有互补的地面系统加以增强，无法有效保障获得来自太空的信号所提供重要的 PNT 服务。

虽然空间碎片对中地球轨道 (MEO) 中的 GNSS 造成损害的可能性远低于低地球轨道 (LEO) 的卫星，但此类事件的后果会高得多。一颗卫星的丢失将是一个问题；多颗卫星受损，将是个重大问题，会出现难以想象的混乱，国家安全受到损害，以及对于 GDP 的严重经济影响使这种风险往往变得不可接受。

对于那些认为发生碰撞概率低、我们不必担心 MEO卫星安全的人来说，2021 年 3 月的伽利略避撞机动应该是一个警钟。为此我们需要立即采取必要的行动。

空间碎片的风险从何而来

就像核裂变反应一样，空间碎片的问题开始很小，然后呈指数增长，因为每次碰撞都会产生更多碎片，进而可以与其他物体发生碰撞。在长达60 多年来的 6500 次太空任务，形成了围绕地球运转的 1 亿个空间碎片，结果造成了400 多次因为碎片产生事件。令人震惊的是，在未来八年里，随着超过 1万颗卫星（是现在数量的 17 倍）计划发射，它们所造成的悲惨遗产将令空间世界活动黯然失色。

图1.NASA ORDEM v3.0软件的空间密度输出，2021年5月25日。（图源丨NASA）

MEO 碎片环境的密度比 LEO 低 100 倍。图 1 所示的 LEO 轨道碎片空间密度（直到高达 2000 公里）表明，LEO 可能是引发失控连锁反应的位置。这很容易导致空间区域如此危险，以至于它实际上会阻断进入 GPS 星座所在的 MEO。

虽然 MEO 的碎片情况要好得多，但仍有 4021 个被跟踪的碎片物体可能影响 GPS 和其他 GNSS 卫星。因为未来LEO的轨道碎片碰撞将导致MEO中更多的碎片，情况肯定会变得更糟。如图 2 所示，高度椭圆轨道僵尸卫星、轨道器和空间碎片物体，可能发生的这类碰撞将 LEO 碎片推入 MEO 的原因。

对一般 MEO 空间碎片数量的贡献来自发射系统和其他因素。早期的 GPS 卫星（Block II/IIA/IIR）使用内部轨道插入发动机，以避免在从转移轨道移动到 MEO 时，在运行轨道范围内留下不受控制的推进器级。出于生存能力的原因，它们还被部署了足够的燃料以进行几次主要的轨道移动。不幸的是，后来的GPS版本使用了单独的轨道插入级，这些级在轨道附近漂移并且携带的燃料更少，导致避免碰撞的可能机动更少。

使用 CelesTrak 可视化界面提取由联合部队空间司令部第 18 空间控制中队 (18 SPCS) 捕获的空间态势感知数据，揭示了 MEO 更加可怕的图像。在地球轨道上的 21266 个跟踪对象中，有 157 个是活动的 GNSS 卫星，如图 3 所示。

图3.活动的GNSS卫星。（图源丨Celestrak）

自 1978 年以来，空间轨道碎片数量一直被视为人类最大的太空问题。重要的是尽可能多地制定政策和程序，以防止问题更快地恶化。然而，即使我们人类要完全抵制看似自然的冲动去污染我们所到之处，与现有碎片的碰撞将继续增加轨道上危险物体的数量。主动碎片清除 (ADR) 是唯一的解决方案。越早开始，我们都会越安全。与海洋和网络空间一样，轨道空间也遭受着公共场所面临的悲剧。每个人都想使用它，但没有人拥有它，没有人负责确保它得到照顾和维护。因此，用户行为难以控制，环境也经常受到影响。可能支持所有用户的最大利益的政府行为是解决问题的默认答案。

【补充阅读】

日前，NASA已组建一个工作组来研究其能为减缓轨道碎片增长势头和促进空间可持续性发挥哪些新的作用。NASA局长预算与财务高级顾问拉尔6月23日在世界安全基金会空间可持续性峰会上说，她正在率领新近组建的这支队伍研究该局怎样才能为缓解和治理轨道碎片问题发挥更大作用。她说：“我们已在局内组建了一个轨道碎片审查小组，以评估NASA如何才能成为空间可持续性领域更加有效的领导者”；“我们的目标是探讨NASA怎样才能在空间可持续性方面更好地起到表率作用”。

拉尔表示解决轨道碎片问题需要三管齐下：减少新碎片的产生、改善碎片跟踪和设法清除碎片。

文章作者：曹冲

文章内容来源：上海北斗导航创新研究院，原文标题《空间碎片危及GPS/GNSS》，今日北斗对文章略有调整

更多行业动态资讯