空间碎片，哪里跑

    上期我们聊到空间碎片的来源和危害，大家是不是开始担心航天器的安危啦？别怕，本期刘静老师将带您了解空间碎片的探测和规避方法，从而避免航天器与空间碎片碰撞事件的发生。

    一、探测和编目空间碎片轨道

    空间碎片通过雷达和望远镜来观测。通常低地球轨道的空间碎片用雷达来观测，而更高轨道的碎片则用望远镜来观测。

    望远镜探测

    望远镜是传统的天体观测设备，它通过恒星本身的发光和行星反射太阳的光进行观测。空间碎片本身不发光，必须同时满足三个条件才能被测到：

    1）空间碎片：空间碎片被太阳光照射，空间碎片是亮的；

    2）背景：望远镜视场内的天空背景是暗的；

    3）目视条件：空间碎片处于望远镜的观测范围内且不被遮挡。

    望远镜的观测限制条件决定了只有在观测站处于晨昏时段才能看到碎片划过天空。因那时太阳己经落山，或者还没有升起，天空是黑暗的；而高空运行的空间碎片仍在太阳光的照射下，是亮的；且天气晴朗，没有云层阻挡。

    一块碎片在运行过程中，会有一段时间内三个条件不能同时满足，则这段时间称为“不可见期”或“间歇期”，其长度与观测站位置和碎片轨道有关，约为数十天至百余天。

    望远镜的探测能力和距离的平方成反比。望远镜口径越大，探到的碎片越小，因此常用大口径望远镜来探测高轨道的碎片。望远镜每一次测量得到的是空间碎片的方位，没有距离，也没有速度信息，所以一次短暂的测量不能完全确定空间碎片的位置，只有获得多次测量信息，或有较长弧段的信息后才能较好地确定它的轨道。

    雷达探测

    望远镜虽然探测高轨道碎片很有效，但无法突破大气条件和不可见期等光学探测的限制。雷达和望远镜不同，采用“主动”方式进行探测，由发射机发出一束无线电波，照射到空间碎片后被反射，由接收机接收反射电波，从而获得空间碎片特性。雷达的优点是不受太阳光照和天空背景亮度的影响，白天黑夜、晴天阴天都能探测。

    雷达的发射功率和天线增益决定了雷达探测能力。发射功率越大、天线增益越高(天线尺寸越大)，电磁波束能量密度越大，则探测的距离越远，能探测到的空间碎片越小。

    雷达探测能力和距离的四次方成反比。如一部雷达，在500千米距离下，可以探测到面积为0.00077平方米的碎片，在1000千米距离上可以探测到0.012平方米的碎片，在3000千米距离上只能探测1平方米大小的碎片，因此雷达通常用来探测低轨道空间碎片。

    典型的空间碎片监测网络

    鉴于空间碎片的轨道运动特性，以及其全空域分布的特性，靠单台、单类型设备是无法了解和掌握大量空间碎片态势的。要想随时掌握空间碎片的动态，预测每一个碎片的运动态势和空间位置，必须建设大范围多站布局、多种类型设备组成的空间碎片监测网络。

    目前，各航天国家都在建设自己的空间碎片监测网，或者依赖国际合作监测网络，以应对太空碎片带来的航天安全问题，编目数量将由目前的20000个增加至200000个。

    以美国的空间监测网为例，该网络由30余部全球布局的雷达和望远镜组成，可对低轨道区域大于10厘米和高轨道区域大于70厘米的空间碎片进行完备探测、跟踪和编目。对于尺寸小于10厘米的碎片，监测网中部分探测设备具有一定能力，但尚不能常规跟踪并维持编目。

    未来几年，随着新研制的布局在南半球的空间篱笆的投入使用，美国空间碎片编目目标最小尺寸有望从10厘米下降到5厘米。

    俄罗斯具有较为完整的空间碎片监测网，其中用于中高轨空间碎片监测的国际科学光学网（ISON）取得的观测成果最为突出，具有很大的国际影响力。该网络是由俄罗斯凯尔迪什应用数学研究所组织建成的基于天文望远镜的监测网络。

    从2001年首次获得观测数据以来通过自身发展和国际合作的方式已颇具规模，目前已有百余台套望远镜，对中高轨空间目标的编目数量超过6000个，超过美国空间监测网编目系统公布的目标数量。

    二、规避空间碎片的碰撞

    知道了空间碎片的轨道，就可以预测卫星在何时何地会遭遇空间碎片，提前采取措施就能规避空间碎片的碰撞。

    规避空间碎片的碰撞有三个重要步骤：空间碎片探测、空间碎片交会分析和卫星规避机动。空间碎片探测主要依赖空间碎片监测网，空间碎片交会需要基于空间碎片和卫星的轨道进行计算预测和分析，卫星的规避机动则需要通过提前计算设定好的轨道变化量和速度增量，给卫星发送机动指令来完成。

    空间碎片交会分析

    两个空间物体沿着各自的轨道运行，发生碰撞的机会（即在同一时刻到达同一地点的机会）是很小的，大多数情况是“擦肩而过”：两个物体的距离由远而近，到达最小的距离，然后由近而远，这个过程称之为“交会”。而从观测数据获得的两个物体位置到发生交会的过程会进行轨道预报，称为“轨道演化”。

    如果两个物体在两个不同的轨道面上运行，交会只可能在轨道面交线上发生。轨道周期接近的两个物体在第一次“擦肩而过”以后，可能会反复多次近距离交会，有较多的碰撞机会。碰撞风险最大的空间碎片就是与卫星反复接近的碎片。

    在两个物体交会过程中，二者之间构成的交会关系由距离、运行方向、速度、速度之间的夹角来表征，称为“交会几何关系”。交会分析过程中需要计算两个物体最近时的距离称为“交会距离”，达到最近距离的时间称为“交会时间”，碰撞可能性称为“碰撞概率”，用以决策是否需要进行机动规避。

    大家一定会很好奇，既然可以分析得到交会距离，那为什么还会有碰撞可能性呢？原来，空间碎片探测是存在误差的，这些误差包括观测误差和轨道演化误差，这就导致了物体位置存在不确定性，因而是否发生碰撞不能仅凭交会距离判断。

    卫星的机动规避

    在确认碰撞风险时，需要利用卫星自身动力进行机动变轨，使之离开原来与空间碎片有碰撞危险的轨道，转移到一条安全的轨道上。规避后的轨道必须经过严格复算，以保证新的轨道不会和其他碎片碰撞。

    由于改变卫星轨道面所需动力较大，通常采用轨道面内的变轨。变轨所需要的速度增量和实施变轨的时间与到交会的时间间隔有关。一般来说，变轨时间离交会的时间间隔越长，需要的速度增量越小。在实际规避中需要的速度增量约为几米每秒的量级。

    规避碰撞一般有高度分离法和沿迹分离法两种方式，依据交会时间和能量消耗综合权衡选取合适的方法。

    高度分离法是改变卫星通过交会点时的高度以躲避和空间碎片碰撞。在机动变轨和交会时间之间不到半个周期时，卫星改变沿迹方向的速度，可增加交会时刻卫星和空间碎片之间的径向距离。这种方法对预报时间较短的交会最为适用。

    沿迹分离法是改变卫星通过交会点的时间以增加卫星和空间碎片在沿迹方向距离来躲避碰撞。在碰撞发生前几圈内，利用卫星几个小的沿迹方向的速度增量或速度减小量进行机动变轨，以增加交会碰撞时刻轨道沿迹方向之间的距离。如果预报时刻距碰撞时刻的时间间隔足够长，从考虑节省燃料的角度，沿迹分离法较好。

    听了刘老师的讲解，大家是不是对大碎片的威胁稍微放心一些啦？咦，小编似乎听见一些好奇宝宝在问有没有别的方法减缓碎片威胁，那……依然且听下回分解咯~

    作者：刘静，国家天文台研究员，国家航天局空间碎片监测与应用中心副主任，国家空间碎片科研专项专家组副组长（兼预警和数据应用组组长）。机构间空间碎片协调委员会环境和数据库组中国代表，2011至2012年任该组主席；2011年至2018年任联合国外空长期可持续性工作组专家，代表中国参加外空碎片规则谈判。

    文字改编：阿呆

    漫画绘制：元博