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最近有專家在《GPS世界》雜志上專門著文稱，19% 的被跟蹤空間物體（空間碎片）威脅著 GPS 和其他 GNSS 衛(wèi)星。雖然處在中地球軌道（MEO）中的空間碎片比 LEO 中的少得多，但前者的風(fēng)險可以說更大，因為 GPS/GNSS 對我們幾乎所有的技術(shù)及其應(yīng)用都至關(guān)重要。

空間碎片所存在的風(fēng)險

GNSS 衛(wèi)星，對于相關(guān)的經(jīng)濟(jì)和國家安全的福祉和平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。在歐洲、美國、中國和俄羅斯尤其如此，因為他們已經(jīng)大量應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航所提供的定位、導(dǎo)航和授時（PNT）服務(wù)，如果沒有互補(bǔ)的地面系統(tǒng)加以增強(qiáng)，無法有效保障獲得來自太空的信號所提供重要的 PNT 服務(wù)。

雖然空間碎片對中地球軌道 (MEO) 中的 GNSS 造成損害的可能性遠(yuǎn)低于低地球軌道 (LEO) 的衛(wèi)星，但此類事件的后果會高得多。一顆衛(wèi)星的丟失將是一個問題；多顆衛(wèi)星受損，將是個重大問題，會出現(xiàn)難以想象的混亂，國家安全受到損害，以及對于 GDP 的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)影響使這種風(fēng)險往往變得不可接受。

對于那些認(rèn)為發(fā)生碰撞概率低、我們不必?fù)?dān)心 MEO衛(wèi)星安全的人來說，2021 年 3 月的伽利略避撞機(jī)動應(yīng)該是一個警鐘。為此我們需要立即采取必要的行動。

空間碎片的風(fēng)險從何而來

就像核裂變反應(yīng)一樣，空間碎片的問題開始很小，然后呈指數(shù)增長，因為每次碰撞都會產(chǎn)生更多碎片，進(jìn)而可以與其他物體發(fā)生碰撞。在長達(dá)60 多年來的 6500 次太空任務(wù)，形成了圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的 1 億個空間碎片，結(jié)果造成了400 多次因為碎片產(chǎn)生事件。令人震驚的是，在未來八年里，隨著超過 1萬顆衛(wèi)星（是現(xiàn)在數(shù)量的 17 倍）計劃發(fā)射，它們所造成的悲慘遺產(chǎn)將令空間世界活動黯然失色。

圖1.NASA ORDEM v3.0軟件的空間密度輸出，2021年5月25日。（圖源丨NASA）

MEO 碎片環(huán)境的密度比 LEO 低 100 倍。圖 1 所示的 LEO 軌道碎片空間密度（直到高達(dá) 2000 公里）表明，LEO 可能是引發(fā)失控連鎖反應(yīng)的位置。這很容易導(dǎo)致空間區(qū)域如此危險，以至于它實際上會阻斷進(jìn)入 GPS 星座所在的 MEO。

雖然 MEO 的碎片情況要好得多，但仍有 4021 個被跟蹤的碎片物體可能影響 GPS 和其他 GNSS 衛(wèi)星。因為未來LEO的軌道碎片碰撞將導(dǎo)致MEO中更多的碎片，情況肯定會變得更糟。如圖 2 所示，高度橢圓軌道僵尸衛(wèi)星、軌道器和空間碎片物體，可能發(fā)生的這類碰撞將 LEO 碎片推入 MEO 的原因。

對一般 MEO 空間碎片數(shù)量的貢獻(xiàn)來自發(fā)射系統(tǒng)和其他因素。早期的 GPS 衛(wèi)星（Block II/IIA/IIR）使用內(nèi)部軌道插入發(fā)動機(jī)，以避免在從轉(zhuǎn)移軌道移動到 MEO 時，在運(yùn)行軌道范圍內(nèi)留下不受控制的推進(jìn)器級。出于生存能力的原因，它們還被部署了足夠的燃料以進(jìn)行幾次主要的軌道移動。不幸的是，后來的GPS版本使用了單獨的軌道插入級，這些級在軌道附近漂移并且攜帶的燃料更少，導(dǎo)致避免碰撞的可能機(jī)動更少。

使用 CelesTrak 可視化界面提取由聯(lián)合部隊空間司令部第 18 空間控制中隊 (18 SPCS) 捕獲的空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)，揭示了 MEO 更加可怕的圖像。在地球軌道上的 21266 個跟蹤對象中，有 157 個是活動的 GNSS 衛(wèi)星，如圖 3 所示。

圖3.活動的GNSS衛(wèi)星。（圖源丨Celestrak）

自 1978 年以來，空間軌道碎片數(shù)量一直被視為人類最大的太空問題。重要的是盡可能多地制定政策和程序，以防止問題更快地惡化。然而，即使我們?nèi)祟愐耆种瓶此谱匀坏臎_動去污染我們所到之處，與現(xiàn)有碎片的碰撞將繼續(xù)增加軌道上危險物體的數(shù)量。主動碎片清除 (ADR) 是唯一的解決方案。越早開始，我們都會越安全。與海洋和網(wǎng)絡(luò)空間一樣，軌道空間也遭受著公共場所面臨的悲劇。每個人都想使用它，但沒有人擁有它，沒有人負(fù)責(zé)確保它得到照顧和維護(hù)。因此，用戶行為難以控制，環(huán)境也經(jīng)常受到影響。可能支持所有用戶的最大利益的政府行為是解決問題的默認(rèn)答案。

【補(bǔ)充閱讀】

日前，NASA已組建一個工作組來研究其能為減緩軌道碎片增長勢頭和促進(jìn)空間可持續(xù)性發(fā)揮哪些新的作用。NASA局長預(yù)算與財務(wù)高級顧問拉爾6月23日在世界安全基金會空間可持續(xù)性峰會上說，她正在率領(lǐng)新近組建的這支隊伍研究該局怎樣才能為緩解和治理軌道碎片問題發(fā)揮更大作用。她說：“我們已在局內(nèi)組建了一個軌道碎片審查小組，以評估NASA如何才能成為空間可持續(xù)性領(lǐng)域更加有效的領(lǐng)導(dǎo)者”；“我們的目標(biāo)是探討NASA怎樣才能在空間可持續(xù)性方面更好地起到表率作用”。

拉爾表示解決軌道碎片問題需要三管齊下：減少新碎片的產(chǎn)生、改善碎片跟蹤和設(shè)法清除碎片。

文章作者：曹沖

文章內(nèi)容來源：上海北斗導(dǎo)航創(chuàng)新研究院，原文標(biāo)題《空間碎片危及GPS/GNSS》，今日北斗對文章略有調(diào)整

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