空间碎片危及GPS/GNSS

　　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。

　　一、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。

　　二、问题产生的背景

　　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。（图片：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。（图片：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。