4.1　空间碎片碰撞预警概述

规避空间碎片几乎成为具备能力的航天国家为保证各自航天器和空间站安全需开展的“常规动作”。国际空间站近年来多次调整飞行轨道和高度，最频繁时在3周内两次调整轨道，躲避空间碎片。据统计，2008—2014年国际空间站由于空间目标碰撞威胁，共进行了14次规避（见表4-1），其中2008年1次、2009年2次、2010年1次、2011年3次、2012年3次、2014年4次。从2008年的1次到2014年的4次，规避频次的逐年增加也在一定程度上反映了航天器运行环境的恶化[24]。

表4-1　国际空间站规避碰撞事件统计

续表

即便如此，受观测资源和轨道动力学预测模型精度的限制，目前碰撞预警的可信度还不是太高。随着空间碎片的持续增长，航天器的在轨飞行受到碰撞威胁的风险越来越大。仅2015年10月1日至10日，美国通报中国在轨近地卫星碰撞预警事件就有21次，而这些信息经事后确认均为虚警。若航天器按照这些预警信息进行规避，必将消耗大量的航天器携带的有限能源，从而大大降低航天器可用寿命，并且频繁的规避会使航天器无法开展正常的应用，使航天器的使用效益大打折扣。因此，降低虚警、提高预警的可信度，是航天器碰撞预警及规避可工程化实施的重要前提。

航天器飞行防碰撞预警虚警率高的直接原因是预测航天器及其危险空间目标的轨道位置不够精确。设想一下，如果两者的24 h轨道空间位置预测精度能优于米级，那么对于一个米级尺寸的航天器24 h碰撞预警就可达到100%的可信度。但是，现状是，具有合作式测量的航天器准实时定轨可达米级甚至厘米级，而依赖非合作设备测量的危险空间目标准实时定轨极限精度仅能达到10 m量级。但有意义的航天器防碰预警一般需至少提前24 h发出警报。因此，需要在准实时定轨完成后，再经过轨道动力学外推预报24 h的轨道位置，进行碰撞预警计算。考虑到轨道动力学模型精度，特别是大气密度模型误差的影响，即使准实时定轨无误差，24 h预报的轨道位置精度也很难优于百米量级。在两个100 m直径的误差大球内，两个米级甚至更小物体的碰撞概率之低是可想而知的。而受全球空间目标探测资源的限制，国际上现有的空间目标编目体系仅能维持全部空间目标的准实时定轨精度千米量级、24 h外推预报的轨道位置精度10 km量级的水平，这就使仅基于普通空间目标编目轨道体系的碰撞预警基本无可信度而言。

考虑到目前面临的现状，我们在碰撞预警策略中定义了无色预警和有色预警两类碰撞预警。无色预警是在正常空间目标监测无特殊精度要求的编目体系基础上，不增加任何额外的跟踪测量及在编目体系精度下开展的碰撞预警。它既可依靠设备测量信息，也可不用设备，仅依靠互联网公布的公开双行根数（TLE）进行相应的碰撞预警工作。该类碰撞预警虚警率过高，基本无置信度可言，不能作为航天器规避的依据，但可用于筛选危险事件、挑选危险目标、指导探测资源有目的地开展针对性重点观测。无色预警可通俗理解为在正常编目体系下不用额外增加观测成本的预警，有色预警则是在无色预警挑选出危险目标基础上开展的。由于需指导规避，有色预警实时性强，对空间目标轨道预报精度要求高，因此，必须对危险目标进行密集观测。按阶段与轨道精度要求，有色预警通常又分为黄色预警和红色预警。红色预警是航天器开展规避工作的前提，黄色预警是红色预警的基础。两种预警的结合使用，对进一步减少没有危险情况的虚假报警、使探测资源进一步聚焦危险目标、提高红色预警置信度是必不可少的。在有色预警阶段，特别是在红色预警阶段，必须有全天时、全天候稳定的探测设备支撑，以保证获取数据的稳定性；必须用精密定轨体系进行定轨和预报计算，以确保碰撞预警危险交会点相对位置的高可信度。

不漏警、虚警率低、置信度高的航天器碰撞预警体系的建立，既要基于庞大的空间目标探测测量网，又要依靠精确的空间目标轨道确定和预报技术，还需要合理的探测与计算资源调度策略，更需要联合高效联动的管理指挥决策系统。依靠空间目标编目定轨体系持续排查出数量众多的可能存在碰撞风险的无色预警信息，在空间监视能力范围内确保不漏警；依靠合理的资源调度策略重点观测，筛选出在合理范围内仍存在碰撞风险的黄色预警信息，排除绝大多数虚警；依靠精密定轨预报体系，识别出重要危险红色事件，尽量减少虚警，最终指导航天器开展碰撞规避控制工作。这就是整个碰撞预警工作的主线。