ISOTR 161582021 太空系统-避免轨道物体之间的碰撞标准立项发展报告

太空系统-避免轨道物体之间的碰撞标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Spacesystems—Avoidingcollisionsamongorbitingobjects摘要随着人类航天活动的日益频繁，近地轨道空间碎片和废弃航天器数量持续攀升，在轨碰撞风险已成为制约航天产业可持续发展的关键因素。国际标准化组织（ISO）于2021年10月正式发布ISO/TR16158:2021《太空系统-避免轨道物体之间的碰撞》，该技术报告系统总结了空间碰撞规避的流程框架、数据需求、评估方法与操作实践，为全球航天器运营方提供了统一的技术指引。本报告围绕该标准的立项背景、编制历程、核心技术框架及其在空间交通管理领域中的战略价值展开系统论述，重点分析了标准中关于轨道数据获取、碰撞概率评估、规避决策准则和机动实施流程等关键模块的技术内涵。报告指出，ISO/TR16158:2021的发布填补了国际标准层面在空间碰撞规避操作规范方面的空白，为构建全球空间交通管理体系奠定了重要技术基础，对提升在轨航天器运行安全性、促进太空活动长期可持续性具有深远的指导意义。同时对标准的主要参与单位和组织进行了介绍，并对该领域的标准化发展前景进行了展望。关键词：空间碰撞规避；轨道碎片；空间交通管理；碰撞概率；航天器运行安全；国际标准化Keywords:SpaceCollisionAvoidance;OrbitalDebris;SpaceTrafficManagement;CollisionProbability;SpacecraftOperationalSafety;InternationalStandardization一、引言1.1研究背景自1957年人类首颗人造地球卫星发射以来，全球已执行超过12,000次航天发射任务，在轨跟踪编目的空间物体数量已超过45,000个，其中正常运行的活跃卫星约9,000颗。与此同时，空间碎片环境的持续恶化已成为国际社会共同面临的严峻挑战。根据欧洲空间局（ESA）2024年发布的空间环境报告，目前在轨可编目物体中约34%为废弃航天器、约55%为任务相关碎片和爆炸解体碎片，另有大量小于10厘米的碎片无法通过现有地面监测网持续跟踪。在轨碰撞事件的发生频率逐年上升。2009年Iridium-33与Cosmos-2251的意外碰撞产生了超过2,000块可编目碎片；2021年，中国风云一号C星残骸与俄罗斯军用卫星的近距离接近事件再次凸显了碰撞规避的紧迫性。随着低轨巨型星座（如Starlink、OneWeb等）的大规模部署，在轨物体数量预计将在未来十年内突破10万个，碰撞预警和规避操作将成为航天器日常运行管理的常规任务。1.2标准立项的意义在这一背景下，国际社会迫切需要统一的技术框架来规范碰撞规避操作。此前，各国航天机构和商业航天企业各自基于内部规范开展碰撞评估和规避决策，数据处理方法、阈值设定和操作流程存在显著差异，不仅降低了信息共享效率，也增加了误判和操作失误的风险。ISO/TR16158:2021技术报告的制定和发布，旨在建立一套国际公认的碰撞规避操作框架，推动跨机构、跨国界的空间数据信息共享与操作协调，为空间交通管理（SpaceTrafficManagement,STM）体系的建设奠定标准化基础。该标准由国际标准化组织航空航天技术委员会ISO/TC20/SC14（航天系统与操作）负责制定，融合了美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）等主要航天机构在碰撞规避领域的长期工程实践经验。二、标准的编制历程与组织架构2.1编制历程概述ISO/TR16158:2021的编制工作经历了从工作组立项到正式发布的长周期技术论证和专家协商过程。2013年前后，ISO/TC20/SC14下属的轨道碎片协调工作组在修订ISO24113《太空系统-空间碎片减缓要求》的过程中，识别到碰撞规避操作标准化的迫切需求。2015年，美国、日本和意大利等国专家联合提出了关于制定碰撞规避技术报告的新工作项目建议（NWIP）。在立项阶段，各国专家围绕标准的适用范围、技术深度和文件类型进行了充分讨论。考虑到碰撞规避涉及大量运行数据和工程经验，且不同任务类型（低轨对地观测、中轨导航、地球静止轨道通信）之间的操作模式差异显著，最终确定以技术报告（TechnicalReport,TR）而非国际标准（IS）的形式发布，以兼顾技术指导的全面性和实施层面的灵活性。该标准的编制历经多轮工作组会议和技术评审。从2016年至2020年，工作组先后召开了十餘次线下及线上国际会议，对标准草案的各技术章节进行了逐条审议。2020年底，标准草案进入最终草案投票阶段（DTR投票），并于2021年初顺利通过。2021年10月5日，ISO/TR16158:2021正式向全球发布。2.2技术组织架构ISO/TR16158:2021由ISO/TC20/SC14负责制定。ISO/TC20"航空航天器"技术委员会是国际标准化组织下设的专门负责航空航天领域标准化的技术委员会，其SC14分技术委员会专注于航天系统和操作领域的标准化工作。SC14的组织架构包括多个工作组（WorkingGroup,WG），分别负责空间环境、轨道碎片减缓、航天器接口、操作程序等不同方向的标准制定。ISO/TR16158:2021主要由SC14下属的第7工作组"轨道碎片协调"（WG7）承担编制工作。2.3主要参与单位介绍：日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）是ISO/TR16158:2021编制工作的主要贡献单位之一。JAXA成立于2003年，由原宇宙科学研究所、航空宇宙技术研究所和NASDA合并组建而成，是日本国家航天活动的主管机构。JAXA在空间碎片研究和碰撞规避领域拥有超过二十年的技术积累。其下属的"空间碎片监测与分析组"（SpaceDebrisMonitoringandAnalysisGroup）运营着日本本土的光学望远镜和雷达监测设施，并与美国太空司令部第18太空防御中队建立了常态化的数据共享机制。在碰撞规避方面，JAXA先后制定了《JAXA空间碎片减缓标准》和《JAXA碰撞规避操作手册》，积累了丰富的低轨太阳同步轨道卫星碰撞规避操作经验。在ISO/TR16158:2021的编制过程中，JAXA的专家团队主导了标准中关于碰撞规避决策准则和操作流程的章节起草工作。JAXA提出的"分级碰撞风险评估与响应"框架——即根据碰撞概率、接近距离、几何构型和轨道不确定性等因素将碰撞风险划分为不同等级，并对应采取信息通报、姿态调整、轨道机动等不同等级的响应措施——被标准全文采纳作为核心推荐实践。此外，JAXA还贡献了其在ALOS系列对地观测卫星和HTV货运飞船运行中积累的大量碰撞规避实际案例和数据分析方法。除JAXA外，标准编制过程中还有来自NASA、ESA、意大利航天局（ASI）、英国航天局（UKSA）、中国国家航天局等机构以及空中客车防务与航天公司、洛马航天公司等商业航天企业的数十位专家参与。三、标准的主要内容框架3.1标准的适用范围与定位ISO/TR16158:2021属于技术报告类文件，提供的是碰撞规避操作方面的指导性建议和最佳实践，而非强制性技术要求。标准的适用对象涵盖所有在轨运行的可机动航天器，包括低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和地球静止轨道（GEO）各轨道区域的卫星、空间站、货运飞船及载人航天器等。标准的目标读者包括航天器运营方、航天任务控制中心的操作人员、碰撞评估服务提供商、空间态势感知数据提供方以及空间交通管理相关的政策和标准制定者。3.2核心技术框架标准正文部分围绕碰撞规避的全流程，构建了一个从数据输入到决策执行的技术框架体系，其核心模块包括以下几个方面：（一）碰撞规避的总体流程与角色定义标准首先明确了碰撞规避操作中涉及的各参与方角色及其职责，包括空间物体运营方（SpaceObjectOperator）、碰撞评估服务方（ConjunctionAssessmentServiceProvider）和空间态势感知数据提供方（SSADataProvider）。标准提出了碰撞规避操作的一般流程框架：轨道数据获取→轨道确定与预测→接近事件识别→碰撞风险评估→规避决策→机动规划与实施→事后评估。（二）轨道数据需求与不确定性分析准确的轨道数据是碰撞评估的基础。标准详细论述了轨道数据获取的途径，包括基于双行根数（TLE）的粗略轨道信息、基于精密历书的精确轨道数据和基于GNSS导航的实时轨道数据等。针对不同类型的轨道数据，标准给出了对应的轨道预报精度评估方法和协方差信息的重要性，强调了轨道不确定性（positionaluncertainty）的量化对于碰撞概率计算的关键作用。标准建议运营方在可能的情况下共享自身的精确轨道信息和机动计划，以提高碰撞评估的准确性。（三）碰撞概率的计算方法碰撞概率是碰撞风险评估的核心量化指标。标准系统介绍了碰撞概率计算的基本原理和常用方法，包括基于短时间接近事件的解析法（analyticalmethod）和基于蒙特卡洛模拟的数值方法。标准重点讨论了如下关键因素对碰撞概率计算结果的影响：-两物体的位置协方差及其在接近时刻的传播-物体有效碰撞截面积的确定-接近几何对概率计算的影响-不同轨道区域（LEO/MEO/GEO）的动力学环境差异标准还指出，碰撞概率的计算结果本质上受到轨道预报误差的影响，运营方应结合协方差分析的可靠程度审慎解读碰撞概率数值。（四）碰撞规避决策准则决策准则是碰撞规避操作的关键环节。标准推荐了一套分级风险管理框架，将碰撞风险根据碰撞概率、接近距离、相对速度、质量比等因素综合评级，并给出了不同风险等级下的推荐决策阈值。标准强调，碰撞概率阈值不应作为唯一的决策因素，运营方还应综合考虑任务约束、机动能力、燃料消耗和碰撞后果严重性等因素进行综合判断。标准特别指出，GEO区域的碰撞规避决策由于轨道确定精度较低和可机动的轨道位置有限，需要采取不同于LEO区域的风险控制策略。（五）规避机动的规划与实施当判定需要执行碰撞规避机动时，标准的后续章节提供了机动方案设计与实施的技术指导。包括：机动策略选择（高度抬升、高度降低、沿迹方向调整等）、机动时间窗口的确定、机动量计算和燃料消耗评估等。标准强调，规避机动的规划应尽量减小对原任务计划的影响，同时预留足够的执行时间和事后轨道再确认时间。（六）碰撞规避的信息交互与协调机制鉴于在轨碰撞涉及两个或多个空间物体的运营方，标准强调了碰撞评估信息的高效共享和双向沟通的重要性。标准推荐了碰撞评估信息通报的内容模板，包括接近时刻、最小接近距离、碰撞概率、不确定度信息等，以及机动计划交换的规范方式。这一机制框架为未来多运营方协调和多国联合空间交通管理实践的开展奠定了基础。3.3标准与相关法规政策的关系ISO/TR16158:2021的制定与发布与近年来国际空间碎片减缓政策体系的完善密切相关。2007年，联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）通过了《空间碎片减缓准则》；2019年，UNCOPUOS进一步通过了《外层空间活动长期可持续性准则》（GuidelinesfortheLong-termSustainabilityofOuterSpaceActivities），其中多项准则直接涉及碰撞规避和空间态势感知信息共享。ISO/TR16158:2021从操作技术层面为上述国际政策的落地实施提供了具体的技术指引。在区域层面，美国联邦通信委员会（FCC）在2020年发布的关于低轨星座轨道部署和退役的新规中，明确要求运营方具备碰撞规避操作能力并参考相关国际标准；欧洲空间局在2023年发布的《零碎片宪章》（ZeroDebrisCharter）中也将碰撞规避操作作为核心承诺之一。ISO/TR16158:2021已成为各国航天监管框架和航天企业内控规范的重要参考文件。四、标准的技术亮点与应用价值4.1技术亮点ISO/TR16158:2021的技术亮点体现在以下方面：（1）全流程覆盖。标准对碰撞规避操作进行了全流程、端到端的贯通性描述，从轨道数据采集到事后评估形成了完整闭环，填补了以往仅针对单一环节开展标准化的空白。（2）分级递进的风险管理理念。标准推荐的"综合分级评估+分档应对"策略具有高度工程适用性，允许不同规模和能力的运营方在其资源和任务约束内选择合适的响应程度。（3）多领域融合。标准融合了轨道力学、概率论、控制工程和运行管理等多学科知识，形成了跨学科的技术指导文件，体现了复杂工程系统标准化的特点。（4）前瞻性接口设计。标准预留了与空间交通管理系统、空间态势感知数据共享平台等新兴基础设施的技术接口，具备良好的扩展性和前瞻性。4.2应用价值从应用角度看，该标准的价值体现在多层面：对于航天器运营方而言，该标准提供了一套经过国际专家验证的操作框架，能够有效降低碰撞规避操作的技术风险和合规成本。对于商业航天企业，遵循该标准有助于增强市场竞争力，满足客户和保险方的安全要求。对于航天监管机构，该标准为制定国内相关法规和政策提供了国际层面的技术参照。对于空间交通管理体系建设而言，该标准所确立的信息交互机制和操作准则，是构建全球统一空间交通管理规则体系的关键基础模块。根据标准编制工作组的估算，在全球范围内推广该标准的一致化应用，可使碰撞规避决策的准确率提升约20%-30%，有效减少不必要的规避机动带来的燃料消耗和任务中断，同时降低漏报真实碰撞风险的概率。五、结论与展望ISO/TR16158:2021《太空系统-避免轨道物体之间的碰撞》的正式发布，标志着国际空间碰撞规避标准化工作迈上了新台阶。该技术报告汇聚了全球主要航天国家和机构数十年的工程实践与研究成果，构建了一套涵盖数据获取、风险评估、决策判据、机动实施和信息交互的全流程技术框架。其发布不仅为当前日益频繁的在轨碰撞规避提供了统一的技术语言和操作指南，更有力推动了空间交通管理这一新兴国际治理领域的技术标准化进程。展望未来，随着低轨巨型星座部署规模的加速扩大、在轨服务与碎片主动清除技术的逐步成熟，以及空间态势感知能力的持续增强，碰撞规避标准化工作将面临新挑战和新机遇。可以预见的发展趋势包括：第一，ISO/TR16158:2021有望在未来升级为正式国际标准（IS），从技术报告转为具有更强规范性的要求性文件；第二，随着自主碰撞规避技术的进步，标准将需要纳入关于自主决策系统安全性验证和人在回路（human-on-the-loop）操作模式的相关内容；第三，该标准与空间碎片减缓标准、星座部署和退役标准等之间的协同整合将进一步加深，逐步构建起完整