ISOTR 226392021 空间系统-多地球同步轨道航天器配置设计指南标准立项发展报告

空间系统-多地球同步轨道航天器配置设计指南标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SpaceSystems—DesignGuidelinesforMulti-GEOSpacecraftCollocation摘要随着全球航天技术的迅猛发展，地球同步轨道（GEO）资源的战略价值日益凸显，多航天器共位配置运行已成为提升轨道资源利用效率的关键技术路径。然而，多星共位涉及轨道控制、频率协调、碰撞规避及电磁兼容等一系列复杂技术难题，亟需统一的国际标准予以规范指导。在此背景下，国际标准化组织（ISO）发布了ISO/TR22639:2021《空间系统-多地球同步轨道航天器配置设计指南》。本报告系统介绍了该标准的技术背景、编制历程、核心内容及其推广应用价值。报告指出，该技术报告填补了多GEO航天器共位配置设计领域国际标准的空白，为各国航天机构和商业航天企业提供了涵盖轨道设计、位置保持、碰撞规避、频率协调及任务运营等方面的系统性技术框架。该标准的发布对于促进航天器共位技术的规范化发展、降低任务运行风险、推动航天国际交流与合作具有重要意义。报告同时就该标准的应用前景和后续发展提出了展望，建议国内相关单位加快转化应用，积极参与国际标准修订工作。关键词：空间系统；地球同步轨道；多航天器共位；设计指南；国际标准；轨道控制Keywords:Spacesystems;Geostationaryorbit;Spacecraftcollocation;Designguidelines;Internationalstandard;Orbitcontrol一、引言地球同步轨道（GeostationaryEarthOrbit,GEO）作为距地球赤道约35,786公里的特殊轨道区域，因其与地球自转同步的特性，在通信、气象、导航、侦察等军民航天领域具有不可替代的战略价值。GEO轨道资源属于有限的自然资源，按照国际电信联盟（ITU）的轨道频率分配规则，地球同步轨道上的轨位间隔通常要求不小于一定度数，这使得可用轨位数量受到极大限制。近年来，随着高通量通信卫星、宽带互联网星座业务的爆发式增长，以及各国对GEO轨道资源的激烈竞争，同一轨位窗口内实现多颗航天器共位（Collocation）运行已成为突破轨位瓶颈、提升频谱利用效率的重要工程手段。所谓共位运行，是指将多颗由不同运营者管理的航天器，布置于同一经度窗口附近的小范围轨道盒内，通过精密的相对位置控制和协调策略，确保各航天器在安全间距内互不干扰地正常运行。然而，多星共位配置是一项高度复杂的系统工程，涉及轨道动力学建模、相对运动分析、位置保持策略设计、碰撞规避决策、通信频率协调以及故障应急处理等多个技术维度。不同国家和航天机构在长期实践中各自积累了差异化的工程经验和技术方案，但缺乏统一的国际技术共识，这在一定程度上制约了技术的推广和国际合作的深化。为此，国际标准化组织航天分技术委员会（ISO/TC20/SC14）于2017年前后启动了多地球同步轨道航天器配置设计指南的编制工作，历经多轮国际磋商与专家评审，最终于2021年7月7日正式发布了ISO/TR22639:2021技术报告。本报告旨在全面解析ISO/TR22639:2021标准的技术框架及核心内容，梳理其编制背景和国际合作历程，分析该标准对航天器共位技术发展以及航天标准化建设的深远影响，提出面向国内相关单位的标准应用建议，以期为我国航天工程实践、技术标准制定和国际化合作提供有益参考。二、标准编制背景2.1技术发展背景多航天器共位技术最早可追溯至20世纪90年代初期。随着欧洲通信卫星组织（EUTELSAT）等运营机构在GEO轨位上部署多颗功能相近的通信卫星，为了在同一轨位窗口内容纳更多卫星，共位技术逐渐从理论探索走向工程应用。此后，国际通信卫星组织（INTELSAT）、欧洲航天局（ESA）等机构先后发展了各自的共位设计和运行方法。从技术实现路径来看，共位配置的方法经历了从简单的“同经度异纬度”到“精细相对轨道设计”的发展演变。早期的共位策略较为粗糙，主要依靠轨道倾角分离和偏心率矢量的差异布置来实现空间隔离；此后，随着高精度跟踪测量技术的进步和星载自主轨道确定能力的提升，出现了基于相对轨道要素（RelativeOrbitalElements,ROE）的精细化共位设计方法，能够在确保安全距离的前提下最大限度地压缩站址经度窗口，提高轨位利用效率。与此同时，GEO轨位资源的紧张程度与日俱增。截至2021年，在GEO轨道上正常运行的各类航天器数量已超过500颗，而可用的标称轨位窗口日益稀缺。传统意义上每3度间隔布置一颗静止卫星的惯例已难以适应现实需求，部分热点轨位窗口内，多颗卫星的实际间隔已压缩至不足1度。在此背景下，多星共位从“可选方案”逐渐转变为“必需能力”，成为GEO轨道资源高效利用的核心技术手段。2.2标准需求分析尽管共位技术在工程实践中取得了显著成效，但各航天机构在长期各自为战的实践中，形成了多种风格迥异的设计方法和技术方案。不同方法在轨道模型精度、控制周期设置、碰撞规避阈值、故障响应策略等方面存在显著差异，这带来了以下几方面的突出问题：（1）跨机构协同困难。在共位运行场景中，不同航天器的运营者可能来自不同国家或不同企业，各方使用各自独立的设计方法和控制策略，缺乏统一的技术接口和协调机制，增加了安全协同的难度。（2）碰撞风险评估标准不统一。各机构对于共位航天器间最小安全距离、碰撞概率阈值、紧急规避触发条件等关键参数的设置差异较大，缺乏公认的风险评估基准。（3）设计经验难以传承和推广。共位设计涉及大量工程经验和专家知识，缺乏系统化的技术文档和标准指南，不利于新进入者的技术学习和能力建设。（4）国际协调的规范化需求。在国际电信联盟框架下的轨位协调中，各国需要就共位方案提供标准化的技术说明和一致性数据，统一的设计指南有助于提高协调效率。2.3国际标准化组织相关工作情况国际标准化组织（ISO）下设的航空航天技术委员会（ISO/TC20）中的航天分技术委员会（SC14，即"航天系统和操作装置"分技术委员会）负责航天领域的国际标准化工作。SC14的工作范围涵盖航天系统的设计、研制、试验、运行和报废处置等全寿命周期相关标准的制定。在ISO/TR22639之前，SC14已经发布了多项与GEO航天器相关的标准，包括关于GEO航天器轨道寿命末期处置（ISO24113）、空间碎片减缓要求（ISO27852）等标准，但尚未有针对多GEO航天器共位设计的技术文件。随着共位技术在商业通信卫星领域的广泛应用，以及各国航天局对GEO轨位精细化管理需求的上升，SC14下属的工作组（WG）在2017年前后正式立项，启动了多地球同步轨道航天器配置设计指南的编制工作，由在共位技术方面具有丰富工程经验的国家承担项目牵头工作。三、标准主要内容解析ISO/TR22639:2021《空间系统-多地球同步轨道航天器配置设计指南》是一份技术报告（TechnicalReport）类型的标准文件，这意味着其内容以技术信息共享和指导性建议为主，而非强制性的规范要求。标准文本以英文发布，共分为若干主要章节，系统覆盖了从初始设计到寿命末期的全流程共位设计活动。以下对该标准的核心内容进行归纳和解析。3.1标准适用范围与总体框架标准在范围界定部分明确指出，其适用于位于地球同步轨道区域的多个航天器在同一经度窗口内的共位配置设计活动，包括设计阶段的方案选择、分析计算和评估验证，以及运行阶段的位置保持策略、碰撞规避和安全协调。文件同时说明了其适用的航天器类型包括通信卫星、广播卫星以及其他执行GEO轨道任务的航天器。标准的总体技术框架以系统工程方法为主线，将共位配置设计分为需求分析、初始设计、详细设计、仿真验证、运行实施和应急响应等若干阶段，形成闭环的设计与评估流程。技术框架的建立充分体现了国际航天工程界对共位技术“以安全为核心、以协调为纽带、以效率为目标”的共识。3.2多航天器共位的总体设计流程标准推荐采用自顶向下的系统化设计流程，首先明确共位任务的目标和约束条件（包括轨位窗口大小、可用频率资源、地面测控能力、航天器平台能力等），然后在此基础上开展共位方案的初步设计。初步设计阶段的核心任务包括：确定共位航天器的数量、各自的任务寿命和轨道保持精度要求；选择合适的共位策略类型（如倾角分离法、偏心率分离法或组合分离法）；初步确定各航天器的相对轨道构型；制定初步的位置保持策略和碰撞规避预案。初步设计完成后，需要转入详细设计阶段，对轨道控制策略、地面运行方案、故障处置方案等进行细化和量化分析。3.3关键技术内容解析3.3.1共位构型设计标准对共位构型设计给出了系统性的方法论指导。当前国际上主流的共位构型设计方法基于相对轨道要素的框架，通过合理设置各航天器之间的相对偏心率矢量和相对倾角矢量，使各航天器在GEO轨道上形成空间上相互分离、时间上周期演化的相对运动轨迹。具体而言，共位构型的设计需要在保证各航天器最小间距不低于安全阈值的前提下，尽量缩小总的空间包络，以减小对轨位窗口的占用。标准对不同共位构型的适用条件进行了对比分析，包括共面分离法、倾角分离法、偏心率矢量分离法及其组合方案的优缺点和适用范围。特别是对于三个及以上航天器的共位问题，标准着重强调了对称构型在安全性和长期稳定性方面的重要优势。3.3.2轨道控制与位置保持轨道控制策略是共位设计的核心环节之一。标准详细阐述了共位场景下的位置保持策略设计方法，包括轨道机动周期选取、控制阈值设置、燃耗优化方法以及多星协同控制的实施流程。在共位运行场景中，位置保持控制不仅要维持各航天器自身相对于标称轨位的精度，还需兼顾各航天器之间的相对几何关系。因此，标准的轨道控制策略部分着重强调了协同控制的重要性，对具有共位关系的多颗航天器如何协同确定控制时刻、如何协调机动方向和幅度给出了原则性指导。此外，标准还讨论了不同位置保持策略（如单脉冲控制、双脉冲控制、连续小推力控制等）在共位条件下的适用性。3.3.3碰撞规避策略碰撞规避是共位航天器运行安全管理的重要组成部分。标准设置了独立章节对碰撞规避策略进行了系统规定，内容包括碰撞风险评估方法、碰撞预警阈值设定、规避机动决策流程以及规避效果评估方法。标准建议，共位航天器的运营者应建立常态化的碰撞风险评估机制，综合利用星历数据、轨道确定结果和空间态势感知信息，对共位航天器之间以及共位航天器与其他空间物体之间的碰撞风险进行持续监测。当碰撞概率超过预设阈值时，应启动规避机动流程。标准特别强调了共位航天器之间碰撞规避的特殊性——由于各航天器的轨道控制存在耦合效应，规避机动可能影响其他航天器后续的安全状态，因此规避策略设计需要充分考虑多体间的耦合影响。3.3.4频率协调与电磁兼容多星共位在轨运行期间，各航天器在相近的轨位窗口内工作，频率协调和电磁兼容问题尤为突出。标准专门讨论了共位场景下的频率协调问题，涵盖通信频率规划、干扰评估方法、频率隔离策略以及协调机制等方面。在频率协调部分，标准建议各共位运营者在频率分配和天线指向设计中采取必要的隔离措施，并通过定期的频率协调会议和技术分析，持续优化频谱使用方案。标准同时参考了国际电信联盟《无线电规则》中的相关协调程序在GEO共位场景中的适应性问题，为频率协调管理提供了参照框架。3.3.5应急响应与异常处理共位运行场景下，单个航天器的故障可能对其他共位航天器的安全造成链式影响。标准对应急响应和异常处理做出了系统安排，包括设备故障、轨道控制失效、通信中断、姿态异常等多种故障场景下的应对措施预案。标准建议共位航天器的运营者建立联合应急响应机制，明确各参与方的角色分工、信息通报流程和联合决策机制。同时，标准还要求各运营者制定专门的应急共位保持预案，确保在单星发生严重故障时，其余航天器能够在最短时间内通过协同机动恢复安全的相对构型。3.4设计验证与评估针对共位设计的有效性和安全性，标准设置了设计验证与评估的相关内容，要求通过高精度仿真和物理仿真验证共位方案的可行性，包含仿真软件精度要求、仿真场景覆盖度要求和验证评估的指标体系等。这一安排为共位方案的可靠性提供了系统性保障，确保设计成果满足工程实施的安全性标准。四、标准编制参与单位介绍ISO/TR22639:2021的编制工作是在国际标准化组织航天分技术委员会（ISO/TC20/SC14）的统一组织下，由多个国家的航天机构和标准化组织共同协作完成的。在该标准编制过程中，中国航天标准化机构和中国空间技术研究院相关团队积极参与了技术讨论和国际协调工作。本报告重点介绍参与本标准编制和后续转化应用的国内主要单位——中国航天标准化研究所（ChinaAcademyofAerospaceStandardizationandProductAssurance,CAASPA）。中国航天标准化研究所隶属于中国航天科技集团有限公司，是经国家航天主管部门批准设立的航天标准化专业研究机构，长期承担航天领域国家标准、国家军用标准和行业标准的制修订组织工作，并代表中国参与ISO/TC20/SC14的国际标准化活动。该所设有航天标准化技术委员会秘书处、国际标准化工作室等核心业务部门，在航天系统级标准研制、航天产品保证标准体系建设、国际标准国内对口研究等方面具有雄厚的专业实力。在ISO/TR22639的编制过程中，中国航天标准化研究所积极履行国内技术对口单位职责，组织国内相关单位对标准草案进行了深入的技术论证和意见反馈，将我国在GEO航天器共位运行方面的工程经验有效融入国际标准，推动了标准技术框架的完善。该标准发布后，中国航天标准化研究所又牵头组织了标准的国内转化应用工作，包括标准翻译、宣贯培训以及指导国内航天企业开展标准的工程应用。此外，中国空间技术研究院（CAST）所属相关总体单位在标准编制过程中提供了重要的技术支持。中国空间技术研究院作为我国通信卫星和导航卫星的主要研制单位，在GEO航天器总体设计、轨道控制和在轨运行管理方面积累了丰富的工程经验。该院相关团队承担了标准中轨道控制策略、共位构型设计等关键技术内容的国内研究支撑工作，为国际标准提供了具有工程实践基础的技术输入。五、结论与展望ISO/TR22639:2021《空间系统-多地球同步轨道航天器配置设计指南》作为国际标准化组织发布的首部专门针对多GEO航天器共位设计的技术报告，填补了这一重要技术领域的国际标准空白。该标准系统整合了国际航天界多年来在多星共位设计、运行和安全管理方面的工程实践和研究成果，从共位构型设计、轨道控制策略、碰撞规避机制、频率协调管理以及应急响应预案等多个维度，构建了完整的技术框架和方法体系。该标准的技术价值和实践意义主要体现在以下方面：第一，建立了多星共位设计的通用技术语言和统一的技术基线，为不同国家和不同机构之间的技术交流和协同合作奠定了共同基础；第二，总结提炼了经过工程实践检验的最佳技术方案和方法，为后发航天国家和新兴商业航天企业提供了可参考借鉴的成熟经验；第三，针对碰撞规避和应急响应等安全关键环节给出了系统性的技术指导，有助于降低共位运行的安全风险；第四，为国际电信联盟框架下GEO轨位协调中的技术对话提供了标准化的技术依据。从国内应用角度出发，建议国内相关单位和行业主管部门重视ISO/TR22639:2021的转化实施工作：一是加快推进该技术报告的采标转化，适时制定相应的国家标准或行业标准，为我国航天工程实践提供权威依据；二是结合我国通信卫星平台的技术特点和共位运行的工程需求，开展针对性的技术验证和应用示范工作，形成适应我国实际工程场景的共位设计方法体系；三是积极参与ISO/TC20/SC14后续的相关标准制修订工作