徐能武 高杨予兮｜低轨小卫星星座发展中的国际安全治理研究
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摘 要：随着低轨小卫星星座的迅速发展，相关的国际安全问题日益突出。主要原因在于低轨小卫星星座发展过程中规则标准不完善或针对性不强，不公平的低轨位置“先到先得”原则，小卫星为节约成本防御能力更低，低轨小卫星星座易受攻击的节点更多，以及遭受网络攻击时归因困难，太空交通事故易发等，这些都使得低轨小卫星星座面临较严重的威胁。为此，中国作为发展中的太空大国，应积极参与低轨小卫星星座安全治理，推动国际电信联盟主导性介入频率/轨道相关立法规范和监督执行，避免“囤积频谱”和恶性争夺行为。同时，提高小卫星网络防御能力，发展太空态势感知能力，推动建立国际沟通合作机制，增加小卫星星座安全弹性和安全保障。另外，要利用合适时机和有效方式，推动相关机构制定小卫星主动离轨能力、数据共享的标准要求，以及更具可操作性的太空碎片缓解措施。
作者简介：徐能武，国防科技大学文理学院教授、博士生导师；高杨予兮，国防大学国家安全学院讲师
基金项目：本文系国家社科基金项目“人类命运共同体视阈下太空力量理论研究”(项目编号：19BGJ074)的阶段性成果。
21世纪以来，随着科学技术特别是航天领域高度集成化技术和自动化技术的快速发展，以及商业航天发展中卫星应用市场逐步被打开，低轨小卫星星座研发和部署掀起前所未有的热潮。本文从广义上所论及的低轨小卫星，是指运行轨道大致介于200千米－2000多千米，“重量小于1000kg的人造卫星”，它包括国际上通常细分的“500kg－1000kg的卫星称为小卫星，100kg－500kg的称为微小卫星，10kg－100kg的称为微卫星，1kg－10kg的称为纳卫星，0.1kg－1kg的称为皮卫星，小于0.1kg的称为飞卫星”等所有类型。低轨小卫星星座作为高科技发展的产物，同样是一柄双刃剑。低轨小卫星星座正在成为一些太空主体追求利益的一种战略手段，它所造成的严重威胁和挑战也引起越来越广泛的关注，因此，有关低轨小卫星星座安全治理问题也正成为国际社会日益重视的热点和焦点。从国际安全视角探讨低轨小卫星星座发展中的安全治理问题，主要针对这一领域由于太空主体互动中的人为故意或非故意所引起的安全问题。它并不包括相关技术安全问题，也不包括太空自然环境恶劣所引起的安全问题。本研究主要从低轨小卫星星座发展的实际出发，探讨这类安全问题的缘起，以及它所包括的主要安全问题类型。
一
低轨小卫星星座发展的缘起
21世纪以来，科学技术、商业航天发展、大国意愿增加等犹如拉动低轨小卫星星座再次兴起的“三驾马车”。航天技术是典型的高科技集成技术，其中，部分关键技术的进步将推动航天事业特定领域的突飞猛进。商业航天快速发展，从卫星应用市场需求到组织模式、卫星制造策略、成本管理等，形成对低轨小卫星星座进行商业投资的合力。低轨小卫星星座具有覆盖范围大、信号衰减小、容量大、成本低、补充更新容易等特点，世界主要太空力量竞相布局此类星座发展。
(一)
科技革命推动
低轨小卫星星座的兴起
科学技术，特别是微电子、微机电系统技术、平板天线、互联网和计算机软件技术的迅速发展，小卫星有效载荷能力的巨大进步，为低轨小卫星星座热潮的到来提供了极为重要的技术支撑。微电子技术的发展使卫星处理器的重量更轻、体积更小、数据存储和处理能力更强。在20世纪80年代，一个小卫星通常只有一个航行处理器和一两个附加处理器，用于后备和有效载荷操作。如今，一个微卫星即可容纳数十个甚至数百个处理器。纳米卫星可以放置24个单独的处理器和另外10个嵌入式的“商用现货”传感器。除了体积不断缩小，处理器的功率和能耗也在不断减小，使之能够在功率受限的小卫星上同时工作。在微电子技术发展的推动下，微机电系统也不断进步。微机电系统能够显著降低卫星的功耗和重量，更好地适应卫星在环境复杂的太空中航行的需求，直接减少卫星制造的成本，提升卫星系统的冗余程度。具有更高空间、时间或辐射分辨率的设备，增强的数字处理或编码技术等，使小卫星在试验和运用中不断得到进步，性能快速提升，已经具备了补充甚至替代传统卫星的能力。
平板天线的出现使大型低轨卫星星座成为可能。传统的通信卫星通常位于地球同步轨道，相对于地球来说，卫星的位置始终保持不变。用户使用抛物面天线，一次只能联系一颗卫星，更难以提供卫星移动业务。然而，平板天线采用电子方式控制和形成波束，能够瞬间切换波束，实现网络的无缝链接和卫星追踪，能够保证通信的稳定，减少通信延时。近年来，随着新材料、集成电路等技术的发展，平板天线的成本进一步降低。2019年，一网公司宣布成功研发出成本只有15美元的平板天线模块，为生产价格在200美元－300美元的平板天线终端铺平了道路。在这种发展趋势下，卫星天线市场将不断向平板天线转型，而平板天线的商业化也将进一步推动移动平台通信和低轨卫星星座的发展。
互联网和计算机软件技术在小卫星的设计、制造和运行中发挥了重要作用。工程师们借助互联网查找组件数据、下载设计软件、上传电路板设计。卫星的运营商也利用互联网实现对世界各地地面站点的控制。计算机软件技术及其衍生出的人工智能，大大提高了卫星运行和商业利用的效率，节省了人力成本。在地球观测领域，人工智能使快速进行大规模数据处理成为可能：算法只需要0.3秒的时间来扫描和标记1平方公里区域中的对象，而人类则需要25分钟。随着小卫星的制造越来越模块化、通用化、批量化，软件可能成为定义卫星功能的新方式。2019年，洛克希德·马丁公司宣布将向低地球轨道发射一系列立方体卫星，这些卫星将进行编队飞行，共同作为一个天基云计算平台，能够在星上处理数据，并根据地面发送的软件更新来变更任务。
(二)
商业航天加速
低轨小卫星星座的发展
21世纪以来，商业航天加速发展成为世界航天事业转向的标志和主要趋势，由于受应用市场、资金需求、设计周期和产品供应链特点的影响，低轨小卫星星座发展又是商业航天发展浪潮最耀眼的浪花。
第一，卫星制造和发射成本降低。冷战后，商业航天的兴起和“太空2.0”时代的到来促使更多私人投资者参与到太空产业中，他们对降低成本、提高效率的需求催生了太空领域更多技术创新，并使之成为构建和运营低轨小卫星星座的基础。小卫星制造本身运用的是相对成熟的技术，卫星部件相对于大卫星来说更廉价。同时，数字化技术、标准化制造和垂直化产业链还不断推进小卫星企业降低生产成本，使卫星能够采用“即插即用”和“商业现货”的部件进行组装(见图1)。洛克希德·马丁公司利用其3D打印技术——“数字织锦”(Digital Tapestry)，制造卫星组件，其制造和检测火箭推进器核心部件的成本减少了55%。生产成本的下降激励商业公司为了争夺市场而进一步压缩成本。在卫星发射领域，一些商业公司如Blue Origin和SpaceX等，正在研发可重复使用的发射系统。还有其他一些公司，例如美国的Vector、新西兰的Rocket Lab以及欧洲、以色列的许多初创公司，都致力于开发针对小卫星的高效发射系统。如今，无论是使用专用的小型发射器，还是搭载在大型火箭系统上，小卫星的发射成本正在迅速下降，这也迫使传统的发射服务提供商开发成本更低的新产品，与这些新的发射服务提供商竞争发射市场。
图1 低地球轨道的发射成本(1980－2100)
第二，小卫星商业价值逐步凸显。按照应用种类的不同，小卫星市场可分为通信、遥感、导航、技术开发等。由于小卫星成本低，研发周期短，产业门槛低，其广泛的应用领域意味着巨大的商业价值。一份研究报告显示，2018年全球小卫星市场规模为41.8亿美元，预计到2026年将达到183亿美元，其年复合增长率(CAGR)为20.28%。还有研究人员预测，仅在商用小卫星成像领域，市场价值就将从2015年的1500万美元增长到2020年的1.64亿美元。小卫星及其低轨星座的商业价值迅速吸引了世界各地的私人投资者。2017年至2019年，有61%的小卫星归商业实体所有(见图2)。
图2 小卫星(重量小于500kg)的运营机构
(2010－2019)
第三，商业模式增强盈利能力。冷战后，政府部门对太空产业的投资和补贴大幅减少。太空公司需要依靠自身的盈利能力才能生存。在经历太空商业化阶段初期的尝试后，当前，商业太空卫星的经营者更善于利用有效的商业模式增强盈利能力。一方面，商业公司借鉴互联网思维，不断扩展融资方式，吸引更多社会资本为太空项目提供支持。例如，通过使用互联网和非常规融资等灵活方法，为新的卫星企业筹集资金(见图3)。另一方面，针对各自细分市场，有针对性地吸引用户和提供服务。例如，兼并重组、产业整合等发展模式，增值盈利、交易盈利等多样化的盈利方式，以及其他现代商业模式，推动小卫星产业成为资本竞相追逐的对象。
图3 初创航天企业获得的投资种类
(2000－2015)
(三)
大国竞争诱导
低轨小卫星星座的部署
国际形势风云变幻，大国竞争波诡云谲，各主要太空国家争先恐后地发展和挖掘太空力量，为国家安全、经济社会发展带来战略利益和巨大潜力。低轨小卫星星座发展中的技术突破和快速显现的特有功能优势，使得各国政府极力主动推进小卫星技术和产业发展，有意识地用来加强和完善军事航天能力，提高自身的市场垄断程度，增强国际影响力。
首先，小卫星的技术发展立刻吸引了太空大国政府的注意。2016年10月，美国发布《利用小卫星革命》倡议，在此文件中，白宫科学技术政策办公室(OSTP)、美国国家航空航天局(NASA)、国防部、商务部和其他联邦机构通过合作，确定了多种方式，促进和支持政府和私人将小卫星用于遥感、通信、科学和太空探索等领域。在欧洲，欧洲航天局成立了“立方体卫星系统小组”，以提高欧洲研发高质量小卫星的能力。俄罗斯、日本、巴西等国家的航天局，也着手开展了许多小卫星研究项目，并为小卫星申请提供政策支持。
其次，小卫星星座的发展完善了军事航天能力。太空活动一直具有强烈的军事意味，低轨小卫星星座能够有效补充当前的军事航天体系，为现有的军事卫星提供增强、补充、维修等多种服务。小卫星星座成本低廉，研发周期短，能够迅速满足不断变化的战略需求，成本效益更高。模块化的小卫星还能够搭载军事载荷升空，使商业卫星星座发挥军事用途。此外，低轨小卫星星座由于其数量庞大，分布范围广，补充替换快，加大了对手实施故意攻击的难度，在应对卫星故障和反卫星攻击时，具有更强的抗毁性，能够提高军事航天体系的弹性。
最后，各国还致力于获取小卫星市场的垄断，并以此提高国际影响力。低轨小卫星星座在开辟新的航天市场的同时，也意味着一国太空力量的全球存在。抢先占领这一卫星制造和应用市场，不仅意味着对前沿技术和服务的率先垄断，更能够掌握行业规则的制定，引领用户的需求偏好，甚至实现用户在通信、导航这些关键领域的基础设施依赖。尤其在通信领域，低轨小卫星星座技术的出现和发展，为实现卫星互联网服务开辟了新的视野。低轨星座提供的通信服务，不但成本降低、速度提高，可以与地面通信手段相补充，更能够将通信范围覆盖全球，为过去通信不易覆盖的地区提供高速网络。低轨通信卫星星座的发展无疑为填补这一空白提供了机遇，这也意味着巨大的经济影响力。
二
低轨小卫星星座发展的安全挑战
在低轨小卫星星座发展热潮不断升温的过程中，各太空主体群雄并起、竞争博弈，在为卫星应用、商业航天甚至社会经济发展带来大变革和大发展的同时，其蕴藏的各种安全风险也日益引发世人关注。这些安全风险除技术和自然环境层面外，主要有频轨资源争夺、网络攻击、太空碎片等。
(一)频轨资源争夺加剧
地球频轨资源是有限的，早在1994年第一代低轨卫星星座出现时，美国联邦通信委员会就判断，低地球轨道没有足够的频谱可供所有申请者使用。国际上，太空轨道/频率资源主要由国际电信联盟负责分配和监管，由于各种原因，现有相应规则对于低轨小卫星星座部署来说，存在法律漏洞，导致监管空档、规则滥用扰乱频谱秩序、“先到先得”有时未体现公平原则等缺陷和不足。低轨小卫星星座频轨资源争夺，加剧了其发展中轨道/频率资源稀缺，影响到这些资源的合理利用，进而产生太空安全问题。
1．法律漏洞导致监管空档
现有太空法和国际规则没有明确定义“小卫星”的概念，并将其与传统的“大卫星”区别开来。此外，国际空间法和电信法规定的权利和义务，并不直接适用于非政府实体。各国必须通过国家立法，以确保非政府实体开展的活动符合国际法。但并非所有国家都已经制定了国内的太空法，即使已经通过了关于非政府太空活动许可的国家太空法，这些法律可能并不总是适用于小型卫星。
根据《登记公约》和联合国大会第1721号决议的规定，发射国应在国家登记册中登记其射入地球轨道或地球轨道以外的空间物体，并应向联合国秘书长提供有关其国家登记册中物体的信息。在其国家注册簿中注册空间物体的国家，在外层空间中保留对空间物体的管辖权和控制权。因此，小卫星在国家登记册中的注册是确保对小卫星项目进行有效监督的关键。在国家一级，小卫星的登记有许多特殊之处。这基本上涉及以下问题：第一，一些已经开展小卫星项目的地区尚未建立国家登记册；第二，并非所有已建立国家登记册的国家都要求非政府实体向管理国家登记册的部门提供信息；第三，即使国家已经规定了此类义务，承担小卫星任务的实体有时也不知道需要提供信息以进行注册。还有一个国家责任混淆不清的问题。由于小卫星通常会由多个国家参与研制、发射或运行，在轨运行时间也短，许多国家并不会及时向联合国提交卫星登记信息。2013年11月，俄罗斯在其Dombarovsky发射基地发射了23枚小卫星和1枚附加载荷，根据联合国的记录，这24枚太空物体中有9枚未在联合国登记。有关争端的法律问题是：这些小型卫星在谁的登记簿上以及属于谁？谁负责他们的持续授权和监督，最后谁承担损坏的责任？显然，目前这些问题尚无明确的答案，而模糊的要求迫切需要通过法律审查和改革加以澄清。
2．卫星增多扰乱频谱秩序
小卫星数量的迅速增加，不但使频谱越来越拥挤，还挤占到分配给其他卫星服务的频谱。2012年，在日内瓦举行的世界无线电通信大会(Wrc－12)通过的第757号决议承认，许多纳米卫星和微卫星都使用分配给业余卫星业务和气象卫星业务的频谱。由于小卫星任务的数量增加，分配给业余卫星服务的频带变得越来越拥挤。还有许多新启动的卫星项目正在争夺分配给通信和遥感服务的低微波频率(1－10GHz)。当前出现的大型低轨小卫星星座则在要求使用更高的频率，以提供覆盖全球的通信和遥感服务，但这种高频率可能会给地球静止轨道上的卫星造成干扰。
由于无线电频谱是有限资源，因此，私人卫星公司有天然的动机来“囤积频谱”(Spectrum Warehousing)——夸大其需要发射的卫星数量，申请更多的频谱资源——从而挤压竞争对手的活动空间，或是将其所控制的频谱抬高价格出售。事实上，这些被提前占用的频谱可能在相当长一段时间都不会被使用，从而造成频谱资源的浪费。主要的电信公司如时代华纳有线、威瑞森电信、考克斯通讯公司等，都曾被指控申请特定的太空频率却不发射卫星，其后抬高服务价格。
3．“先到先得”违背公平原则
为了确保公平获得无线电频率和轨道位置，国际电信联盟提出了公平使用的原则，以确保每个国家(不论航天与否)在任何时候都有机会进入太空，并获得与卫星进行通信所需的频谱，而不会造成或受到他人的干扰。为贯彻这一条款，国际电信联盟对地球同步轨道的轨道和频谱资源按地区进行分配，此外还为每个国家保留了带宽和时隙。但这一方式却并没有在非地球同步轨道上的卫星分配程序中执行。当前，对低地球轨道的频轨资源，仍然采取“先到先得”的方式，而目前的巨型星座都是由发达国家发起的，因此，这将带来新兴国家和发展中国家的公平问题。
近地轨道虽然不像地球静止轨道那样只有赤道上空距离地面3.6万公里左右的一圈，但低轨小卫星星座运行轨道大多在300公里－1000公里，这一空间能容纳的小卫星在现有技术条件下也是相对有限的资源。另外，对于地球静止轨道等较特殊轨道的争夺，往往需要迈过较高的技术门槛，能将卫星送入3.6万公里高轨道的国家往往只有少数航天强国。与之相对照，进入低轨小卫星星座运行轨道所需的航天技术要求就低很多，因此，有航天发射能力的很多国家或商业航天发射公司竞相进入这一轨道，加上低轨小卫星星座在对地测绘、通信、互联网业务方面可能获得丰厚利润，更使得这一类轨道大受青睐。
(二)存在网络攻击隐患
在一定程度上，低轨小卫星星座是航天技术、信息技术和新材料技术融合发展的产物，它既是对日益扩展和普及的各类网络系统存在严重依赖的太空资产，又是事关国家安全和民众生活的网络系统“太空段”的组成部分。低轨小卫星星座作为各国越来越重要的太空基础设施，因成本约束，它的防御能力比大卫星系统往往更低，小卫星星座系统复杂的信息网络连接使得其易受攻击的节点更多，加之小卫星本身可能成为太空武器，从而使其遭受网络攻击威胁更大，此类安全问题也更显突出和严重。
1．小卫星为节约成本防御能力更低
限于投资金额有限和压缩成本的需要，小卫星星座的所有者往往不会对卫星系统进行必要的网络安全防护。一方面，为卫星系统提供及时必要的网络安全防护需要长期耗费人力物力，本身是一笔不小的开销。尤其对于数量庞大的卫星星座来说，对卫星固件的更新可能需要从不同的地面站一个个发送给正在其上空运行的卫星，这种远程处理本身就需要更高的技术能力。另一方面，小卫星星座为了节约成本，往往使用通用性的“商业现货”硬件、开源软件，甚至共享地面站。这些硬件和设备可能在世界各地制造，制造过程中就存在被内置漏洞的危险。此外，这些通用部件往往使用的是问世多年的成熟技术，也更容易获得，因此更容易被黑客研究和攻破。对于小卫星星座的运营商来说，及时提供卫星服务、在市场中盈利是更为紧迫的生存需要。在当前低轨小卫星星座竞争风起云涌的情况下，率先抢占频轨资源、率先发射卫星组网、率先面向市场提供服务关系到公司的生死存亡。在这种情况下，安全隐患往往被抛到一边。
2．低轨小卫星星座易受攻击的节点更多
低轨小卫星星座动辄成百上千颗卫星运行在太空，本身就为网络攻击提供了越来越多的切入口。针对太空系统的网络攻击，可以从太空设备、地面设备、信息链路和用户终端四个方面进行。此外，从无线电功率的角度看，由于低地球轨道离地面更近，因此，比更高轨道的卫星更容易受到干扰，发动攻击所需的设备门槛更低。这些商业太空公司最终目的又是为数以亿计的地面用户提供网络服务，整个卫星网络系统的复杂可想而知。代码安全审计机构NCC集团的运输保证业务总监安迪·戴维斯(Andy Davis)认为，对在轨资产及其相关地面支持基础设施的攻击面有所增加，并将继续大大增加。卫星系统面临两个主要威胁：一是对地面站基础设施的攻击；二是对安装在卫星上的开源软件和“商业现货”硬件的威胁。到目前为止，最容易受到攻击的是基于地面的基础设施，因为这些基础设施通过互联网连接并由人类操作。
3．小卫星本身可能成为太空武器
低轨小卫星星座应用可能性和场景多种多样，小型卫星的数量众多，难以判断其用途，对小卫星缺乏有效的验证机制和干预措施。机动小型卫星设计功能可用于在轨检查、维修等，它们还可用于与其他卫星相撞，甚至携带激光或其他定向能武器，可攻击、燃烧对手卫星的光学器件、太阳能电池板和其他航天器材料。某些国家在极力推进“天军”建设的背景下，正在利用低轨小卫星星座在对地侦察、导弹预警、军事通信、精确制导等方面的优势，研发、部署各种类型的军用低轨小卫星星座。在太空军事利用已成为现实的当下，应注意个别国家隐藏的突破太空安全底线的做法。有的国家军方和情报部门致力于开发和部署小卫星寄宿致盲或攻击他方太空资产的隐蔽武器，利用星座“补网”机会，开发低轨军事快速响应体系以及微小型共轨式反卫武器。
(三)“凯斯勒现象”威胁
低轨小卫星星座大量部署可能造成太空碎片急剧增加，甚至导致“凯斯勒现象”(Kessler Syndrome)威胁。“凯斯勒现象”是由美国科学家唐纳德·K. 凯斯勒提出的关于太空碎片级联碰撞效应的一个假设：当在近地轨道运转的物体的密度达到一定程度时，将让这些物体在碰撞后产生的碎片能够形成更多的新撞击，形成级联效应，意味着近地轨道将被危险的太空碎片所覆盖。“如果这个假设变成现实，对航天事业而言将是一场灾难，人类将再难走出地球。”
1．卫星数量多、寿命短，易产生太空碎片
小卫星星座可能会对太空环境造成严重威胁。首先，小卫星体积小，难以追踪，而且通常与其他卫星一起搭载，并放置在相似的轨道上，这对于太空态势感知系统来说是一个考验。第二，小卫星星座由数量巨大的小卫星组成，需要经过多次火箭发射将其送入轨道，废弃的火箭部件也很容易成为继续漂浮在太空中的碎片。第三，单颗小卫星的设计寿命短，可靠性也相对较低。
低轨小卫星星座的卫星数量多，将需要来自附近轨道上所有其他卫星运营商及时、准确的信息，以及有关空间碎片的准确数据，以协调其星座。进行回避机动会消耗燃料和动力，因此，对于运营商来说是昂贵的。低轨小卫星星座从效费比角度考虑，单颗小卫星更新补充灵活快速，往往从成本约束上使其设计寿命短、可靠性也相对较低。在整个星座不受影响的情况下，不时更换会不断产生大量的退役或故障卫星，如不预先考虑，任其失能或随意丢弃，就会漂浮在近地轨道，成为危害极大的太空碎片。
2．私营小卫星管理存在困难
私营公司的小卫星星座出于成本考虑，在信息共享、规避碰撞等方面缺少主动性。但多数小卫星为节约成本，不会装载推进系统，因此，不能主动避免碰撞或使卫星偏离轨道，大多数小卫星在部署后都无法进一步操纵。即使小卫星具备变轨能力，进行回避机动也会消耗燃料和动力，这对于运营商来说是非常昂贵的。事实上，国际法规并没有明确在两颗都处于运行状态的卫星即将碰撞时，该由哪一方作出避让。商业公司出于维护短期利益的需要，可能会忽视长期的太空公益。
此外，强制私营企业执行卫星废弃后离轨的措施也相当困难。《碎片缓解指南》建议，失效的航天器应在25年内离开低地球轨道。私营小卫星不但可能缺少推进装置，即使有，也很难牺牲正常运转的时间而将燃料留给离轨机动。根据NASA的研究，在没有大型卫星星座的情况下，如果90%的航天器能遵守25年内离轨的规定，且轨道上不出现爆炸，低地球轨道上的物体将在200年内增加40%。目前，能遵守离轨规定的卫星只有约60%，属于小卫星星座的卫星遵守这一规定的比例可能更少。
3．安全性能差，太空交通事故易发
低轨小卫星星座由于强调降低成本和批量化生产，导致小卫星故障率很高。譬如，“星链”项目首先发射的60颗小卫星中，有3颗出现故障无法正常执行任务，故障率为5%。这样的故障率将导致该项目会有600颗卫星无法工作，成为漂浮在低地球轨道上的太空碎片。同时，为了替换这些发生故障的卫星，又需要太空公司为星座准备足够多的备用卫星，或重新向轨道上发射新卫星，这些发射本身也将会增加新的太空碎片。
小型卫星通常缺乏推进系统，因此不能主动避免碰撞或使轨道偏离。尽管目前正在开发不少小卫星的推进系统，以与“立方星”(CubeSat)标准兼容，但现实情况是，由于燃料太少，大多数卫星在部署后都无法进一步操纵。随着轨道中太空碎片数量的增长，将超出凯斯勒曾预测的临界值，这样，不断增多的太空碎片将导致碎片之间的随机碰撞，这些随机碰撞将会以更快的速度产生更多碎片。现在，科学家之间普遍达成共识，太空中的碎片数量已经超过了这个临界值，低地球轨道上集中了大量人类制造的太空碎片，即使人类不再发射卫星，这个区域也会不断产生新的太空碎片。由六个不同的太空机构进行的计算机模拟预测，每隔五到九年，低地球轨道上就会发生像铱星－33和宇宙－2215那样的碰撞。
三
低轨小卫星星座的安全治理
低轨小卫星星座发展中出现的上述主要安全问题，已超出相关航天企业和组织自身单一能力的范畴，它需要国家的规制管理、国际组织的监督协调，乃至民间科技、法律方面的个人和组织都广泛参与的太空安全治理来加以化解。具体来说，中国积极参与低轨小卫星星座安全治理：在频率/轨道方面，应推动联合国及其相关机构主导性介入频率/轨道相关立法规范和监督执行等；在防止和减少低轨小卫星星座遭受网络攻击方面，应从技术保障、性能改善以及国际交流和合作等方面，增加小卫星星座防御能力和安全弹性；在减缓和消除低轨小卫星星座引起的太空碎片危害方面，应协调相关国家和国际组织制定小卫星主动离轨能力、相关数据共享的标准要求，并修订完善有针对性的太空碎片减缓措施。
(一)
力促联合国主导性
介入频率/轨道问题
随着低轨小卫星星座发展和实际部署，相关太空主体对频率/轨道资源争夺日趋激烈的安全问题，亟需慎重对待和解决。由于进入太空具有较高的技术和综合国力门槛，太空频率/轨道争夺问题的矛盾集中于“作为既得利益集团，西方太空强国根本不会为了世界各国，尤其是后发国家公平获得频轨资源而进行机制的改革”。为此，中国应积极推动联合国及相关机构主导性介入这一问题的探讨和解决，强调结合航天技术发展实际，兼顾效率与公平的原则，针对低轨小卫星星座发展，完善相关规则，规范对频率/轨道资源的合理、高效和安全利用。
1．确保小卫星及时登记注册
强制性的卫星注册登记是识别卫星位置、进行轨道分配和太空交通管理的基础。按照《登记公约》的要求，每一枚卫星的发射都需要在其发射国的国家登记册中登记，并将相关情况提交给联合国秘书长。然而，当前小卫星星座的发射可能涉及多个国家——发射地点可能包括多个国家，卫星运营商和卫星所有者可能属于不同国家，小卫星还可能作为有效载荷搭载到更大的卫星中发射。依据国际法，这需要涉及到相关国家自行协调在哪一国登记，这就导致各国对《登记公约》的要求出现不同理解，并造成执行时的混乱与漏洞。因此，有必要在《登记公约》基础上对卫星登记注册作出更具体的规定。
2007年12月，联合国大会通过了《关于加强国家和国际政府间组织登记空间物体的做法的建议》，建议以对卫星负有经营责任的国家为主，对联合发射的若干卫星分别登记。这一建议为小卫星登记提供了较为明确的依据和指引，即卫星应在对其负有经营责任的国家进行登记，向太空发射的每一个物体都应当分别登记。然而，这一文件并不具有法律约束力。事实上，这份建议是作为联合国决议在第62届联合国大会上通过的，获得了成员国的一致支持。因此，有理由相信，国际社会对卫星登记相关事项存在共识，对事关人类命运的太空安全问题存在共同利益。应当进一步推动该决议内容成为具有强制力的国际法，推动各国依据决议内容明确国内太空法对卫星登记的相关要求，在全世界范围内形成标准统一、责任明确的卫星登记规范。
此外，卫星所有者还应及时通报卫星的运行状态，已经废弃的卫星应尽快向各国政府部门通报变更信息。小卫星的发射和运行周期较短，如果不能及时向管理部门通报信息，将进一步造成卫星管理的混乱。还应明确各国向联合国提交卫星注册或变更信息的时间范围，要求各国在本国卫星注册或信息变更后尽快向联合国提交信息，便于联合国及时掌握情况。
2．规范频轨资源利用
联合国的重要专门机构——国际电信联盟应当通过确立明确的规则，避免“囤积频谱”现象的产生。法规的不确定性可能导致行为体发现漏洞，在这种情况下，国际电信联盟需要通过明确的决议，为各国政府提供一种工具，使其能够遏制私人太空公司“囤积频谱”的行为。在2019年世界无线电大会上，国际电信联盟作出明确规定，已申请的非地球静止轨道卫星须在目前规则阶段结束后的两年内部署启用10%的卫星，五年内部署50%，7年内完成部署。这能够对部分太空企业“囤积频谱”的现象起到一定的抑制作用，但仍然无法阻挡太空发达国家以“先到先得”的方式提前占据频谱资源。因此，国际电信联盟仍然有必要讨论对非地球静止轨道卫星进行公平划分的问题，可以参照对地球同步轨道按地区进行分配的做法，对低地球轨道的位置作出适当分配，为发展中国家留出更多空间。鉴于低轨小卫星星座位于地球与地球同步轨道之间，因此，对包括低轨在内的其他地球轨道资源进行限制和分配，在物理上是必要的，也是合理的。因为进出较高轨道的每一次通信都必须通过低轨道进行传输，因此，对低轨卫星的分配和管理也可以避免对高轨卫星的干扰。
此外，国际电信联盟应针对无线电行业的未来发展，为包括小卫星在内的卫星行业划分更加明确的频谱范围，强化对小卫星无线电干扰的相关查证，减少不同轨道间卫星相互干扰的可能性。同时，为太空运营实体之间的频率协调提供一定指引，鼓励行业内部形成相互沟通和协调频率的机制，为化解频率干扰而导致的矛盾提供帮助。
3．积极发挥参与频轨治理的作用
作为负责任的大国，中国也应当不断提高自身参与太空频轨规则制定的影响力和话语权。
首先，借助国际电信联盟和世界无线电大会等国际平台，积极推动低地球轨道的频轨制度完善。当前，低轨小卫星星座的频率/轨道时隙管理仍由国际电信联盟主导，国际电信联盟已经认识到小卫星星座中与频率备案有关的问题。2015年和2019年的两次世界无线电通信大会(WRC)都讨论了相关问题。由于大多数国家都会参与世界无线电通信大会，会议每次也都会出台新的决议，因此，每3至4年举行一次的世界无线电通信大会是国际社会讨论和修订相关法律框架的理想平台。应当继续推荐更多专家进入国际电信联盟和世界无线电通信大会管理层，代表利益、发出声音，同时，广泛考察国内低轨小卫星星座发展需求，向无线电大会递交更多有价值的提案，促进太空的公平和规范利用，为中国低轨小卫星发展争取更多空间。
其次，技术的发展可能是解决未来频轨资源争端的有效途径。可以进一步研制能够减少卫星无线电干扰的技术，尤其是减少低轨卫星对高轨卫星干扰的技术，例如，使低轨卫星在经过赤道时能够自动改变方向和功率，从而减少对赤道上方地球同步轨道卫星的影响；积极研发光通信技术，开辟通信方式的新领域，减少对无线电频率的依赖。
最后，还应当积极对接国际法，为国内低轨小卫星的申请、建设、运行提供明确法律规范和政策指引。当前，中国商业小卫星行业还处于初步发展阶段，对国际规范的把握和执行缺少经验。政府应当依据现有国际法，针对低轨小卫星行业的特点，制定有关国内法规和行业规范，确保国内卫星企业能够及时、有效地根据法规政策调整行动。
(二)
主张有效防范
针对卫星星座的网络攻击
太空基础设施安全是网络安全的最前沿。“太空和其相关领域存在的网络安全隐患将会成为国家、地区或国际问题，而要了解认知这种非传统安全威胁，就必须对网络和太空安全的交叉问题进行研究。”低轨小卫星星座大量部署和广泛应用，已成为大多太空国家太空基础设施的重要组成部分，防止对其网络攻击的威胁是低轨小卫星星座安全治理面临的一项紧迫任务。
1．增强星座本身安全弹性
对低轨小卫星星座的网络攻击往往来无影去无踪，因此，应对此类攻击首当其冲的是提高自身防御能力，增强星座系统的安全弹性。这里所指的低轨小卫星星座的安全弹性，主要是它面对各种对手的网络攻击时，仍然能够依靠事先的弹性设计和补充，继续保持提供原有功能的能力，实现遭受部分乃至全部除去作用力后仍能恢复核心功能的目的。
一是低轨小卫星星座基于经济成本约束，购买廉价组件(例如通常是“新空间”活动基础的“开源技术”)不应以牺牲网络安全性为代价。对于系统所需核心软件，必须拥有更好的自主检测、防恶意病毒以及其他各种网络攻击的能力，星载网络防御系统应加强其智能化定期更新能力，以应对层出不穷的网络威胁。二是在低轨小卫星星座预先设计时，应充分评估、考虑对手网络攻击情况，从星座系统总体结构和功能上分散高风险节点。这主要是充分运用集约技术，将天基任务、功能或传感器以及星间链路分散到一个或多个轨道平面、平台、载具，或多域的多个系统之中，尽量在不影响整体功能的前提下，进行合理的分布式处理。三是增强低轨小卫星星座在欺骗、防护、机动方面的抗压能力和灵活应对能力，降低对手首次网络攻击的效能，同时在其他领域建立强大的对抗能力，并确保在承受首次打击后能够对对手进行报复打击。这要求低轨小卫星星座中的卫星具备一定的在轨机动能力与自我检测、维修能力，在进入太空方面具备快速响应和补充能力。四是适当预留和展示低轨小卫星星座的防御性网络攻防对抗能力，起到有效威慑敌手网络攻击的作用。通过低轨小卫星星座自身网络攻防对抗的充足准备和决心意图显示，并通过适当方式传递给敌手，慑止敌手可能的网络攻击行为。
2．提高对网络攻击的归因能力
低轨小卫星星座正发展成太空国家重要的基础设施，成为一国通信、金融、农业等几乎遍及各行各业的连接网络的“太空段”之一。防止对低轨小卫星星座所展开的网络攻击，就需要想方设法提高对网络攻击的归因能力。
首先，从技术上，应加强低轨小卫星星座网络安全建设。这需要在低轨小卫星星座网络安全方面具有强大的技术与数据优势，切实支撑应对这种网络威胁的归因能力。这需要建设和利用庞大的、衔接的太空网络体系，强大的大数据搜集能力，以及对全球各种专业和社会数据充分掌握，从而能迅速追溯攻击源头，锁定敌手，形成坚实的证据链。
其次，从制度上，应建设政府、企业、专家等多方配合的低轨小卫星星座网络安全体系和机制。低轨小卫星星座网络系统牵涉主体众多，网络攻击归因程序复杂，时效性要求高，因此，需要预先建立相关机制，能全领域、全流程进行监控，及时追踪溯源，即刻启动应对反制行动。政府管理部门在协调、情报和执法上有特定优势，企业在威胁感知、一线数据收集上往往更直接、方便，无论太空还是网络，都是专业性、系统性很强的领域，因而能在低轨小卫星星座网络攻击归因上发挥不可或缺、不可替代的作用。这些不同主体在技术与数据上相互合作、互相呼应，体系发力，可较及时地展开大规模追踪溯源和关联分析，锁定威胁源头。
最后，从法律上，应加强国内立法和国际司法合作。低轨小卫星星座作为重要太空资产，对它进行网络攻击，往往被视为高阶政治的严重挑衅行为，有关归因需要有根有据，一旦锁定对手，必然会毫不留情地动用严厉手段，进行强力反制。在国内立法方面，应严谨归类，划清红线，明确控制标准，加强对敌手的有效太空网络威慑，消除误判，维护战略稳定。在对低轨小卫星星座网络攻击的国际法层面，“对网络攻击确定国家责任的前提，是通过国际法进行负责任的归因，既不应使实际从事和控制网络攻击的国家逍遥法外，也不应扩大国家责任的范围而伤及无辜”。
3．建立国际沟通合作机制
低轨小卫星星座功能日益完善和彰显，也使之成为大国战略竞争的重要工具，围绕它所展开的太空军备竞赛，乃至暗中推进其武器化的威胁已初露端倪。“网络攻击可摧毁或瘫痪卫星和其它太空设备，潜在的解决方案是加强国际合作、制订政策或增加技术研究投入。”为此，中国应呼吁国际社会要尽快将低轨小卫星星座安全问题纳入相应国际军控机制加以考量。我们迫切需要发展一个灵活的国际太空和网络安全制度，这种安排最初应由国际“意愿联盟”管理国际空间供应链和数量有限的有能力的国家和其他关键利益相关者。这样的制度将避免国际机构(例如国际电信联盟)制定的任何受监管、集中化和指示性方法在协议和实施上不可避免的拖延。新的敏捷体制将集中于快速、积极的响应机制，并且作为协调和监督机构的一个附带利益，联盟还可以促进或减少相关太空主体在国内和国际上实现与太空网络安全相关的产品和服务的市场吸引力。
促进国际合作和相关措施实施主要包括“制订太空网络安全响应准则、政策要求、政府治理、管理、开放包容、政权强制行为、具备灵活性和主动性、风险管理、降低供应链安全风险”。理想情况下，需要对此类攻击的指控进行中立的仲裁。尽管在某些地区存在进行这种中立仲裁的机制，但这仍然是例外而不是常规。一种可能性是建立联合国授权的机构，以促进具有国际合法性的全球参与。第一步可能是共同努力，确定构成太空武装攻击的简单工作定义。在这方面出现的重要问题包括是否可以将诸如黑客入侵、干扰或欺骗卫星之类的电子和网络攻击视为武装攻击，以及这些行动是否以及如何对国际和平与安全构成威胁。下一步将是评估国家的责任，特别是由于非国家行为体在外层空间活动中的普遍性增加。联合国安全理事会第1540号决议提供了一种可能的解决方案，因为它授权每个国家控制其境内的公民和个人行动。关于太空的网络和电子战，以第1540号决议为例，可以更清楚地看出，各国有责任确保防止其境内的袭击。
在联合国裁军审议委员会中讨论这些问题，可能是朝着未来监管迈进的适当方式，这将有助于加深了解，并有望促进政策融合。委员会可以从一般意义上讨论太空电子和网络战的广泛方法，在处理特定问题的较窄方法的多种途径中进行选择。鉴于本文所探讨的内容，可以考虑以下一些具体问题：确定对太空物体的武装攻击是什么？任何未来机制中对验证和监视机制的要求是什么？如何列出进行核查和监测的国家技术手段？对这些问题讨论的结果可随后送交联合国大会第一委员会和安全理事会，以采取进一步行动。
(三)
推动太空碎片缓解、
移除和太空交通管理
各国从技术、市场机制和法律层面尝试缓解、移除太空碎片，以及关于加强太空交通管理的探讨日益热烈。为此，中国应和国际社会一道，为应对低轨小卫星星座部署带来太空碎片增加的安全挑战和风险，积极推动相关国际安全规则制定，以防范各国太空主体之间出现恶性竞争，维护近地轨道的太空环境安全。
1．太空碎片减缓措施
太空碎片减缓是指通过人类在太空中的活动来限制新碎片的产生。此过程包括设计卫星和太空系统，以使其在正常运行期间释放的碎片量最小化；通过排空剩余燃料或释放电池能量等方式，减少使用寿命结束时发生爆炸的风险；以及在使用寿命结束后，正确处置航天器。机构间空间碎片协调委员会(Inter－Agency Space Debris Coordination Committee，IADC)在2017年指出，在低地球轨道上，当前《太空碎片减缓指南》的实施水平“被认为不足，并且没有观察到明显的趋势以实现更好的实施”。IADC指出，卫星关键系统的可靠性是“关键考虑因素”，以便提高卫星“任务后废弃处理”(Post－Mission Disposal，PMD)的可靠性。这需要从三方面来实现，首先是要保证卫星的设计和制造质量，确保卫星从部署、运行直至任务结束后能够正常运转，并最终进行PMD操作。第二是分配足够的资源和燃料来维持卫星的最终运转，包括实施PMD机动。第三是对维护任务运行和进行PMD机动所需的子系统，实施适当的微流星体和轨道碎片防撞保护，在无法避免与轨道上其他物体碰撞时，确保不会造成卫星解体，进而产生更多的碎片。
诚然，上述这些举措都需要卫星运营商在短期内投入更多的成本，企业很难存在主动意愿来执行这些措施。这就需要从国际和国内的法律制定和制度监管上加以约束，进一步推动《太空碎片减缓指南》成为各国通用的习惯法；明确卫星碰撞的责任和赔偿机制，包括对发生碰撞的原因进行分类，明确属于人为过错的行为，使追究太空碎片制造方的责任有法可依。其次，应当不断研发新技术、采用新方法，如脉冲式机动、电力推进以及风帆展开装置等，尽可能减少小卫星脱离轨道的成本。此外，还可以从成本角度对商业太空实体展开宣传，使太空企业认识到：太空碎片的增多从长期看将不断增大卫星在轨道中正常运行的难度，如果放任不管，卫星运营商需要准备更多的备份卫星以替换发生故障或碰撞的卫星，而检测故障卫星和避免碰撞也会增加星座的运营成本，这同样不利于企业未来的发展。
2．太空碎片主动移除
即使没有新的航天器发射，低地球轨道上现有太空物体也会不断产生新的太空碎片。因此，有必要对现有的轨道碎片给予主动清除，即太空碎片主动移除(Active Debris Removal，ADR)(见图4)。碎片主动移除与碎片缓解措施不同，后者旨在减少将来在轨道上发射的物体数量，而太空碎片主动移除则旨在清除已在轨道上的、不再运行的物体，从而减少太空活动风险。迄今为止，由于存在广泛的政治、法律等非技术挑战，太空碎片主动移除技术尚未得到实践。直到2019年12月，欧空局才委托一家瑞士公司开展世界上第一次太空碎片移除任务，该项目预计将在2025年实施。
图4 主动碎片移除(ADR)的效果
事实上，太空碎片主动移除之所以迟迟未能开展，更多在于其政治敏感性。太空碎片移除技术既可能移除太空碎片，也可能破坏正常运行的卫星，甚至可以作为太空武器。若技术运用不成熟，还可能人为造成现有碎片的进一步解体。与此同时，这种技术也可能成为某些国家开展太空军备竞赛的借口。但太空碎片并不会因为人类的犹豫而减少，随着人类对太空的进一步利用和低轨星座的逐渐部署，这一问题只会愈加紧迫。
考虑到低轨小卫星星座的单个小卫星的体积和质量较小，在审批许可发射时，应提出每个小卫星在任务结束时，保持操控其主动离轨的能力，保证可根据实际需要，遥控小卫星重新落回稠密大气层焚毁，减少其变成太空碎片的机会，加上事先设计的解体控制功能，其细小残骸落到地面造成威胁的可能性也极小。因此，各国不应因政治或军事敏感性而刻意回避太空碎片主动清除措施。国际社会应就这一议题建立一个适当的国际合作和协商框架，就相关的法律和政策问题进行广泛讨论，共同研发和试验在轨服务和碎片清除技术，并在发掘在轨维修经济效益的同时，为太空碎片主动移除项目提供资金支持。
3．加强太空交通管理
1982年，国际空间法研究所最早提出“太空交通管理”这一概念。太空交通管理是通过计划、协调和在轨同步航天器的活动，增强在太空环境中操作的安全、稳定和可持续性，以及最大限度地减少在轨运行卫星与太空碎片之间发生碰撞、无线电频率干扰或其他干扰。这其中最重要的就是太空态势感知能力，通过对太空物体的准确追踪监测，及时发现和避免太空物体相撞。人类在过去的太空活动中，在地球周围特别是低轨道留下了大量的太空碎片。当前低轨小卫星星座的发展，动不动成百上千甚至上万的小卫星部署在这一轨道，大大增加了太空目标碰撞的概率，因此，加强对低轨道的太空交通管理显得尤为紧迫。
加强对低轨小卫星星座运行空间的交通管理，首先要对低轨道运行的太空物体(包括各种航天器、太空碎片、流星体等)进行有效监管，及时向卫星运营商提供信息，帮助其最大限度规避、减少星座与之碰撞的几率。这需要对航天器进行登记，对太空碎片进行编目，对流星体进行预警通知，并公开共享相关数据。其次，根据航天器运行的实际情况，细化碰撞规避的最佳实践标准和要求。“在涉及两颗卫星相互干扰处置时，为了帮助卫星运营商决定哪一颗卫星机动、何时机动和怎样机动，还需要提供实践指南与交通规则。此外，一些卫星操作可能会周期性接近或干扰其他卫星，此时，运营商可能希望制定合作战略来最大程度减少推进剂消耗。”第三，建立低轨小卫星星座通告系统和数据交换标准。“与航空交通管制协议类似，航天发射计划、卫星轨道与机动、再入及可能造成干扰的其他操作，无论是在计划阶段还是实施阶段，都应该通告负责空间目标监视和规避干扰的组织机构。应利用可用的国际标准或开发新的国际标准来规范数据交换格式及协议。”最后，对低轨小卫星星座进行交通管理，还需要建立事故追责与处理机制。如果出现事故，该如何处理。具体来说，在遵循“太空活动行为准则”总体要求和原则前提下，将对低轨小卫星星座交通管理的相关规定细化到准则条文中，以确保星座系统及其地面设施、通信链路等运行安全。
四
结 语
随着经济社会发展和科学技术进步，以及商业航天模式不断创新、国家政策大力推动，低轨小卫星星座发展高度活跃，已成为世界航天事业发展中日益引人注目的潮流之一。基于低轨小卫星星座及其应用所带来的巨大经济社会效益，甚至影响各国国家安全利益，相关太空主体争夺频轨资源更趋激烈，而其自身脆弱性和易受攻击节点多，使得网络攻击的隐患令人堪忧，小卫星数量多、体积小、寿命短、安全性能弱，更易形成太空碎片，甚至出现级联碰撞，遭受“凯斯勒现象”威胁。
现实来看，这些安全威胁和挑战是低轨小卫星星座快速发展中面临的国际安全层面的主要问题，其严峻复杂性还在演变中。首先，中国应会同国际社会将低轨小卫星星座面临的频轨资源争夺、星座易受网络攻击和太空碎片威胁等纳入整个太空安全治理体系加以全盘考量，多管齐下，寻求化解良方。低轨小卫星星座发展因频轨资源争夺引起的安全问题，应纳入太空资源利益分配管理机制修改完善的典型议题加以解决。对网络攻击威胁的安全治理，除了加强自身安全性能和防御能力外，要将其纳入防止太空武器化和军备竞赛的国际努力中。其次，中国应旗帜鲜明地提出和推动由联合国及相关机构来主导有关低轨小卫星星座安全治理问题。中国应积极参与推动国际电信联盟对频轨资源分配和监管规则的修订完善，加强对低轨小卫星星座频率分配标准和要求的界定、对低轨位置“先到先得”原则的调整，以及对滥用规则抢占频率带宽的监管和惩处等。最后，在低轨小卫星星座安全治理机制建构程序上，应倡导多管齐下、循序渐进的原则，有意识地推动在现有太空安全治理框架基础上逐步完善的包容性进程，坚决反对太空霸权的干扰和阻挠，主张平等、专业、公开讨论有关问题，并尽量考虑和照顾广大发展中国家的权益。
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