什麼是太空狀態意識？

太空狀態意識 (Space situational awareness；SSA) 是一種針對地球周圍太空中物體進行特性分析、追蹤與預測其未來位置的作業。各國政府、企業與機構參與 SSA，以掌握地球軌道上日益增多的太空資產；以及受地球與月球引力影響(稱為「地月空間」)的區域中的情況。

建立太空狀態意識的第一步，是利用地面觀測來辨識並追蹤近地天體。接著，這些太空監測資料會用來建立每個太空物體的數位模型。最後，運用軌道力學與其他物理學原理，預測重力與其他作用力如何隨時間影響每個物體的軌道。 

進行太空狀態意識的主要目的是防止太空船與太空碎片之間發生碰撞。次要目的包括規劃退役或失效太空載具的再入大氣過程，以及分析因碰撞、軌道爆炸或敵對行為而產生的碎片。

太空狀態意識同時也是太空交通管理系統的基礎資料與工具組。它不僅能防止不必要的碰撞，還能協助主動管理可控制物體的軌道。

太空機構、軍方與衛星營運商發展 SSA 能力，以保護其太空設備、延長運作壽命，並在再入過程中避免對其他太空載具、地面人員與設施造成損害。這些單位不僅希望保護其龐大的投資，也希望維持這些資產所提供的科學、通訊與地球觀測能力，這些功能對日常商業與國家安全都至關重要。

自俄羅斯於 1957 年發射史普尼克號以來，歐洲太空總署 (ESA) 統計顯示，各國政府與企業共已將超過 21,600 顆衛星送入地球軌道，截至 2025 年仍有超過 14,200 顆在運作中。發射設備與超過 650 起碰撞所產生的碎片，使軌道上超過 10 公分長的物體數量達到 54,000 個，另有數百萬個更小的碎片。 

依大小分類的低軌道 (LEO) 太空碎片數量

儘管近地太空範圍廣闊，但由於軌道物體以極高速在不同軌道上運行，且許多衛星必須占據或通過地球表面的相同區域，因此碰撞的機率在統計上仍然相當高。隨著可追蹤物體的數量呈近乎指數成長、人類對太空通訊與觀測的依賴提升、其在國家安全中的戰略地位增強，以及非盟國家更容易進入太空，SSA 在太空運作、經濟與政治上的重要性也隨之提高。 

SSA 的基礎是軌道力學的運算模型，該模型結合經典物理與相對論物理，用以預測重力對軌道的影響。太陽、地球與月球的引力在這些計算中扮演最重要的角色。

為了正確追蹤並預測太空物體，SSA 系統在計算中必須包含三個要素。

1.太空物體的特徵分析

SSA 的第一個要素是分析軌道上物體的特性。SSA 系統利用地面雷達與光學望遠鏡收集資料，這些觀測方式統稱為「太空監測與追蹤」。追蹤人員透過物體的位置與速度來推算其質量。他們也會利用內部與外部資料來源來辨識物體，並記錄其可得的幾何或運作特徵。

追蹤太空物體並非一次性的任務。許多物體的軌道可能會改變，而來自太空天氣的阻力與壓力等微小作用力，也可能使軌道發生不可預測的變化。除了人造物體外，SSA 系統也會追蹤近地小行星。

2.追蹤或預測太空碎片

瞭解太空碎片是 SSA 的第二個要素。太空船爆炸、機械故障或物體之間的碰撞都可能產生碎片。由於這些事件造成的碎裂會產生朝多方向運動的微小顆粒，進階的 SSA 系統會記錄太空碎片的特性，並預測實際或潛在碰撞後的碎片分布情況。 

3.太空天氣的影響

太空狀態意識的第三個要素是考量太空天氣的影響。太陽風暴會產生輻射，導致干擾並影響衛星軌道。在這種情況下，帶電粒子會改變地球高層大氣的密度，產生對衛星的阻力，進而影響其軌道運行。SSA 的運作必須持續考慮太陽輻射，並在計算中預測太空天氣的影響。

影響太空狀態意識的其他因素

另一項影響 SSA 追蹤與預測的因素，是地球大氣層 (即使在軌道高度上非常稀薄) 對近地太空中飛行器所產生的阻力，特別是在低軌道 (LEO)。阻力同樣是再入大氣計算中的重要因素。

與太陽輻射產生的作用力類似，地球反射的熱能與可見光 (反照率) 也會對太空飛行器的運動造成擾動，並隨著物體相對於太陽與地球的位置變化而改變。

另一項需考慮的情況是衛星定向系統的故障，而這類系統通常包含陀螺儀組件。太空飛行器相對於太陽與地球的姿態非常重要，因為這會影響其所受到的輻射壓力與阻力大小。 

建立與維持太空狀態意識系統是一項龐大的工程。過去，大多數 SSA 系統都是由政府機構進行建置。美國透過國防部、太空軍、空軍及國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 維持多個 SSA 系統，其中以太空監測網路 (SSN) 為主要系統，並支援商業用途。

歐洲太空總署 (ESA) 則是歐洲太空安全計畫的主要管理機構。其他國家也建立了類似系統，以支援本國的太空活動，或與大型系統合作。隨著商業太空飛行的成長，目前已有多項商業化的 SSA 解決方案問世或正在開發中。

以下是這些團隊在維持太空狀態意識時常見的挑戰。

更多且更小型的太空飛行器

小型衛星 (smallsat) 的興起，加上發射成本降低，帶來了太空飛行器數量的爆炸性成長。由於體積小且數量龐大，這些小型物體更難以被追蹤。

爭奪最佳軌道區域

衛星在地球周圍的分布並不平均。為了在地球表面上保持固定位置，地球同步軌道 (GEO) 上的衛星必須共用相同的高度。此外，許多營運商都希望將太空飛行器部署在相同的地區上空。因此，GEO 變得越來越擁擠。低軌道衛星也面臨相同的問題，因為許多任務都希望觀測或接收來自相同地點的訊號。

具成本效益且精確的觀測

太空監測網路的建置與維護成本極高，且需要使用最先進的光學與雷達感測技術。隨著軌道情勢日益複雜，這些系統的成本也不斷上升。

資料管理與儲存

針對每個太空物體所收集的資料量極為龐大。這不僅是因為太空飛行器與碎片數量增加，還因為 SSA 資料通常涵蓋多年觀測紀錄。

視覺化

另一項日益嚴峻的挑戰，是如何以有意義且可採取行動的方式呈現 SSA 資料。SSA 團隊所監測的太空範圍極為龐大，橫跨三維空間，且涵蓋的物體數量持續增加。

預測

SSA 系統必須能預測未來軌道、識別潛在威脅，並在發生碰撞事件時建立太空碎片模型。工程師也利用 SSA 系統來規劃重返地球大氣層，或將失效的太空飛行器移至穩定軌道以進行處置。 

參與 SSA 的組織擁有多項可運用的工具，以應對所面臨的各種挑戰。

政策與策略

SSA 中的人為解決方案主要圍繞在政策與策略層面。目前已有許多國際標準，多數具備太空能力的國家在原則上都同意遵守。其中包括 1967 年的《外太空條約》、1972 年的《責任公約》以及 1976 年的《登記公約》。

近年來，一些組織也提出指導方針與策略，呼籲會員國進行合作並採取負責任的行動。這些協議提倡：

• 限制太空碎片產生
• 減少軌道上解體事件
• 在任務結束時讓太空飛行器脫離軌道
• 採用防撞技術
• 避免在太空中蓄意摧毀物體

軟體與硬體

技術性解決方案包含強大的軟體與硬體系統，用於收集資訊、執行太空交通管理 (STM) 工具，並利用太空領域感知 (SDA) 解決方案以支援國家安全相關事務。

硬體解決方案運用先進的運算能力，包括高速記憶體、GPU 與雲端運算，以處理龐大的資料量與計算需求。硬體同時支援用於追蹤系統的感測器。軌道上與地面光學感測器及雷達系統的進步，使得資料的準確性與即時性都有顯著提升。工程師使用像 Ansys HFSS 軟體來設計更高效的天線，並使用 Ansys Zemax OpticStudio 軟體來提升相機效能。

在軟體方面，應對 SSA 挑戰的關鍵，是擁有一個強大且具彈性的開發平台，以建構 SSA 系統軟體。像 Ansys Systems Tool Kit (STK) 軟體這類的解決方案，提供以物理為基礎的模型架構，能精確模擬並有效預測太空物體與碎片的行為。或是使用 Ansys Orbital Determination Tool Kit (ODTK) 軟體這樣的平台，便可根據追蹤資料來預測太空飛行器的未來行為。透過這些具彈性且強大的平台，各 SSA 團隊能依自身需求開發客製化的軟體解決方案。 

隨著人類活動從地球延伸至地月空間乃至更遠的區域，由發射與碎片所造成的地球軌道物體數量將持續增加。經過數十年的太空狀態意識發展，航太產業已累積許多經驗與最佳實務，以打造更安全的未來太空環境。

1.遵守規範

SSA 的第一步，是太空飛行器設計者與操作人員應遵守既有的政策與指導方針，以確保軌道共存的秩序。

2.投資追蹤技術並共享資料

由於高品質的輸出仰賴高品質的輸入，維持 SSA 高度依賴追蹤資料的精確性與即時性。資料共享也能提升 SSA 系統的整體能力。

3.善用運算能力的進步

處理太空監測所產生的大量資料，需要更高速與更強大的電腦硬體，以及演算法上的改善。量子運算的統計能力有潛力徹底革新 SSA 的方式。

4.應用資料分析與預測技術的進展

歸根究柢，SSA 的核心在於基於物理模型的預測與資料分析。營運單位可透過傳統資料分析的進步，以及機器學習 (ML) 與人工智慧 (AI) 的應用，進一步強化 SSA。

5.建立高擬、以物理為基礎的數位模型

SSA 在預測與避免潛在威脅方面的真正力量，來自於以高擬真數位環境模型為基礎的數位任務工程 (DME)。這其中包括太空飛行器、太空碎片與太空天氣等關鍵要素，以及所有會隨時間影響軌道物體位置的因素。 

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