《Acta Astronautica》：A system-of-systems approach to US space sustainability governance
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轨道管治的治理缺口与系统性解决方案研究。基于系统-of-systems框架和知识图谱方法，揭示美国轨道管治中存在的执法薄弱、标准分散和政策滞后三大治理缺口，提出涵盖空间态势感知、交通管理及环境保育的治理路径，并构建多维度可持续性指标体系。
作者：钱石（Qian Shi）、黄寅晨（Yinchien Huang）、大卫·阿纳斯（David Arnas）、丹尼尔·德劳伦蒂斯（Daniel DeLaurentis）
普渡大学航空航天学院，美国印第安纳州西拉斐特市体育场大道701号，邮编47907
摘要
低地球轨道（LEO）上卫星部署和商业活动的迅速扩张已经超过了现有的政策框架，引发了人们对太空长期可持续性的紧迫担忧。本文提出并应用了一个基于“系统-系统”（system-of-systems, SoS）的框架，来评估美国在轨道管理方面的结构和运营漏洞。该框架结合了知识图谱方法来绘制机构关系和监管碎片化的图谱，并利用SoS设计原则来分析可持续性挑战的结构性驱动因素，从而指导政策制定和优先级排序。分析结果涵盖了三个主要的治理漏洞：执法不力、标准分散以及政策滞后，并将解决这些漏洞的努力组织到太空态势感知、太空交通管理和太空环境保护三个领域。此外，还提供了一个按目标、方法和范围分类的可持续性指标体系，以支持未来的政策评估和能力规划。总体而言，这项工作为系统性的可持续性评估和明智的治理策略奠定了基础，这些策略有助于支持适应性政策设计、合规性规划以及长期的轨道管理。
引言
过去十年间，太空活动的指数级增长已经超过了现有的治理结构。从2014年到2024年，每年发射到太空的有效载荷数量增加了12倍以上，从大约200个增加到近2600个，其中美国实体在2024年占据了大约85%的发射量；同时，太空中的有效载荷总数也从大约4300个增加到了13,700个（见图1）。这一惊人的增长得益于太空行业的三个主要变化：私营部门投资的增加、相关技术的进步以及大型星座系统的兴起。
首先，商业主体已成为轨道增长的主要驱动力。曾经由国家主导的太空任务如今已被私营部门所占据（见图2）。像SpaceX和Blue Origin这样的公司引入了更快的开发周期和更高的风险承受能力，推动了卫星宽带、地球观测和在轨服务市场的扩张。
其次，技术进步降低了进入壁垒。推进系统、卫星小型化以及可重复使用运载工具的进步显著降低了任务的成本和复杂性。小型卫星和立方体卫星使得每次发射可以携带多个有效载荷，而像SpaceX的Falcon 9这样的运载工具则进一步提高了成本效率。这些创新扩大了能力，使得卫星更小、更灵活，更适合网络化操作和更快的升级周期。
第三，大型星座系统重塑了轨道格局。在本文中，我们区分了作为协调系统运行的卫星星座（即由多个卫星组成的群体）和由数百到数千颗卫星组成的大型星座系统[2]、[3]、[4]。自2021年以来，卫星星座已成为低地球轨道上所有物体的主要组成部分（见图3[1]）。这些系统主要用于通信，利用了低地球轨道的低延迟和高数据吞吐量。以SpaceX的Starlink为例，它计划部署多达42,000颗卫星[5]，远远超过了2024年美国太空跟踪网络（SSN）所跟踪的约37,000个物体[1]。截至2025年5月，已有超过7500颗Starlink卫星在轨[6]。其他公司，包括OneWeb[7]、Kuiper[8]和Qianfan[9]，也在部署规模较小的星座系统，但仍然远远超过了Iridium或Galileo等传统系统的规模（这些系统的卫星数量很少超过100颗）。
这些变化共同形成了需求上升、成本降低和部署加速的反馈循环。然而，它们也带来了严重的可持续性风险。轨道物体数量的增加提高了碰撞和碎片产生的风险。然而，为较慢的国家主导时代设计的现有治理框架在应对当前的商业和运营现实方面显得力不从心。如果没有针对性的改革，推动增长的同样因素可能会侵蚀轨道环境的长期可行性。
在此背景下，本文研究了阻碍太空可持续性治理能力解决新兴风险的障碍。我们提出了一个结合SoS框架和基于知识图谱的分析方法，以识别和分析执法、协调和适应性的关键漏洞。这种综合方法提供了一种系统化和数据驱动的方式，用于研究复杂的治理网络，揭示结构性依赖关系、覆盖范围漏洞以及通过传统定性审查可能看不到的杠杆点。以美国政策结构为典型案例研究，该框架展示了其在生成政策见解方面的潜力。选择美国作为研究对象，是因为其在太空领域的主导地位以及作为其他国家太空政策参考点的角色。
第2节从SoS的角度定义了太空可持续性，并概述了核心挑战。第3节提供了当前治理格局的概览。第4节介绍了知识图谱方法及其相关发现。在此基础上，第5节应用了一个综合的SoS框架来诊断关键治理漏洞，将其组织在SSA–STM–SEP结构下，并说明了Maier的SoS设计原则如何指导潜在的政策方向。最后，第6节讨论了治理改革的意义，并提出了更具适应性和责任感的监管优先事项。
节选内容
太空可持续性作为系统-系统挑战
在本文中，我们采用了联合国外层空间事务委员会（UNOOSA）对太空可持续性的定义，即能够在确保公平获取的同时无限期地进行太空活动并保护外层空间环境，以造福后代[10]。公共机构强调的“太空环境的可持续性”与运营商确保“单个太空资产持续运行”的优先事项之间存在细微差别。
背景：美国的太空可持续性治理
与许多SoS问题类似[31]、[32]，太空可持续性治理可以表示为一个由不同利益相关者组成的多层次互联网络系统（见图4）。在国际层面（L3），联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）和国际宇航联合会（IADC）等机构制定了广泛的法律原则、指南和标准，这些为各国政策制定提供了依据。这些机构借鉴了来自国际电信联盟（ITU）和COSPAR、IAF等非政府组织的意见。
政策结构的知识图谱表示
在本节中，我们通过扩展图4中美国国家层面（L2）的网络中心表示方法，使用基于知识图谱的方法来分析美国太空可持续性政策结构内的互动和依赖关系。这种方法研究复杂互联系统有两个主要优势：首先，它允许通过图论对实体之间的结构关系进行数学和定量评估，使用度数等指标。
诊断和解决政策漏洞
如前文分析所示，第2节“太空可持续性作为系统-系统挑战”和第3节“美国的太空可持续性治理背景”介绍了将太空可持续性治理概念化为一个由国际、国家和运营参与者组成的多层次互联网络的SoS框架，并将其具体应用于美国背景；第4节则应用知识图谱方法来绘制这些关系，揭示了一个无尺度结构。
结论
低地球轨道的日益拥挤是当今太空治理面临的最紧迫挑战之一。本文应用SoS和知识图谱框架对美国的太空可持续性治理进行了分析，指出了三个长期存在的政策漏洞：执法机制薄弱、数据标准分散以及过时的阈值，这些都与现代部署趋势不相符。这些问题并非孤立的政策问题，而是商业动态与治理结构之间更广泛错位的表现。
CRediT作者贡献声明
钱石（Qian Shi）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化。黄寅晨（Yinchien Huang）：撰写——初稿撰写、软件开发。大卫·阿纳斯（David Arnas）：撰写——审阅与编辑、监督。丹尼尔·德劳伦蒂斯（Daniel DeLaurentis）：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
生成式AI声明
在准备本论文的过程中，作者使用了ChatGPT-4o来提高内容的清晰度和简洁性。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
