论文题目
Blocking Geosynchronous Orbits: Analysis of Deployment and Mission Capability
发表期刊
Space: Science and Technology
2025年6月2日
引用格式
Han, H., and Dang, Z., Blocking Geosynchronous Orbits: Analysis of Deployment and Mission Capability, Space: Science and Technology, 2 Jun 2025, Vol 5, Article ID: 0221, DOI: 10.34133/space.0221
内容简介
地球静止轨道（GEO）作为高价值轨道，是通信、气象、导航等关键卫星的主要部署区域，正面临轨道拥塞和安全隐患不断加剧的挑战。随着航天活动的增多，太空交通管制亟需建立系统性的规则与机制，以保障轨道运行秩序与在轨资产安全。在此背景下，区域封锁与反封锁行为逐渐成为影响轨道资源公平使用与任务执行效率的重要因素。尤其是在存在非合作目标接近或干扰的场景下，如何识别潜在威胁、合理规避风险，并保持关键区域的持续可用性，成为空间安全保障的核心议题。因此，对地球静止轨道区域封锁与反封锁策略开展建模与博弈研究，不仅有助于提升轨道空间管控能力，也为未来复杂空间博弈环境中的态势评估与响应决策提供理论支撑[1][2]。
在上述背景下，区域封锁与反封锁行为已成为亟待研究的重要议题。2025年6月2日，韩鸿宇等人发表学术论文，系统探讨了GEO/GSO轨道区域封锁的部署方式与任务能力评估方法。该研究首次引入轨道资源对抗视角，构建封锁任务的可达域分析模型，结合可达域方法与兰伯特转移策略，量化评估封锁方在不同部署参数下的覆盖范围与有效性。
研究指出，由于遥感与通信类目标具备较强的任务冗余能力，其可执行任务区域可覆盖超过100个经度，单个封锁方难以实现全轨道封锁，封锁目的更多在于扰乱目标的最优转移时机。仿真结果显示，圆轨道部署在封锁任务中稳定性最强，偏心率的变化会显著影响在推进能力受限（∆V较小）情形下的封锁效果，尤其在GEO注入点等关键位置。该研究为静止轨道区域对抗行为建模提供了理论支持，并揭示了任务能力、轨道参数与资源约束之间的复杂博弈关系，对未来太空安全管理与策略制定具有重要参考价值。
引言
1 封锁博弈的概念
封锁博弈是轨道博弈[3]的一种。在轨道封锁中，封锁方占据某些“瓶颈点”或“高价值位置”，并试图干扰、降级或拒止被封锁方的太空交通线；被封锁方试图强行使用这些太空交通线来突破封锁，或是尝试使用较差的交通线完成相同的目标来绕过封锁[4]。太空作为一个没有任何国家实际控制但所有国家都依赖的领域，正变得越来越拥挤、有争议、有竞争。确定轨道博弈发生的地点，研究如何进行轨道博弈，何处应部署轨道封锁航天器，以及航天器如何实施轨道封锁，都是需要研究的重要实际问题。
2 封锁博弈与追逃防的区别
轨道封锁博弈和追逃防博弈（尤其是被封锁方选择绕开封锁的那些封锁博弈和逃方不允许机动的那些追逃防博弈）十分相似，如图1所示。轨道封锁和追逃防博弈主要的区别在于其边界条件：轨道封锁中，被封锁方（追逃防博弈中扮演追方的个体）的任务轨道不再是某个确定的卫星或是某一条确定的、稳定的轨道，而是某一片区域，这片区域在轨道力学演化下可以是不稳定的，甚至可以凭空生成或消失。由于轨道封锁问题的边界条件与追逃防博弈有显著的不同，因此其意图和策略会有较为明显的差别，值得被单独划分和讨论。
图1 封锁–反封锁博弈和追逃防博弈的异同
3 封锁博弈的问题描述
由于轨道周期与恒星日相同，GEO和GSO轨道的发射窗口十分广阔，几乎没有轨道力学概念上的窗口期，仅受发射场本身能力的限制。因此，对于GEO/GSO轨道封锁，Klein所指出的“在当前的太空能力下…火箭发射的时刻可以被对手提前获知”[5]这一现象并不存在：如果被封锁方的发射是不公开的，封锁方可用的反应时间很可能短于24小时；而如果对火箭发射进行刻意的掩盖，封锁方实际的反应时间——发射场区开始管路预冷到实际发射的时间——很可能短于2小时。因此，针对GEO/GSO轨道的封锁很可能没有足够多的时间来调整相位，其任务执行率需要被仔细考虑。本文研究致力于设计针对GEO/GSO的封锁轨道，求解对典型太空交通线的封锁方法，得到“制高点/咽喉点”位置。研究的博弈场景基于现实太空环境特点及实际任务要求，契合国家的战略需求和航天领域发展方向，对于维护我国的国家安全和太空战略利益有帮助。
同步轨道卫星需要到达某个区域才能对地面目标实现遥感和支援，这个区域被卫星本身的观测设备和观测角度需求所限制。如图2所示，在当前场景中，被封锁方尝试从地球低轨道转移到同步轨道上的特定区域，干扰我方在此区域的太空行动或是对地球表面某一区域进行服务，封锁方则尝试在逃方到达同步轨道之前阻止它或是迫使被封锁方使用更差的太空交通线、前往更差的区域执行任务，这就构成了一个典型的封锁–反封锁 场景。本章将介绍分析和优化GEO/GSO区域封锁轨道的模型和方法；在两个典型场景下对平面内和平面外区域封锁的任务执行能力和任务执行率进行计算和分析；讨论非霍曼转移、反应时间和变轨时间的影响；讨论当前优化指标、胜利条件和分析方法的局限性。
问题求解方法
1 基于可达域的方法
针对GEO/GSO封锁轨道优化问题，本文分别使用基于可达域的方法和基于兰伯特转移的方法来判断封锁方是否能执行任务。遥感和通讯卫星的有效覆盖能力相当大，可能在和目标点经度相差几十度的情况下继续执行任务；被封锁方可执行任务的范围非常广阔，可能超过100个经度，封锁方不大可能完全覆盖这么大的区域。因此，认为被封锁方的任务能力远大于封锁方，单个封锁方不可能对整片轨道实现完全阻断；封锁方的目的是尽量干扰被封锁方的转移能力。
图3（准确比例）以ECI坐标系表示了一个典型的轨道封锁场景，赤道平面内的被封锁方尝试使用霍曼转移到达同步轨道；封锁方则尝试在被封锁方到达GEO高度之前实现拦截。封锁方部署轨道的优化目标是，对尽量大经度范围内的GTO转移轨道，在24小时内的阻断任务执行率尽量高。为讨论同一封锁方轨道上封锁方不同初始相位对于不同被封锁方目标位置的任务执行率，将被封锁方转移到不同经度的轨离散化为一系列不同的轨道O1，O2，O3，……，Oa（共a个）；将封锁方的一个轨道周期进行离散化为T1，T2，T3，……，Ta（共b个）初始状态。通过对比封锁方在给定的离散化初始位置的可达域和某一个被封锁方轨道是否相交，得到封锁方是否能阻断给定被封锁方任务。需要强调这里的可达域是一个时变的概念，实际用于对比的是一系列时刻的可达域和被封锁方位置。
整个封锁方轨道周期中，对于某给定被封锁方轨道a的可执行拦截时间，与轨道周期之比为任务执行率。具体地，对于某确定的被封锁方轨道j，某一条确定的封锁方部署轨道的任务执行率可用公式描述。
封锁轨道的优化过程，就是在确定封锁方轨道约束的情况下，找到封锁方部署轨道的其他参数，优化变量为偏心率、升交点赤经、近地点辐角、倾角；半长轴固定为同步轨道的半长轴，真近点角不是优化变量——需要考虑到不同时刻的任务执行率。
图4 基于可达域的封锁轨道优化方法
图4展示了上述的封锁方封锁轨道优化方法。其核心是构建给定时刻的封锁方可达域，将可达域与被封锁方轨道依次对比，以判断被封锁方是否有被封锁方拦截的可能。随后带入不同的封锁方初始相位并重复这一过程，将各个相位下的任务执行能力进行评估，得到与初始轨道根数相关的代价函数；随后将这个代价函数带入优化算法，以得到最优的封锁轨道。
2 典型仿真结果
下图展现了一个典型的GSO封锁场景（准确比例），逃跑者可以在LEO滑行不同的时间，进而在到达同步轨道高度时处于不同的位置。在阻断某一个点或少数几个点的情况下，上图所表示的基于可达域的方法仍然适用但效率低下：判断点是否在一个三维图形内需要相当大的计算量，而计算点在二维图形内会快许多；基于兰伯特问题的封锁优化方法如下图所示，其主要思路是计算各个相位下封锁方的拦截ΔV需求并按时间整理、排序，以此得到给定任务执行率下所需的ΔV，随后重复这一过程，以封锁者所需ΔV为指标优化封锁轨道。
图5 典型的GEO轨道封锁示意图
主要发现
对GEO轨道的封锁仿真表明，代价函数在偏心率为零的时候最大，因为圆轨道的封锁能力最为稳定。在相当一段区间内，代价函数随偏心率的下降并不明显：当∆V 充足(≥400m/s)时，无论封锁方处于什么相位，它都能在给定时间内到达GEO轨道。而当∆V 不多时，大偏心率会显著地影响任务执行效果，因为封锁方无法在被封锁方最慢最脆弱的时候——也就是在GEO注入点附近的时候——实现阻断。换言之，∆V 较少的封锁方若部署在大偏心率轨道上，则相当于放弃了对自己最有利的窗口，而∆V 较多的封锁方则不存在这个问题。
图6 典型GEO封锁的任务执行率
对GSO轨道的封锁仿真表明，相比于部署一个100%MCR的封锁方于GEO 轨道，将两颗50% MCR的封锁方或是三颗33% MCR的封锁方部署在一条类似于准天顶轨道的轨道上可以显著地减小其∆V需求，在提高鲁棒性的同时不用占据宝贵的同步轨道资源。因此，本文建议同时使用多颗（≥3）封锁卫星同时执行GSO区域封锁任务。
图7 地球同步轨道（GSO）封锁场景
图8 33%MCR的最优部署
参考文献
[1].Colin SG. Another Bloody Century: Future Warfare [M]. Weidenfeld and Nicolson, 2005.
[2].Dolman EC. Astropolitik: Classical geopolitics in the space age [M]. Frank Cass, 2002.
[3].赵力冉,党朝辉,张育林.空间轨道博弈:概念,原理与方法[J].指挥与控制学报, 2021, 7(3):10.
[4].Klein JJ. Fight for the final frontier: irregular warfare in space [M]. Naval Institute Press, 2023.
[5].Klein JJ. Space warfare: strategy, principles, and policy [M]. London, Routledge, 2006.
END