人造天體動力學與空間環境監測優先發展領域和重要研究方向

人造天體動力學

人造天體是基本天文學的研究對象之一。區別於自然天體，人造天體是指航天活動中發射的各種人造衛星和火箭，以及由於碰撞、解體、遺棄等產生的空間碎片等。伴隨著1957 年蘇聯發射第一顆人造地球衛星，人類正式邁入了航天時代，大量的人造天體被送入太空，成為天文學研究的一個新對象，進而從傳統天體力學中衍生出一個新的分支學科—人造天體動力學。它主要研究人造天體繞中心天體（地球、月球、行星、太陽等）的運動特徵和動力學規律，如衛星動力學模型、軌道編目與識別、軌道確定和預報方法、軌道長期演化規律等。

人造天體動力學是航天工程和空間科學的基礎。因為所有航天活動都是建立在精確掌握航天器運動軌道的基礎上的，尤其是對地觀測和導航等科學應用衛星，還需要研究精密軌道計算方法。在航天活動和空間任務的驅動下，伴隨著觀測手段的豐富和測量精度的提高，人造天體動力學已經成為基本天文學的重要學科之一。

空間碎片監測

空間碎片（spacedebris）是人類航天活動的產物，包括完成任務的火箭箭體和衛星本體、火箭的噴射物、在執行航天任務過程中的拋棄物、空間目標解體以及碰撞產生的碎片等。空間碎片監測通過大批量觀測，以人造天體動力學運動理論為基礎，開展空間碎片跟蹤、搜索和編目技術。為保持航天活動的可持續性，對空間碎片的監測具有重要的基礎性意義。因為長期的航天活動產生了大量的空間碎片，給航天器的發射、返回、在軌運行等造成了不容忽視的影響。在對空間碎片持續監測與編目的基礎上進行碰撞預警，可以保障在軌航天器，特別是載人航天器的安全；而監測大型無控航天器的隕落，可以規避人類社會遭受的潛在風險；為了國際合作的需要，進行空間目標的碰撞和解體分析正是執行空間法的基礎。因此對空間碎片的監測和編目，既是空間大國的使命，同時也是一種重要的國家資源。

近地小行星的監測

小行星屬於太陽系小天體，是圍繞太陽運行的岩石或金屬天體。國際上一般把軌道近日距小於1.3 天文單位的小天體稱為近地天體（小行星和彗星）。

從科學角度看，對小行星的觀測研究，可以為研究太陽系的起源和演化提供重要線索。通過研究小行星的大小分佈、軌道族群分佈、光變曲線和光譜結構，可以深入了解小行星的外部動力學演化和內部物理結構演化等規律。此外，通過觀測小行星的軌道，可以對太陽系的大行星質量進行精確測定，並為歸算和改進黃道、天球赤道等天文參考系提供觀測基礎。

從現實安全看，近地小行星是地球環境和人類社會的一個潛在威脅。近地小行星與地球碰撞，雖是一個低概率事件，但在人類歷史上已多次發生，給地球環境和人類社會造成了極大災難。作為航天大國，應該對近地小行星的威脅給予足夠的關注，參與到近地小行星監測的國際合作中，迅速提升近地小行星探測、研究和預警的能力。建立有效的近地小行星監測預警系統，避免來自太空的威脅成為迫在眉睫的任務。

人造天體動力學的重要研究方向

（一）高層大氣密度模型研究

高層大氣阻力是近地人造天體軌道攝動中的重要因素之一。國外長期開展高層大氣研究，建立了很多著名的大氣密度經驗模型，如Jacchia 系列、DTM系列、MSIS 系列等。而一直以來都是沿用國外的模型，尚沒有建立自己的大氣模型，需要立即開展這項研究。

國外有兩種研究趨勢，一種是以歐洲為代表的DTM 系列模型，力求使用高精度資料和空間環境參數，建立中長期大氣模型；另外一種是以美國、俄羅斯為代表的，利用強大的軌道監測網路，開展高層大氣的短期校準研究，建立短期的大氣模型。這兩類研究工作目前都取得了較好的進展。我們也可以遵循這兩種研究途徑開展工作。重點可以放在建立短期模型上，即根據空間目標與碎片觀測的軌道和編目數據動態改正大氣模型參數，從而提高近地人造天體的軌道預報精度。

（二）地球引力場模型應用研究

地球引力場模型是人造天體動力學中一種重要的模型。一直以來，測繪與地球科學領域致力於研究更精確、更精細的引力場模型。尤其是進入21 世紀以來，多顆重力場研究衛星計劃陸續實施（CHAMP, GRACE, GOCE），給引力場研究帶來了全新的視野。近年來，一些融合了重力場衛星測量數據的引力場模型先後發布，如EIGEN-CHAMP05S、GGM03、EGM2008 等。在人造天體動力學中，應該及時吸收應用這些引力場研究的新成果，探討引力場模型精度對高精度軌道確定和預報的影響，以及與引力場階數相適應的高階傾角函數計算方法；反過來，還應當以人造天體動力學理論為基礎，開展衛星精密測量資料解算地球引力場的工作。

（三）軌道長期演化規律研究

隨著航天活動的持續開展，空間中產生了大量無動力衛星和空間碎片。它們將在地球形狀攝動、大氣阻力、太陽光壓、第三體攝動等複雜力學因素的作用下運動。如何認識這些物體的軌道長期演化規律，是人造天體動力學中的一個基本問題。不僅如此，對於同步軌道這類特殊區域而言，掌握軌道長期演化規律顯得尤為重要。因為該區域內軌道資源稀缺，空間碎片較多，了解碎片的軌道演化有助於掌握該區域的碎片分佈情況。

空間碎片監測的重要研究方向

（一）數據關聯方法研究

現在空間碎片編目的主要設備，是針對空域的觀測設備，設備不能確定觀測數據是什麼目標。因此，衛星編目的主要工作是觀測量的關聯，通過與空間目標的軌道資料庫比較，確定觀測數據屬於哪個目標？關聯率越高，方法越好，但是總有一些數據關聯不上，這些數據稱為UCT，其中包括新發射的目標，也包括空間目標解體形成的空間碎片，我們必須在眾多的UCT 中找出哪些UCT 是屬於同一目標，而後進行軌道計算。這不僅需要短弧初軌計算，更需要建立許多目標關聯的輔助軟體，特別是在空間目標解體時需要特殊的軟體。

（二）衛星與碎片碰撞預警方法研究

為了航天器（特別是載人航天器）的安全，需要研究空間碎片的碰撞預警，以便在可能碰撞時航天器進行機動，避免航天器與空間碎片碰撞。這裡不僅需要研究碰撞預警策略，可能還需要研究精密定軌軟體與之配合，以免出現誤報。

大型空間碎片隕落時可能與地面碰撞，造成對人類的損傷，因此空間碎片的隕落時間和隕落地點的預警，均受到各國的廣泛重視。其主要研究內容是隕落預報的演算法，包括動力學模型和軌道誤差的平滑處理方法等。

（三）光電監測系統的設計

根據能力需求，確定系統軌道關聯的方式，包括確定軌道關聯所需的弧長；根據軌道關聯的弧長，確定系統的望遠鏡數量、望遠鏡的指向、望遠鏡的工作模式（是搜索還是跟蹤），以及各個望遠鏡的觀測分工。根據測軌精度的要求，確定測站的數量。

（四）空間碎片旋轉運動的觀測方法與動力學研究

近年來人們廣泛地認識到，空間碎片的主動碎片清除（ADR）是空間可持續利用的必要措施之一。空間碎片主動清除已經成為國際宇航大會（InternationalAstronautical Conference，IAC）、機構間空間碎片協調委員會（Inter-Agency Space Debris Coordination Committee，IADC）以及空間環境安全方面會議的熱點議題。作為航天大國，在可以預見的將來必然面臨管理與清除本國產生的空間碎片這一問題。

要開展空間碎片的主動清除，一方面需要掌握碎片的準確分佈和軌道信息，另一方面需要明確碎片本身的物理特性，如表面材料、姿態形狀和旋轉特徵等。調研發現，作為ADR 的一項關鍵技術環節，空間碎片旋轉規律的研究在美國、歐洲（ESA）、俄羅斯、日本等國和地區已經啟動。也應儘快啟動相關研究，根據空間碎片的光度測量數據，結合剛體旋轉的理論，掌握空間碎片的旋轉特徵，為碎片的主動清除提供技術支撐。

近地小行星監測的重要研究方向

近地天體監測領域的發展應該遵循基礎設施建設和科學研究並重的發展線路。逐步建設成為既能獨立自主、又能國際合作的近地天體監測預警研究體系，無論是滿足國家的重大需求，還是在面對科學前沿的研究中均有長足的進步。要達成這樣的目的，需要對下述研究方向進行重點培育和支持。

（一）下一代近地天體監測預警網的建設

國際上關於近地天體的監測對象已經從原計劃的1km 以上級別的目標轉向140m 以上的目標，對於這些目標的探測和監測已經超越1m 口徑量級望遠鏡的能力。下一代近地天體監測設備的地基觀測網目標擬建設若干台2.5～4m 口徑的大視場大口徑巡天望遠鏡作為主幹設備，以適應對140m 目標的探測研究。另外目前研究表明50m 量級的近地天體由於數量眾多，地球和人類環境的威脅也不容小覷，採用大口徑、大視場的監測網來實時監測這些目標也尤為重要。與此同時，預警網還需要建成近地天體監測預警數據中心並不斷更新完善，建成監測、評估和預警的軟體體系，並不斷發展。

科學院紫金山天文台從2012 年開始了下一代大視場望遠鏡的預研，並在此基礎上提出了下一代近地天體監測預警網路主幹設備的建設方案，建議新建3 台2.5m 口徑巡天望遠鏡作為監測網主幹設備，組網現有觀測設備，開展近地天體監測預警工作。擬建設的2.5m 口徑巡天望遠鏡的視場為3°直徑，觀測天區面積為7 平方度，在30s 曝光情況下的極限探測星等為V=23mag（S/N>5）；光學設計方案採用了焦比為2.4 的主焦系統，在焦面探測器前設置 3個改正鏡來實現大視場。該巡天望遠鏡的優點有：①通光面積大、雜散光少、系統探測靈敏度高；②實現3°直徑視場內均勻高質量成像和極低的像場畸變；③配備大氣色散補償改正器，實現超寬波段的高像質；④具備強大的巡天能力。綜合像質和巡天能力兩方面的因素，這一望遠鏡建成后將成為國際上最好的中等口徑望遠鏡。

（二）近地天體動力學研究，特別是近地天體危險評估的研究

開展近地天體和地球碰撞威脅的研究，其中最重要的是開展近地天體和地球的碰撞概率的研究，建立近地天體軌道和監測網觀測資料庫，開展線性方法和非線性方法進行碰撞概率的研究。另外結合近地天體的物理性質研究，評估碰撞能量和碰撞危害。

（三）近地天體物理特性的觀測和研究

開展近地天體物理特性的觀測研究，利用光變曲線獲取近地天體的自轉周期、自轉軸指向等基本物理特性；利用大量光變資料建立近地天體的形狀；利用紅外觀測資料和光譜數據建立近地天體表面熱物理模型和表面成分研究。對於近地天體的基本物理性質的研究也可以進一步提高近地天體長期演化和碰撞概率的研究精度。

目前國內現有觀測設備口徑較小，已嚴重落後於國際先進水平。下一代近地天體監測預警網，至少應包括多台2.5～4m 級巡天望遠鏡和多台2m級的高解析度光學望遠鏡，組成有機的觀測網路，開展近地天體的搜索、定軌、編目和預警任務。考慮到近地天體的觀測特點，望遠鏡分佈在南部和西部。巡天望遠鏡用於近地天體的發現，可實現對直徑100m 量級的近地小行星進行完備的觀測；該解析度光學望遠鏡用於小行星的精確定位及物理性質研究，有利於提高近地小行星的定軌精度，了解近地小行星的物理性質，有利於準確進行近地小行星碰撞的危險評估。

本文摘編自科學院著《學科發展戰略·基本天文學》（北京：科學出版社，2016.11）第九章，內容有刪節調整。

ISBN 978-7-03-050670-2

責任編輯：朱萍萍

「學科發展戰略」叢書是科學院組織數百位院士專家聯合研究的系列成果，涉及自然科學各學科領域，是目前規模大的學科發展戰略研究項目。

《學科發展戰略·基本天文學》從以下7個方面介紹了基本天文學及其應用的發展戰略框架、發展舉措與建議：戰略地位、發展規律與發展態勢、發展現狀，發展目標與建議、優先發展領域與重要研究方向、國際合作、保障措施。書中不僅對國內外基本天文學及其應用的發展現狀和態勢進行了詳細的評述，更對未來十年基本天文學及其應用的發展戰略和措施提出了一些重要、有意義的思考和建議。

《學科發展戰略：基本天文學》可供天體測量學、天體力學、時間頻率、相對論基本天文學、曆書天文學、行星內部結構與動力學、天文地球動力學、深空探測與導航、人造天體動力學與空間環境監測、大地測量、地球動力學等專業的科技人員及高等院校有關專業的師生參考。

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