中科院云南天文臺天體測量與天體力學專業與研究方向簡介

專業介紹來源：中科院云南天文臺 2021-09-03　相關院校：中科院云南天文臺

天體測量與天體力學專業(學術型)

天體測量與天體力學是精密測定天體位置和研究天體運動規律的學科，它提供人類探測宇宙最基本的知識與方法。精確研究天體系統動力學形成與演化,為社會經濟發展，特別是為航天國防等部門提供最直接的支持,同時極大地促進了數學、物理、地球科學、天文地球動力學以及非線性科學等相關學科的發展。

【衛星激光測距技術研究】

衛星激光測距(Satellite Laser Ranging, SLR)的原理是使用望遠鏡、短脈沖激光、單光子光電探測器以及高精度時間間隔測量設備等，來測量激光脈沖在地面觀測站到帶激光后向反射器的地球軌道衛星之間的飛行時間(Time of Flight，TOF)，該時間乘以光速即為被測衛星到地面站的距離。該技術涉及到光機電等多個方面，隨著各個領域技術的日新月異，自從20世紀六十年代首次實現激光跟蹤以來，衛星軌道距離的測量精度已得到了顯著提高。現在，最先進的激光測距系統單次測量精度可達到3-8mm，等效到標準點的精度優于1mm。高精度的SLR數據，可應用于地面站的精確地心位置及其運動、衛星精密定軌、地球重力場的分量及其時間變化、地球方向參數(Earth Orientation Parameter, EOP)等科學的研究。國際激光測距服務(International Laser Ranging Service,ILRS)收集了全球各衛星激光測距站每日的觀測數據，故其可提供全球衛星激光測距數據及其派生數據產品，以支持大地測量學和地球物理學等方面的研究。云南天文臺近幾年衛星激光測距技術飛速發展，數據的質量與數量名列國際前茅，特別是對我國北斗導航衛星定位提供很好的數據支撐，目前正在向高精度和自動化方向發展，應用空間很大。

【空間碎片激光測距技術與應用】

隨著航天活動的不斷增加，空間碎片的數量越來越多，對在軌航天器的威脅越來越嚴重。確定空間碎片的精確位置，可以為在軌目標的碰撞預警分析提供支持。由于空間碎片的增多，在軌目標發生碰撞的風險明顯增加，曾經發生過多次在軌目標的碰撞事件。為減少在用衛星的碰撞風險，世界強國均基于目標的軌道，做碰撞預警分析，為此每年均有多次衛星機動變軌。碰撞預警分析的前提是已知在軌目標的精確軌道，據此計算出碰撞風險參數，確定在軌目標是否采取規避機動措施。而風險參數確定的最重要因素是在軌目標的位置信息，位置信息越精確，風險分析的結果越可靠。

對在軌目標的激光清除需要精確的位置信息。為保持在軌目標安全，世界強國在研究空間碎片清除技術，期望將來能夠提供一個安全的空間環境。對空間碎片的清除難度很大，目前認為最為可能的方法之一是利用強激光技術，改變碎片的運動參數，使之逐漸降低軌道高度墜落到大氣層燒毀。激光清除碎片的主要原理是利用激光的燒蝕效應，降低碎片的速度。要產生燒蝕效應，必須盡可能提高激光照射到碎片上的功率密度，需要激光的發散角盡可能小，甚至應聚焦在碎片上，因此需要精確的目標位置信息。

激光測距技術是靈敏度高、測量精度高的一種技術手段。其探測靈敏度可以達到一個光子。云南天文臺在空間碎片測距領域，已經能夠做到對30cm大小的碎片測量距離到1000km以上，測距精度優于1m。目前正在向更小、更遠空間碎片激光測距技術發展。

【月球激光測距技術與科學應用】

月球激光測距是通過精確測定激光脈沖從地面觀測站到月面反射器的往返時間，從而計算地月距離。地月間激光測距是一項綜合技術，它涵蓋激光、光電探測、自動控制、空間軌道等多個學科領域，是目前地月距離測量精度最高的技術手段。月球激光測距觀測資料對天文地球動力學、地月系動力學、月球物理學以及引力理論驗證等諸多領域的研究有重要價值。2018年1月，云南天文臺成功實現月球激光測距，填補了我國在月球激光測距領域的空白，使得我國成為繼美國、前蘇聯、法國、意大利之后，第五個實現月球激光測距的國家。該項技術成果入選“2018年度中國天文十大科技進展”。云南天文臺為中山大學研制了一套基于1064nm波長的月球激光測距系統，已經獲得月面五個角反射器的全部信號。目前云南天文臺正在開展高精度月球激光測距研究，包含月球激光測距數據的科學應用研究。

【空間目標特性研究】

自1957年首顆人造衛星上天以來，人類航天活動越來越頻繁，現有數以萬計的空間目標在繞地球運行，包括正常衛星、失效衛星、火箭體以及數不勝數的空間碎片，尤其近年來SpaceX公司StarLink等星座計劃的實施，太空環境擁擠不堪，碰撞風險顯著提高，碎片減緩和主動清除應運而生，正在積極推進。

空間目標特性包括形狀、有效載荷、姿態等信息，其中姿態是通過地基觀測最有可能獲得的特性之一。姿態對于碰撞預警、主動清除都至關重要。對于碰撞預警，目標的軌道預報精度越高，預警的虛警率和漏警率就越低，預警的可靠性也就越高。大氣阻力、太陽光壓等表面力與目標形狀和姿態息息相關，制約了軌道定軌預報精度。對于新近提出的主動清除，姿態也是首要需要關注的問題之一。此外，姿態還可以作為輔助信息對衛星進行綜合研判。

光度觀測是地基光學觀測的主要手段之一，只要目標可見、亮度足夠、觀測站天氣良好即可獲得，其與測站-目標-太陽的幾何關系、目標的形狀、目標的表面反射特性、目標的姿態相關。

另外，利用衛星激光測距技術研究目標旋轉姿態也是一個新興的發展方向，云南天文臺利用激光測距數據成功對某些衛星的自轉周期進行了測量，特別是利用超導陣列探測器技術對非合作目標進行了姿態和自轉周期研究，得出了很好的結果，目前正在進一步推進該方法的應用研究。

關于空間目標姿態研究，國際上雖研究開展較早，但仍處于發展階段，國內則尚屬起步階段，有很強的發展空間和應用前景。

【天體測量技術與應用】

天體測量學的主要任務：1、根據天文學研究和相關學科發展需要，測定天體的位置和運動，以天體測量星表的形式建立準慣性的天球參考架，作為參考基準用于地球自轉參數的測定、地面點的坐標及變化的測定、太陽系天體動力學參考架的建立;2、測定天文常數，建立高精度的天文常數系統;3、為相關學科提供有用的測量數據，例如提供高精度的太陽系天體位置促進太陽系動力學研究;提供不同類型恒星的位置、自行、視差和亮度促進銀河系運動學和動力學研究。

GAIA是歐洲空間局提出的第二代天體測量衛星計劃， GAIA計劃向日地軌道的拉格朗日點發射帶有多臺望遠鏡的人造衛星，用于獲取高精度的地外天體測量觀測資料。在2013年12月19日，新一代天體測量衛星 Gaia衛星發射成功，并于2016年9月14日發表了Gaia Data Release 1(GDR1)星表。最新的數據Gaia Data Release 2(GDR2)，成為精度最高的星表。利用GAIA星表的數據開展相關研究成為天體測量學的前沿。

太陽系天體主要包含行星及其衛星、矮行星、小行星、彗星等，太陽系天體的天體測量觀測是天體測量學科的一個重要觀測研究課題，對太陽系的起源和演化、小行星以及系外行星的探測研究有重要意義：1、能夠改善軌道理論，提高歷表精度;2、行星物理研究;3、太陽系的起源、形成和演化;4、深空探測;5、分析確定恒星星表的系統效應;6、近地小天體的預警和防范。

云南天文臺天體測量研究歷史悠久，曾經參與中國光電等高儀系統的等高總星表(GCPA)的編制。參與完成中星儀、二型光電等高儀(昆明)，主持完成低緯子午環、多功能天文經緯儀研制，開展垂線偏差的觀測研究和地震預報的應用研究;在天體測量誤差分析、觀測數據處理、歸算等領域有創新研究;開展小行星的高精度觀測研究和GAIA衛星星表的應用研究;開展中國空間望遠鏡天體測量課題的預研究。

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