中科院云南天文台天体测量与天体力学专业与研究方向简介

专业介绍来源：中科院云南天文台 2021-09-03　相关院校：中科院云南天文台

天体测量与天体力学专业(学术型)

天体测量与天体力学是精密测定天体位置和研究天体运动规律的学科，它提供人类探测宇宙最基本的知识与方法。精确研究天体系统动力学形成与演化,为社会经济发展，特别是为航天国防等部门提供最直接的支持,同时极大地促进了数学、物理、地球科学、天文地球动力学以及非线性科学等相关学科的发展。

【卫星激光测距技术研究】

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)的原理是使用望远镜、短脉冲激光、单光子光电探测器以及高精度时间间隔测量设备等，来测量激光脉冲在地面观测站到带激光后向反射器的地球轨道卫星之间的飞行时间(Time of Flight，TOF)，该时间乘以光速即为被测卫星到地面站的距离。该技术涉及到光机电等多个方面，随着各个领域技术的日新月异，自从20世纪六十年代首次实现激光跟踪以来，卫星轨道距离的测量精度已得到了显着提高。现在，最先进的激光测距系统单次测量精度可达到3-8mm，等效到标准点的精度优于1mm。高精度的SLR数据，可应用于地面站的精确地心位置及其运动、卫星精密定轨、地球重力场的分量及其时间变化、地球方向参数(Earth Orientation Parameter, EOP)等科学的研究。国际激光测距服务(International Laser Ranging Service,ILRS)收集了全球各卫星激光测距站每日的观测数据，故其可提供全球卫星激光测距数据及其派生数据产品，以支持大地测量学和地球物理学等方面的研究。云南天文台近几年卫星激光测距技术飞速发展，数据的质量与数量名列国际前茅，特别是对我国北斗导航卫星定位提供很好的数据支撑，目前正在向高精度和自动化方向发展，应用空间很大。

【空间碎片激光测距技术与应用】

随着航天活动的不断增加，空间碎片的数量越来越多，对在轨航天器的威胁越来越严重。确定空间碎片的精确位置，可以为在轨目标的碰撞预警分析提供支持。由于空间碎片的增多，在轨目标发生碰撞的风险明显增加，曾经发生过多次在轨目标的碰撞事件。为减少在用卫星的碰撞风险，世界强国均基于目标的轨道，做碰撞预警分析，为此每年均有多次卫星机动变轨。碰撞预警分析的前提是已知在轨目标的精确轨道，据此计算出碰撞风险参数，确定在轨目标是否采取规避机动措施。而风险参数确定的最重要因素是在轨目标的位置信息，位置信息越精确，风险分析的结果越可靠。

对在轨目标的激光清除需要精确的位置信息。为保持在轨目标安全，世界强国在研究空间碎片清除技术，期望将来能够提供一个安全的空间环境。对空间碎片的清除难度很大，目前认为最为可能的方法之一是利用强激光技术，改变碎片的运动参数，使之逐渐降低轨道高度坠落到大气层烧毁。激光清除碎片的主要原理是利用激光的烧蚀效应，降低碎片的速度。要产生烧蚀效应，必须尽可能提高激光照射到碎片上的功率密度，需要激光的发散角尽可能小，甚至应聚焦在碎片上，因此需要精确的目标位置信息。

激光测距技术是灵敏度高、测量精度高的一种技术手段。其探测灵敏度可以达到一个光子。云南天文台在空间碎片测距领域，已经能够做到对30cm大小的碎片测量距离到1000km以上，测距精度优于1m。目前正在向更小、更远空间碎片激光测距技术发展。

【月球激光测距技术与科学应用】

月球激光测距是通过精确测定激光脉冲从地面观测站到月面反射器的往返时间，从而计算地月距离。地月间激光测距是一项综合技术，它涵盖激光、光电探测、自动控制、空间轨道等多个学科领域，是目前地月距离测量精度最高的技术手段。月球激光测距观测资料对天文地球动力学、地月系动力学、月球物理学以及引力理论验证等诸多领域的研究有重要价值。2018年1月，云南天文台成功实现月球激光测距，填补了我国在月球激光测距领域的空白，使得我国成为继美国、前苏联、法国、意大利之后，第五个实现月球激光测距的国家。该项技术成果入选“2018年度中国天文十大科技进展”。云南天文台为中山大学研制了一套基于1064nm波长的月球激光测距系统，已经获得月面五个角反射器的全部信号。目前云南天文台正在开展高精度月球激光测距研究，包含月球激光测距数据的科学应用研究。

【空间目标特性研究】

自1957年首颗人造卫星上天以来，人类航天活动越来越频繁，现有数以万计的空间目标在绕地球运行，包括正常卫星、失效卫星、火箭体以及数不胜数的空间碎片，尤其近年来SpaceX公司StarLink等星座计划的实施，太空环境拥挤不堪，碰撞风险显著提高，碎片减缓和主动清除应运而生，正在积极推进。

空间目标特性包括形状、有效载荷、姿态等信息，其中姿态是通过地基观测最有可能获得的特性之一。姿态对于碰撞预警、主动清除都至关重要。对于碰撞预警，目标的轨道预报精度越高，预警的虚警率和漏警率就越低，预警的可靠性也就越高。大气阻力、太阳光压等表面力与目标形状和姿态息息相关，制约了轨道定轨预报精度。对于新近提出的主动清除，姿态也是首要需要关注的问题之一。此外，姿态还可以作为辅助信息对卫星进行综合研判。

光度观测是地基光学观测的主要手段之一，只要目标可见、亮度足够、观测站天气良好即可获得，其与测站-目标-太阳的几何关系、目标的形状、目标的表面反射特性、目标的姿态相关。

另外，利用卫星激光测距技术研究目标旋转姿态也是一个新兴的发展方向，云南天文台利用激光测距数据成功对某些卫星的自转周期进行了测量，特别是利用超导阵列探测器技术对非合作目标进行了姿态和自转周期研究，得出了很好的结果，目前正在进一步推进该方法的应用研究。

关于空间目标姿态研究，国际上虽研究开展较早，但仍处于发展阶段，国内则尚属起步阶段，有很强的发展空间和应用前景。

【天体测量技术与应用】

天体测量学的主要任务：1、根据天文学研究和相关学科发展需要，测定天体的位置和运动，以天体测量星表的形式建立准惯性的天球参考架，作为参考基准用于地球自转参数的测定、地面点的坐标及变化的测定、太阳系天体动力学参考架的建立;2、测定天文常数，建立高精度的天文常数系统;3、为相关学科提供有用的测量数据，例如提供高精度的太阳系天体位置促进太阳系动力学研究;提供不同类型恒星的位置、自行、视差和亮度促进银河系运动学和动力学研究。

GAIA是欧洲空间局提出的第二代天体测量卫星计划， GAIA计划向日地轨道的拉格朗日点发射带有多台望远镜的人造卫星，用于获取高精度的地外天体测量观测资料。在2013年12月19日，新一代天体测量卫星 Gaia卫星发射成功，并于2016年9月14日发表了Gaia Data Release 1(GDR1)星表。最新的数据Gaia Data Release 2(GDR2)，成为精度最高的星表。利用GAIA星表的数据开展相关研究成为天体测量学的前沿。

太阳系天体主要包含行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星等，太阳系天体的天体测量观测是天体测量学科的一个重要观测研究课题，对太阳系的起源和演化、小行星以及系外行星的探测研究有重要意义：1、能够改善轨道理论，提高历表精度;2、行星物理研究;3、太阳系的起源、形成和演化;4、深空探测;5、分析确定恒星星表的系统效应;6、近地小天体的预警和防范。

云南天文台天体测量研究历史悠久，曾经参与中国光电等高仪系统的等高总星表(GCPA)的编制。参与完成中星仪、二型光电等高仪(昆明)，主持完成低纬子午环、多功能天文经纬仪研制，开展垂线偏差的观测研究和地震预报的应用研究;在天体测量误差分析、观测数据处理、归算等领域有创新研究;开展小行星的高精度观测研究和GAIA卫星星表的应用研究;开展中国空间望远镜天体测量课题的预研究。

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