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天體測(cè)量與天體力學(xué)專業(yè)(學(xué)術(shù)型)

天體測(cè)量與天體力學(xué)是精密測(cè)定天體位置和研究天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，它提供人類探測(cè)宇宙最基本的知識(shí)與方法。精確研究天體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)形成與演化,為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是為航天國(guó)防等部門提供最直接的支持,同時(shí)極大地促進(jìn)了數(shù)學(xué)、物理、地球科學(xué)、天文地球動(dòng)力學(xué)以及非線性科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

【衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)研究】

衛(wèi)星激光測(cè)距(Satellite Laser Ranging, SLR)的原理是使用望遠(yuǎn)鏡、短脈沖激光、單光子光電探測(cè)器以及高精度時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備等，來測(cè)量激光脈沖在地面觀測(cè)站到帶激光后向反射器的地球軌道衛(wèi)星之間的飛行時(shí)間(Time of Flight，TOF)，該時(shí)間乘以光速即為被測(cè)衛(wèi)星到地面站的距離。該技術(shù)涉及到光機(jī)電等多個(gè)方面，隨著各個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的日新月異，自從20世紀(jì)六十年代首次實(shí)現(xiàn)激光跟蹤以來，衛(wèi)星軌道距離的測(cè)量精度已得到了顯著提高。現(xiàn)在，最先進(jìn)的激光測(cè)距系統(tǒng)單次測(cè)量精度可達(dá)到3-8mm，等效到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的精度優(yōu)于1mm。高精度的SLR數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于地面站的精確地心位置及其運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星精密定軌、地球重力場(chǎng)的分量及其時(shí)間變化、地球方向參數(shù)(Earth Orientation Parameter, EOP)等科學(xué)的研究。國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)(International Laser Ranging Service,ILRS)收集了全球各衛(wèi)星激光測(cè)距站每日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，故其可提供全球衛(wèi)星激光測(cè)距數(shù)據(jù)及其派生數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以支持大地測(cè)量學(xué)和地球物理學(xué)等方面的研究。云南天文臺(tái)近幾年衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)的質(zhì)量與數(shù)量名列國(guó)際前茅，特別是對(duì)我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位提供很好的數(shù)據(jù)支撐，目前正在向高精度和自動(dòng)化方向發(fā)展，應(yīng)用空間很大。

【空間碎片激光測(cè)距技術(shù)與應(yīng)用】

隨著航天活動(dòng)的不斷增加，空間碎片的數(shù)量越來越多，對(duì)在軌航天器的威脅越來越嚴(yán)重。確定空間碎片的精確位置，可以為在軌目標(biāo)的碰撞預(yù)警分析提供支持。由于空間碎片的增多，在軌目標(biāo)發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，曾經(jīng)發(fā)生過多次在軌目標(biāo)的碰撞事件。為減少在用衛(wèi)星的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，世界強(qiáng)國(guó)均基于目標(biāo)的軌道，做碰撞預(yù)警分析，為此每年均有多次衛(wèi)星機(jī)動(dòng)變軌。碰撞預(yù)警分析的前提是已知在軌目標(biāo)的精確軌道，據(jù)此計(jì)算出碰撞風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，確定在軌目標(biāo)是否采取規(guī)避機(jī)動(dòng)措施。而風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)確定的最重要因素是在軌目標(biāo)的位置信息，位置信息越精確，風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果越可靠。

對(duì)在軌目標(biāo)的激光清除需要精確的位置信息。為保持在軌目標(biāo)安全，世界強(qiáng)國(guó)在研究空間碎片清除技術(shù)，期望將來能夠提供一個(gè)安全的空間環(huán)境。對(duì)空間碎片的清除難度很大，目前認(rèn)為最為可能的方法之一是利用強(qiáng)激光技術(shù)，改變碎片的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，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(yīng)，降低碎片的速度。要產(chǎn)生燒蝕效應(yīng)，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(fā)散角盡可能小，甚至應(yīng)聚焦在碎片上，因此需要精確的目標(biāo)位置信息。

激光測(cè)距技術(shù)是靈敏度高、測(cè)量精度高的一種技術(shù)手段。其探測(cè)靈敏度可以達(dá)到一個(gè)光子。云南天文臺(tái)在空間碎片測(cè)距領(lǐng)域，已經(jīng)能夠做到對(duì)30cm大小的碎片測(cè)量距離到1000km以上，測(cè)距精度優(yōu)于1m。目前正在向更小、更遠(yuǎn)空間碎片激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展。

【月球激光測(cè)距技術(shù)與科學(xué)應(yīng)用】

月球激光測(cè)距是通過精確測(cè)定激光脈沖從地面觀測(cè)站到月面反射器的往返時(shí)間，從而計(jì)算地月距離。地月間激光測(cè)距是一項(xiàng)綜合技術(shù)，它涵蓋激光、光電探測(cè)、自動(dòng)控制、空間軌道等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是目前地月距離測(cè)量精度最高的技術(shù)手段。月球激光測(cè)距觀測(cè)資料對(duì)天文地球動(dòng)力學(xué)、地月系動(dòng)力學(xué)、月球物理學(xué)以及引力理論驗(yàn)證等諸多領(lǐng)域的研究有重要價(jià)值。2018年1月，云南天文臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)月球激光測(cè)距，填補(bǔ)了我國(guó)在月球激光測(cè)距領(lǐng)域的空白，使得我國(guó)成為繼美國(guó)、前蘇聯(lián)、法國(guó)、意大利之后，第五個(gè)實(shí)現(xiàn)月球激光測(cè)距的國(guó)家。該項(xiàng)技術(shù)成果入選“2018年度中國(guó)天文十大科技進(jìn)展”。云南天文臺(tái)為中山大學(xué)研制了一套基于1064nm波長(zhǎng)的月球激光測(cè)距系統(tǒng)，已經(jīng)獲得月面五個(gè)角反射器的全部信號(hào)。目前云南天文臺(tái)正在開展高精度月球激光測(cè)距研究，包含月球激光測(cè)距數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用研究。

【空間目標(biāo)特性研究】

自1957年首顆人造衛(wèi)星上天以來，人類航天活動(dòng)越來越頻繁，現(xiàn)有數(shù)以萬計(jì)的空間目標(biāo)在繞地球運(yùn)行，包括正常衛(wèi)星、失效衛(wèi)星、火箭體以及數(shù)不勝數(shù)的空間碎片，尤其近年來SpaceX公司StarLink等星座計(jì)劃的實(shí)施，太空環(huán)境擁擠不堪，碰撞風(fēng)險(xiǎn)顯著提高，碎片減緩和主動(dòng)清除應(yīng)運(yùn)而生，正在積極推進(jìn)。

空間目標(biāo)特性包括形狀、有效載荷、姿態(tài)等信息，其中姿態(tài)是通過地基觀測(cè)最有可能獲得的特性之一。姿態(tài)對(duì)于碰撞預(yù)警、主動(dòng)清除都至關(guān)重要。對(duì)于碰撞預(yù)警，目標(biāo)的軌道預(yù)報(bào)精度越高，預(yù)警的虛警率和漏警率就越低，預(yù)警的可靠性也就越高。大氣阻力、太陽光壓等表面力與目標(biāo)形狀和姿態(tài)息息相關(guān)，制約了軌道定軌預(yù)報(bào)精度。對(duì)于新近提出的主動(dòng)清除，姿態(tài)也是首要需要關(guān)注的問題之一。此外，姿態(tài)還可以作為輔助信息對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行綜合研判。

光度觀測(cè)是地基光學(xué)觀測(cè)的主要手段之一，只要目標(biāo)可見、亮度足夠、觀測(cè)站天氣良好即可獲得，其與測(cè)站-目標(biāo)-太陽的幾何關(guān)系、目標(biāo)的形狀、目標(biāo)的表面反射特性、目標(biāo)的姿態(tài)相關(guān)。

另外，利用衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)研究目標(biāo)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)也是一個(gè)新興的發(fā)展方向，云南天文臺(tái)利用激光測(cè)距數(shù)據(jù)成功對(duì)某些衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)周期進(jìn)行了測(cè)量，特別是利用超導(dǎo)陣列探測(cè)器技術(shù)對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行了姿態(tài)和自轉(zhuǎn)周期研究，得出了很好的結(jié)果，目前正在進(jìn)一步推進(jìn)該方法的應(yīng)用研究。

關(guān)于空間目標(biāo)姿態(tài)研究，國(guó)際上雖研究開展較早，但仍處于發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)則尚屬起步階段，有很強(qiáng)的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

【天體測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用】

天體測(cè)量學(xué)的主要任務(wù)：1、根據(jù)天文學(xué)研究和相關(guān)學(xué)科發(fā)展需要，測(cè)定天體的位置和運(yùn)動(dòng)，以天體測(cè)量星表的形式建立準(zhǔn)慣性的天球參考架，作為參考基準(zhǔn)用于地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的測(cè)定、地面點(diǎn)的坐標(biāo)及變化的測(cè)定、太陽系天體動(dòng)力學(xué)參考架的建立;2、測(cè)定天文常數(shù)，建立高精度的天文常數(shù)系統(tǒng);3、為相關(guān)學(xué)科提供有用的測(cè)量數(shù)據(jù)，例如提供高精度的太陽系天體位置促進(jìn)太陽系動(dòng)力學(xué)研究;提供不同類型恒星的位置、自行、視差和亮度促進(jìn)銀河系運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究。

GAIA是歐洲空間局提出的第二代天體測(cè)量衛(wèi)星計(jì)劃， GAIA計(jì)劃向日地軌道的拉格朗日點(diǎn)發(fā)射帶有多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的人造衛(wèi)星，用于獲取高精度的地外天體測(cè)量觀測(cè)資料。在2013年12月19日，新一代天體測(cè)量衛(wèi)星 Gaia衛(wèi)星發(fā)射成功，并于2016年9月14日發(fā)表了Gaia Data Release 1(GDR1)星表。最新的數(shù)據(jù)Gaia Data Release 2(GDR2)，成為精度最高的星表。利用GAIA星表的數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究成為天體測(cè)量學(xué)的前沿。

太陽系天體主要包含行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星等，太陽系天體的天體測(cè)量觀測(cè)是天體測(cè)量學(xué)科的一個(gè)重要觀測(cè)研究課題，對(duì)太陽系的起源和演化、小行星以及系外行星的探測(cè)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(cè);5、分析確定恒星星表的系統(tǒng)效應(yīng);6、近地小天體的預(yù)警和防范。

云南天文臺(tái)天體測(cè)量研究歷史悠久，曾經(jīng)參與中國(guó)光電等高儀系統(tǒng)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(huán)、多功能天文經(jīng)緯儀研制，開展垂線偏差的觀測(cè)研究和地震預(yù)報(bào)的應(yīng)用研究;在天體測(cè)量誤差分析、觀測(cè)數(shù)據(jù)處理、歸算等領(lǐng)域有創(chuàng)新研究;開展小行星的高精度觀測(cè)研究和GAIA衛(wèi)星星表的應(yīng)用研究;開展中國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡天體測(cè)量課題的預(yù)研究。

詳情見http://www.ynao.cas.cn/yjsjy/zsxx/202107/t20210719_6142750.html