馮思亮，喻志桐，胡馨然，田坤黌，李 彬，杜 菲，宋政吉，尚海濱，劉志敏

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；3.中國科學(xué)院 紫金山天文臺，南京 210023；4.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

引 言

近地小行星（Near Earth Asteroid，NEA）指近日點半徑小于1.3 AU的小行星，其有機(jī)會進(jìn)入地球軌道4 500萬km之內(nèi)，存在撞擊地球的風(fēng)險。提前發(fā)現(xiàn)并預(yù)警小行星是防范化解近地小行星撞擊風(fēng)險的前提條件，因此開展近地小行星監(jiān)測預(yù)警尤為重要。

截至2023年2月28日統(tǒng)計①近地天體研究中心（CNEOS）網(wǎng)站https://cneos.jpl.nasa.gov/。，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了31 361顆近地小行星，其中直徑超過140 m的有10 400顆，超過1 km的有853顆。目前，地基光學(xué)系統(tǒng)是搜索發(fā)現(xiàn)小行星的主力裝備，搜索發(fā)現(xiàn)了超98%的已編目小行星。但地基望遠(yuǎn)鏡易受大氣、天氣等因素影響，只能在晴朗的夜晚進(jìn)行觀測，導(dǎo)致其觀測時間短，且無法對來自太陽方向的小行星進(jìn)行預(yù)警。

天基系統(tǒng)不受大氣影響，具備全天時、全天候的優(yōu)勢，通過優(yōu)化觀測手段和軌位等，可有效彌補(bǔ)地基系統(tǒng)的固有監(jiān)測盲區(qū)，是未來重要的發(fā)展方向[1]。日地拉格朗日L1點（簡稱日地 L1點），位于日地連線距離地球150 × 104km處，是太陽–地球的引力平動點。在日地L1點部署天基觀測望遠(yuǎn)鏡，具有器–地–日位置關(guān)系相對固定等特點，是開展近地小行星監(jiān)測預(yù)警任務(wù)的理想觀測點位之一[2]。美國提出的近地天體勘測者太空望遠(yuǎn)鏡（NEO Surveyor）計劃于2028 年發(fā)射到日地L1點，目標(biāo)在5 年時間完成編目超過2/3的直徑140 m級近地小行星[3]。

為充分發(fā)揮天基和地基的觀測優(yōu)勢，利用不同軌位與站址的天基、地基望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行組網(wǎng)協(xié)同觀測，一方面可有效提升系統(tǒng)的觀測效能，是開展高效聯(lián)合監(jiān)測作業(yè)的基礎(chǔ)；另一方面，通過時間和空間協(xié)同的接力觀測可提高系統(tǒng)的預(yù)警能力，并且針對迫近小行星探索值守預(yù)警新模式。整體來說開展天地協(xié)同觀測具有重要意義。

中國提出未來將建設(shè)天地一體化協(xié)同監(jiān)測預(yù)警體系，其中構(gòu)建“可視天區(qū)互補(bǔ)、分時協(xié)同編目、短臨發(fā)現(xiàn)告警、廣域巡天普查”的天基監(jiān)測網(wǎng)，具有與地基監(jiān)測網(wǎng)高效聯(lián)合作業(yè)能力[4]。目前已開展了天地協(xié)同觀測的相關(guān)研究，但針對效能評估的研究總體來說仍處于起步階段，尚未形成系統(tǒng)的效能評估方法和工具手段。

本文結(jié)合光度和信噪比計算構(gòu)建了近地小行星觀測模型，在日地L1點軌道觀測條件分析基礎(chǔ)上設(shè)計并提出了觀測系統(tǒng)方案；進(jìn)一步圍繞觀測和預(yù)警效能，從極限觀測距離、編目完備率、預(yù)警時間、相對預(yù)警天區(qū)、預(yù)警可用性等方面提出了系統(tǒng)效能評估方法；最后仿真分析了日地L1點軌道的可見光、紅外觀測系統(tǒng)，以及與地基系統(tǒng)開展協(xié)同觀測時的效能，計算分析了日地L1點觀測系統(tǒng)的預(yù)警效能并提出了協(xié)同預(yù)警的設(shè)計構(gòu)想。

1 近地小行星觀測模型

1.1 光度模型

視星等指觀測者看到或者通過電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）得到的星體亮度，主要由小行星絕對星等、小行星與望遠(yuǎn)鏡的距離和兩者之間的相位關(guān)系決定，太陽、望遠(yuǎn)鏡和小行星之間的相位如圖1所示。

圖1 太陽、望遠(yuǎn)鏡和小行星之間的相位關(guān)系Fig.1 Phase relationship among the sun，telescope and asteroid

視星等模型選用較為簡單且廣泛使用的雙參數(shù)（H，G）星等模型，即

其中：V為小行星的視星等；H為小行星的絕對星等；Φ1、Φ2為相位函數(shù)；r和 ?分別為小行星的日心距和地心距，單位為AU；α為太陽–小行星–望遠(yuǎn)鏡三者形成的夾角為太陽相位角，單位為rad；G為斜率參數(shù)，與光被小行星表面上的粒子散射的方式有關(guān)，取假設(shè)值為0.15[5]。利用上述模型即可計算不同方位和距離，可觀測到的近地小行星直徑與視星等的關(guān)系。

太陽系中小行星的絕對星等是在日心距、地心距為1 AU，且太陽相位角為0°時的歸算星等，由小行星的直徑和反照率決定為

其中：D為小行星直徑；H為絕對星等；pv為反照率，文中取pv=0.15[6]。

1.2 信噪比計算模型

可見光和紅外觀測技術(shù)是近地小行星天基觀測系統(tǒng)最主要的方法。信噪比是決定目標(biāo)能否被成功識別的一個重要因素[7]，其含義為望遠(yuǎn)鏡接收到的目標(biāo)信號與噪聲信號的比值。

1.2.1 可見光系統(tǒng)信號和噪聲

對可見光系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡接收到的信號為

其中：Aeff為望遠(yuǎn)鏡有效口徑；qe為量子效率；τoptics為光學(xué)透過率；η為像元能量集中度；Ne為目標(biāo)在入瞳處的光子流量

其中：N0為0等太陽光譜恒星帶內(nèi)的光子流量，取5.79×1010ph/s/m2[8]；Vm為近地小行星的視星等，可通過式（1）計算得到。

CCD 傳感器在對空間目標(biāo)探測時，噪聲主要來源有探測背景噪聲、光子噪聲、探測器固有噪聲等。探測器包括暗電流和讀出固有噪聲，這些噪聲數(shù)據(jù)可根據(jù)CCD探測器產(chǎn)品手冊上提供的參數(shù)得到。探測背景噪聲主要是星空輻射為主的深空背景。對于可見光譜段，主要背景為黃道塵埃散射的太陽光輻射，取值為22 Mv/角秒方[9]。

1.2.2 紅外系統(tǒng)信號和噪聲

紅外系統(tǒng)的信號計算公式在入瞳處的光子流量Ne與可見光系統(tǒng)不同，Ne為

其中：ε為近地小行星目標(biāo)的發(fā)射率，取0.8[10]；L(λ,T)為普朗克公式計算的目標(biāo)光譜輻亮度；T取典型值300 K，積分后即為寬帶輻射亮度；Ar為小行星面積；dr·o為望遠(yuǎn)鏡與小行星之間的距離；/hc為光子能力的倒數(shù)。

紅外視場主要由深空輻射造成的深空背景和進(jìn)入紅外相機(jī)的散雜光組成。本文主要考慮探測背景噪聲，對于紅外光譜段，主要背景為黃道塵埃的自身輻射NZ，計算方式為

?的計算公式為

其中：F為望遠(yuǎn)鏡的焦距。

Zod的計算公式為Bλ(T)ZF

其中：為溫度T時的普朗克公式；由視軸與黃軸的位置決定，巡天模式時對大部分天區(qū)進(jìn)行觀測，參考詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）取1.2[11]。

1.2.3 系統(tǒng)信噪比

根據(jù)上述可見光和紅外觀測系統(tǒng)的信號和噪聲模型，分別代入望遠(yuǎn)鏡接收到的目標(biāo)信號和噪聲信號即可得到對應(yīng)系統(tǒng)的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）模型

其中：RSNR為信噪比；NT為望遠(yuǎn)鏡接收到的物體信號；NZ為望遠(yuǎn)鏡接收到的黃道背景光信號；σD為望遠(yuǎn)鏡的暗電流噪聲信號；σR為望遠(yuǎn)鏡的讀出噪聲信號。對于天基可見光和紅外觀測，為實現(xiàn)空間目標(biāo)的有效探測，系統(tǒng)的信噪比應(yīng)滿足信噪比閾值判據(jù)，本文選取閾值參考值為5[12]。

2 日地L1點軌道觀測系統(tǒng)方案

2.1 天基監(jiān)測有利觀測條件分析

在日地L1點部署望遠(yuǎn)鏡開展小行星天基觀測，在觀測區(qū)域、時間、手段等方面相比于地基望遠(yuǎn)鏡，具有一定的優(yōu)勢。

1）觀測區(qū)域，可接近全天區(qū)觀測?？紤]必要的太陽抑制角影響，在日地L1點部署光學(xué)望遠(yuǎn)鏡如考慮覆蓋地基觀測部分，其極限可視天區(qū)（約35 211.6平方度）超過全天球（41 252.96平方度）的85%，并對來自太陽方向的小行星監(jiān)測以及提前預(yù)警具有得天獨厚的優(yōu)勢。

2）觀測時間，可實現(xiàn)全天時觀測。由于不受晝夜影響，可連續(xù)24 h開展全天時的巡天觀測，能夠?qū)μ囟繕?biāo)進(jìn)行較長時間的連續(xù)跟蹤觀測；

3）觀測手段，可完善全譜段觀測。由于沒有大氣散射等影響，在可見光譜段基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步選擇部署運(yùn)行紅外望遠(yuǎn)鏡，獲取小行星的尺寸、反射率、熱物理等詳細(xì)特性信息，完善小行星觀測手段。

2.2 日地L1點觀測系統(tǒng)優(yōu)勢分析

日地L1點天基觀測系統(tǒng)是開展首次監(jiān)測預(yù)警試驗的優(yōu)勢方案之一，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）工程實現(xiàn)性較好。日地L1點測控距離較短，信號空間損失基本不受影響，同時熱流密度變化較小，便于熱控設(shè)計，同時可充分繼承“嫦娥五號”工程日地L1點拓展任務(wù)實施經(jīng)驗，總體來說工程實現(xiàn)性較好。

2）相對位置穩(wěn)定。日地L1點與地球、太陽三者位置相對穩(wěn)定，有利于紅外空間望遠(yuǎn)鏡工程實施，對太陽一側(cè)采用遮陽屏遮擋太陽輻射，能夠?qū)崿F(xiàn)望遠(yuǎn)鏡被動制冷，便于開展固定點位值守；同時開展天地聯(lián)合觀測時的基線比較穩(wěn)定，便于與地基設(shè)備統(tǒng)籌規(guī)劃天區(qū)掃描策略，能夠與地基觀測天區(qū)范圍、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)類型形成互補(bǔ)，大幅提高巡天效能。

3）軌道C3能量小。由于日地L1點離地球相對位置較近，在拓展應(yīng)用時候可以便捷實現(xiàn)拓展至環(huán)地的遠(yuǎn)距大幅逆行軌道（Distant Retrograde Orbit，DRO）、地球領(lǐng)航/拖尾等其它軌道試驗。

2.3 可視天區(qū)與掃描策略

近地小行星可見性受到望遠(yuǎn)鏡視場的約束，設(shè)計望遠(yuǎn)鏡的瞬時觀測視場為矩形，望遠(yuǎn)鏡瞬時觀測視場如圖2所示。每個瞬時觀測視場即是一個觀測掃描基本單位，通過設(shè)置觀測時間、掃描方向，便可確定掃描策略。根據(jù)基本單位對望遠(yuǎn)鏡的可視天區(qū)進(jìn)行劃分，設(shè)計每個單位之間的掃描順序，以實現(xiàn)對整個可視天區(qū)的掃描。由于日地L1點位于地球軌道內(nèi)側(cè)，天基望遠(yuǎn)鏡瞬時觀測設(shè)計為視場中心沿地球軌道指向兩側(cè)（黃緯為0°～360°，黃經(jīng)為45°～135°），視場為9平方度（3° ×3°），視場內(nèi)停留時長為60 s（觀測積分時間40 s，調(diào)姿20 s），系統(tǒng)觀測與掃描方式如圖3所示。望遠(yuǎn)鏡將采用此種掃描方式，在可視天區(qū)上可與地基背對太陽觀測方向形成互補(bǔ)，以便開展分區(qū)域、分時域的天地協(xié)同監(jiān)測預(yù)警。

圖2 望遠(yuǎn)鏡的瞬時觀測視場Fig.2 Instantaneous observation field of view of a telescope

圖3 日地L1點系統(tǒng)觀測與掃描方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of observation and scanning methods for solar terrestrial L1 point system

以此為基礎(chǔ)，在地心天球坐標(biāo)系利用望遠(yuǎn)鏡對天區(qū)（赤經(jīng)0°～360°，赤緯–45°～90°）進(jìn)行掃描觀測，望遠(yuǎn)鏡的視場為9平方度（3° × 3°），視場內(nèi)停留時長210 s。望遠(yuǎn)鏡將在夜晚進(jìn)行觀測，并保證視線高于水平面一定角度。

3 效能評估方法

3.1 觀測效能評估方法

3.1.1 極限觀測距離

以地球為中心，利用信噪比閾值計算不同光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡對地球周圍不同等效直徑小行星的極限觀測距離。

3.1.2 編目完備率

以觀測系統(tǒng)的系統(tǒng)信噪比為參考，利用視場和信噪比可見性等約束，通過計算仿真觀測期間，系統(tǒng)有效編目的小行星數(shù)量在數(shù)據(jù)庫中的總數(shù)占比即編目完備率，其中設(shè)置間隔15 min～2 h內(nèi)到同一個目標(biāo)進(jìn)行4次視場內(nèi)掃描可形成一個觀測軌跡，在此基礎(chǔ)上間隔1～30 d形成4次觀測軌跡為有效編目的統(tǒng)計依據(jù)。天基和地基系統(tǒng)計算仿真庫中小行星的可見性流程如圖4所示，其中地基系統(tǒng)的流程略微復(fù)雜，還需要在計算特定時刻幾何關(guān)系上特別考慮太陽位置矢量等因素。

圖4 天、地基系統(tǒng)觀測仿真流程Fig.4 Observation and simulation process of sky and ground systems

3.2 預(yù)警效能評估方法

在小行星接近地球的過程中，根據(jù)其與地球的距離，主要將觀測系統(tǒng)的任務(wù)場景劃分3個：當(dāng)小行星距離較遠(yuǎn)時望遠(yuǎn)鏡以發(fā)現(xiàn)編目場景為主，當(dāng)其飛行至距離地球較近時將轉(zhuǎn)換至威脅預(yù)警場景，倘若小行星進(jìn)一步接近地球并進(jìn)入地球一定距離內(nèi)（本文設(shè)置預(yù)警距離為1 000萬km）將轉(zhuǎn)換為短臨預(yù)報場景。

3.2.1 預(yù)警時間

計算望遠(yuǎn)鏡對小行星進(jìn)入預(yù)警距離時開始，到這顆小行星撞擊地球結(jié)束的長度為預(yù)警時間，其中參考國際成功預(yù)警的小行星撞擊事件，保守按照20 km/s估算小行星接近地球的相對運(yùn)行速度。

3.2.2 相對預(yù)警天區(qū)

針對預(yù)警模式，預(yù)警過程對于小行星的有效觀測次數(shù)與編目依據(jù)不同，其在最少2次視場內(nèi)掃描觀測到小行星形成觀測軌跡外，還需完成觀測天區(qū)的一次重訪（形成2次觀測軌跡）以精確定軌。計算望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在其自身規(guī)劃的掃描策略下（2次視場內(nèi)掃描），在預(yù)警時間內(nèi)能夠完成一次重訪的天區(qū)大小為相對預(yù)警天區(qū)。

3.2.3 預(yù)警可用性

不同天基和地基望遠(yuǎn)鏡在觀測的時間和區(qū)域上也各有側(cè)重，預(yù)警可用性主要計算望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的可用觀測時間和區(qū)域，用以表征預(yù)警效能。

4 效能仿真分析

4.1 仿真參數(shù)

統(tǒng)一假設(shè)望遠(yuǎn)鏡入軌日期為2021-01-01，運(yùn)行壽命1年，以MPC中獲取的2 072顆危地小行星的星歷和絕對星等為數(shù)據(jù)庫，庫中小行星直徑的分布范圍為0.136～5.668 km，整體占比如圖5所示，在進(jìn)行仿真計算時，設(shè)置小行星的反照率為0.15，溫度為300 K，根據(jù)圖4的仿真流程對小行星監(jiān)測進(jìn)行模擬仿真。

圖5 危地小行星數(shù)據(jù)庫直徑分布占比Fig.5 Proportion of diameter distribution in the database of hazardous asteroids

這些高危小行星的軌道參數(shù)分布，其半長軸與軌道傾角、偏心率的分布如圖6所示?？梢钥吹礁呶Ｐ⌒行侵饕悇e為Atens和Apollos類型，即這些高危近地小行星軌道會穿越地球軌道。

圖6 危地小行星軌道分布Fig.6 Orbital distribution of hazardous asteroids

仿真運(yùn)行于日地L1點法向幅值為10萬 km的Halo軌道可見光、紅外系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的效能，并加入一臺地基觀測站仿真天地協(xié)同觀測時的效能，仿真時望遠(yuǎn)鏡性能參數(shù)如表1所示。

表1 望遠(yuǎn)鏡性能參數(shù)Table 1 Telescope performance parameters

4.2 觀測效能評估

4.2.1 極限觀測距離

由于日地L1點在太陽系尺度距離地球較近，在計算信噪比閾值為5的極限觀測距離時，天基與地基可見光系統(tǒng)的結(jié)果較為接近。本文重點針對分別部署于日地L1點的紅外和可見光望遠(yuǎn)鏡的極限觀測距離進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示，其中白色區(qū)域是望遠(yuǎn)鏡對太陽的規(guī)避角（90°）。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，相比于可見光觀測系統(tǒng)，紅外觀測系統(tǒng)對于直徑為140 m的小行星具有更遠(yuǎn)的觀測距離。

圖7 系統(tǒng)極限觀測距離對比Fig.7 Comparison of system limit observation distances

4.2.2 編目完備率

本文分別計算仿真了日地L1點可見光、紅外觀測系統(tǒng)與地基觀測站的編目完備率，并針對協(xié)同后的系統(tǒng)整體編目完備率進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖8所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，綠色平面內(nèi)日地L1點紅外和可見光系統(tǒng)編目完備率分別為49.4%和38.2%，說明部署于日地L1點2種光學(xué)系統(tǒng)均能較好地針對危地小行星開展觀測，并且在相同口徑下紅外系統(tǒng)的觀測效率優(yōu)于可見光系統(tǒng)。進(jìn)一步通過觀察橙色和藍(lán)色平面內(nèi)的曲線，可以看出紅外與可見光觀測系統(tǒng)分別與地基觀測站協(xié)同觀測后，系統(tǒng)整體的效能均有明顯提升，其中紅外系統(tǒng)協(xié)同觀測后編目完備率為58.9%，為協(xié)同前的1.19倍；可見光系統(tǒng)協(xié)同觀測后編目完備率為50.6%，為協(xié)同前的1.35倍。

圖8 系統(tǒng)編目完備率曲線對比Fig.8 Comparison of system cataloging completion rate curves

4.3 預(yù)警效能評估

4.3.1 預(yù)警時間

設(shè)置日地L1點光學(xué)系統(tǒng)絕對星等為22時，則系統(tǒng)觀測能力為50 m級小行星@5 357萬km。針對1 000萬km預(yù)警距離，以小行星20 km/s的保守相對運(yùn)行速度計算，日地L1點光學(xué)系統(tǒng)可提前5.787 d對直徑50 m以上的迫近小行星實現(xiàn)預(yù)警，因此可提供大于5 d的預(yù)警時間，可為專兼用設(shè)備對目標(biāo)小行星開展加密跟蹤、預(yù)報撞擊區(qū)域等信息提供相對充足的時間支持。

為充分發(fā)揮效能，設(shè)計面向威脅預(yù)警場景的系統(tǒng)封邊監(jiān)測預(yù)警模式，從而擴(kuò)大預(yù)警時間要求內(nèi)可值守的天區(qū)。封邊監(jiān)測預(yù)警模式設(shè)定一個球殼區(qū)域，設(shè)置距離地球1 000萬km為封邊探測內(nèi)邊界，1 864萬km為外邊界（864萬km為5 d時間20 km/s小行星運(yùn)行距離）。當(dāng)小行星穿越球殼被重訪發(fā)現(xiàn)時，即可實現(xiàn)1 000萬km外預(yù)警，封邊監(jiān)測預(yù)警模式示意圖如圖9所示。此外，若將預(yù)警距離拓展至球殼外邊界，計算L1點觀測系統(tǒng)在5 d預(yù)警時間內(nèi)，可預(yù)警目標(biāo)的最大相對運(yùn)行速度將增至43 km/s。

圖9 封邊監(jiān)測預(yù)警模式示意圖Fig.9 Schematic diagram of edge monitoring and warning mode

4.3.2 相對預(yù)警天區(qū)

根據(jù)望遠(yuǎn)鏡自身所規(guī)劃的掃描策略，計算5.787 d預(yù)警時間內(nèi)實現(xiàn)2次視場內(nèi)掃描的相對預(yù)警天區(qū)大約為18 750平方度（其中瞬時視場9平方度，停留時長為60 s）。

卡特琳娜巡天系統(tǒng)（Catalina Sky Survey）根據(jù)其自身掃描策略每晚約能觀測1 000平方度（其視場為5平方度，積分時間30～60 s，形成完整的軌線需要3次掃描）。

針對預(yù)警任務(wù)將兩個觀測系統(tǒng)進(jìn)行對比，如果都按照5.787 d的預(yù)警時間估算，日地L1點觀測系統(tǒng)在一定預(yù)警時間可掃描實現(xiàn)較大天區(qū)預(yù)警，具有一定優(yōu)勢。

4.3.3 預(yù)警可用性

預(yù)警時間可用性方面，天基觀測系統(tǒng)不受大氣等影響，可用觀測時間基本可按24 h計算，同時日地L1點觀測系統(tǒng)部署于穩(wěn)定的太陽平動點，因此開展預(yù)警任務(wù)的工作時間可連續(xù)不間斷，相較于環(huán)繞日地組網(wǎng)巡視望遠(yuǎn)鏡來說具有一定優(yōu)勢；

預(yù)警空間可用性方面，計算望遠(yuǎn)鏡極限可視天區(qū)的球面度約為29 170平方度，約占4 π全天球的70.7%。此外，日地L1點望遠(yuǎn)鏡通過調(diào)相即可兼顧地球軌道前后的預(yù)警空間，相較于地球公轉(zhuǎn)軌道固定值守點位望遠(yuǎn)鏡來說具有一定優(yōu)勢。

進(jìn)一步考慮天地協(xié)同觀測后提升系統(tǒng)的觀測和預(yù)警效能，提出了協(xié)同觀測的設(shè)計構(gòu)想，平面示意如圖10所示。在日常巡天監(jiān)測編目時，日地L1點部署光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可與地基設(shè)備開展區(qū)域分工協(xié)同觀測，由地基設(shè)備負(fù)責(zé)觀測相位角±（135°～180°）天區(qū)，天基則將太陽一側(cè)天區(qū)作為優(yōu)勢監(jiān)測天區(qū)進(jìn)行觀測，主要負(fù)責(zé)±（45°～135°）天區(qū)，以此確保可監(jiān)測預(yù)警太陽方向來襲的小行星，并且具備協(xié)同接力監(jiān)測預(yù)警小行星的能力；對于同一天區(qū)開展應(yīng)急監(jiān)測或威脅預(yù)警等時，可與地基設(shè)備開展時域分工協(xié)同觀測，由地基設(shè)備在日落后至次日日出前的約20點至次日凌晨4點時間段進(jìn)行觀測，由天基設(shè)備于4—20點進(jìn)行觀測。

圖10 日地L1點軌道望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測平面示意圖Fig.10 Schematic diagram of collaborative observation plane of L1 point orbit telescope between the Sun and Earth

5 結(jié) 論

本文通過構(gòu)建近地小行星觀測模型，基于日地L1點軌道設(shè)計提出了天基觀測系統(tǒng)方案，結(jié)合所提出的效能評估方法，對小行星的天地協(xié)同觀測效能進(jìn)行評估研究，對危地小行星庫開展了仿真分析，由日地L1點紅外、可見光觀測系統(tǒng)的極限觀測距離對比可知，紅外觀測系統(tǒng)具有更遠(yuǎn)的觀測距離。通過對比加入地基觀測站協(xié)同前后的系統(tǒng)編目完備率，發(fā)現(xiàn)紅外系統(tǒng)的編目完備率由49.4%提升至58.9%，可見光系統(tǒng)的編目完備率由38.2%提升至50.6%，分別是協(xié)同前的1.19倍和1.35倍，說明協(xié)同觀測能夠有效提升系統(tǒng)的觀測效能。計算系統(tǒng)的預(yù)警時間和相對預(yù)警天區(qū)為5.787 d和18 750平方度，可較好滿足預(yù)警任務(wù)需求。通過設(shè)計封邊監(jiān)測預(yù)警模式，使得系統(tǒng)可在1 000萬 km外實現(xiàn)迫近小行星發(fā)現(xiàn)告警。進(jìn)一步從預(yù)警可用性層面分析設(shè)計了區(qū)域和時域分工的設(shè)計構(gòu)想，有望進(jìn)一步提升系統(tǒng)的觀測和預(yù)警效能。

本文所提出的效能評估方法可適用于其它不同軌位的天基觀測系統(tǒng)，為后續(xù)監(jiān)測預(yù)警體系的系統(tǒng)性發(fā)展提供參考。但是，考慮計算資源限制和模型選取等因素，對紅外、可見光觀測系統(tǒng)的信噪比模型以及天基和地基觀測系統(tǒng)的掃描策略都進(jìn)行了大量簡化，仿真結(jié)果與實際觀測必然存在一定差異。下一步可從上述2個方面細(xì)化完善觀測模型和策略，同時通過增加仿真觀測時間或開展大樣本模擬數(shù)據(jù)仿真提升評估的可信度，為進(jìn)一步提升效能提供更多參考。