随着人类航天活动的不断增加，空间碎片的数目持续上升。空间碎片环境有恶化趋势。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)2018年5月发布的公开编目空间目标数目约19 000个，而且空间碎片数目相比于2017年增加了约1 000个，这些目标的尺寸一般大于10 cm，其中只有约6%为各类工作卫星^[1]。美国TLE编目库中空间目标的70%位于LEO(Low Earth Orbit)轨道区域^[2]空间目标由工作卫星和碎片组成，空间目标的持续增多，增大了卫星遭遇空间碎片碰撞风险^[2-8]。对空间目标(卫星和碎片)的监测、编目是目前空间态势感知的最重要任务。

图 1给出了近地空间(地面到地球同步轨道)目标分布密度。可以看出，在LEO轨道区域，空间目标密度最大，另外GEO(geosynchronous earth orbit)轨道区域和部署导航卫星星座的MEO(medium earth orbit)轨道空间目标密度也很高。这说明近地空间，无论是LEO、MEO还是GEO区域，都含有相当数量的空间碎片。

空间目标持续增多，增大了人造卫星遭遇空间碎片碰撞的风险。为保护人类空间资产，需加大对空间目标的观测能力^{[9, 10]}。对于LEO目标而言，光学和雷达观测是两种最重要的观测手段。光学观测可以得到空间目标相对于望远镜的赤经(right ascension)、赤纬(declination)或者高度角(elevation)、方位角(azimuth)信息。采用雷达技术进行观测，不仅可以得到角度信息，还可以得到空间目标相对于观测站的距离信息，距离信息对提高定轨精度有非常大的帮助。雷达观测方式较为敏感，光学设备的使用相对灵活，而且采用光学望远镜的手段成本要显著低于雷达，光学手段是一种重要的空间目标观测方式^{[11, 12]}。但是光学观测容易受到气象条件的影响，一般只能在晴朗的夜晚才能观测到。因此并不是每天都有观测数据。

中国科学院国家天文台长春人卫站在2017年建立起了8个小望远镜，这些望远镜组成了一个“迷你光电阵”，目前已连续运行超过一年的时间。本文利用其2017年9月份的4 d的观测数据，结合TLE目标编目库，对该光电阵的观测能力进行初步分析，并对其观测到的目标的轨道特性进行了详细分析。

1 数据和方法 1.1 长春人卫站光电阵介绍

长春人卫站光电阵由8台口径为15 cm、焦距15 cm的光学望远镜组成，每台望远镜各配置1台分辨率为3K×3K的CCD。此外还配置8台图像处理计算机，1台GPS时钟，电控系统，图像采集与处理系统等组成。光电阵监视天区高达1 590平方度，主要观测0.5~1 m的空间碎片，观测精度优于9角秒。该设备主要用于空间碎片的观测和研究工作：①空间碎片的精密定位，对0.5~1 m的空间碎片进行搜索、跟踪和编目，为我国的卫星和航天器提供预警报告；②该系统具备光电阵的部分观测能力，能起到与其他光电观测设备协同观测的作用，提高空间碎片编目的连续性

1.2 观测数据的目标识别

为了检验观测数据的识别正确率，需要先将观测数据和TLE目标进行匹配，检测当前观测数据的质量以及为后续的研究提供参考。目前，TLE数据是公开的规模最大的空间目标编目库。配合采用SGP4/SDP4模型可以计算出空间碎片的轨道预报结果^[13]。在网上(www.space-track.org)下载观测数据前后一天的TLE文件，可根据轨道高度做初步判断，筛选出其中的LEO目标。然后，遍历TLE数据和观测弧段，对两者进行匹配测试。具体而言，将所有的TLE数据预报至当前弧段的观测值对应的时刻，并根据光电阵的位置计算出该目标相对于测站的观测值。一般一个弧段含有十几个时刻的观测数据，每个时刻计算一组观测值。然后利用计算得到的观测值和实际观测值进行求差比对，得到每个时刻的赤经和赤纬的差异。然后根据设定的阈值判断该观测弧段是否来自该TLE目标。通过对TLE文件和观测弧段遍历的方式，最终可对比完成所有的观测弧段。

采用武汉大学测绘学院的空间目标轨道信息处理平台^{[14, 15]}, 本文利用2017年9月1日~5日的观测数据(其中9月4日没有观测数据)，对该光电阵的观测能力进行了初步分析。每天的观测弧段数目如表 1所示，这几天总的观测弧段数目为14 099，平均每天可得到3 525个观测弧段。这几天的观测数据初步反映了光电阵的观测能力，即一个良好的晴夜每台望远镜可观测到平均约156个目标的450个弧段。对这些观测弧段的弧长进行统计，弧长和对应的观测弧段的数目的关系如图 2所示。

2 观测能力分析 2.1 观测目标数量和尺寸

将这几天的观测数据利用2017年8月31日到9月6日的TLE数据文件进行一一匹配。最终结果如表 1所示。

表 1中识别出目标的弧段数，指的是和TLE目标匹配成功的观测弧段数目，这个数据可以在一定程度上反映光电阵的观测能力。表 1显示，平均每天的观测弧段中有2 923个弧段(平均占比为83.64%)可以识别出来，即这些观测数据与编目库中的目标相关。表 1的最后一列目标数目，指的是这些识别出的弧段来自于多少个空间目标。根据表 1，每天平均有1 242个空间目标被观测到。由于这些目标中大部分每天都可以观测，在统计数据中存在重复观测的目标被多次计数，实际上这几天观测到的所有目标的总数为1 879，即有约66%(1 242/1 879)的目标是每天都可观测到的，平均每个目标可被观测7.5次。利用TLE数据，可以对1 879个目标的轨道信息进行分析。其轨道近地点高度、偏心率、倾角和升交点赤经的分布如图 3所示。

由图 3可以看出，研究时间段内观测到的目标的近地点高度主要分布在500 km~2 000 km，仅有少量的几个目标的近地点高度大于3 000 km；并且这些目标基本都是近圆轨道，偏心率小于0.01的占到了总数的82.38%(1 538/1 879)，小于0.05的比例为94.89%(1 782/1 878)。另外，从轨道倾角的角度看，这些目标在80°左右和100°左右分布较为集中，这和TLE编目库中目标的分布基本一致。

针对这几天观测到的目标的观测弧段数目进行统计，即每个目标在这几天被观测到了几次。取观测次数1~15次的目标作为样本进行分析。统计数据如表 2所示。

根据NORAD ID可以在www.space-track.org网站获得每个目标的轨道信息及大概的RCS信息，观测弧段数目为15的11个目标的信息如表 3所示。

这些目标基本都是人造卫星，来自前苏联、美国和中国等国家，这从一个侧面反映出空间目标的尺寸越大越容易被观测到。这些观测次数较多的目标的倾角基本在52~87°之间，分布较为一致，只有一个倾角较大，达到了100.44°。从轨道高度来看, 轨道近地点高度平均约为1 139.6 km; 轨道远地点高度平均约为1 183 km。这些目标的周期平均值为108.7 min，这些都是典型的LEO目标。最后利用TLE数据计算了观测时刻，空间目标和测站之间的几何距离，结果显示两者之间的距离在400~4 500 km之间，但是大部分小于2 000 km。若有可靠的空间目标的尺寸信息，可对不同观测距离的目标的星等做出合理的估计。

2.2 观测数据几何结构

光电阵获得的角度观测数据来自空间目标轨道周期的很小一部分，由于弧长非常短(40%的弧段小于30 s)，可以提供的信息非常有限，这些信息可通过观测数据的几何结构反映出来。观测值的变化率和弧长共同反映了观测数据的几何结构，而且观测数据的几何结构对后续的初轨确定等数据处理影响重大。此处利用20180905的观测数据，分析了观测数据变率和弧长之间的关系，试图对光电阵观测数据的几何结构进行初步分析。20180905的2 396个观测弧段的观测值变化率(赤经和赤纬的综合变化率)和弧长的分布如图 4所示。

根据图 4可知，观测值变化率在0.05°/s ~ 1.4°/s之间，均值约为0.30°/s，其中大部分的变化率小于0.6°/s。观测值变化率小于0.2°/s、0.5°/s和1.0°/s的比例分别为23.4%、91.7%和99.82%。随着弧长的增大，观测值变化率的最大值逐渐减小，而且观测弧段数目也在减少。

图 5展示的是弧长和赤经变化率的分布。赤经的变化率在0附近呈现近似高斯分布的对称分布，其均值和标准差分别为-0.05°/s和0.31(°/s)²。观测值变化率小于0.2°/s、0.5°/s和1.0°/s的比例分别为32.55%、92.53%和99.82%。结合弧长信息可知，观测目标在赤经方向的变化比赤纬方向变化率大，该方向的几何结构相对较好。

3 结束语

长春人卫站光电阵观测设备主要用于空间碎片的观测和研究工作。本文对其4 d的观测数据共14 099个观测弧段，借助于TLE编目库进行了分析。结果显示，该光电阵平均每天可观测3 525个弧段，约1 252个空间目标。然后对这些空间目标的轨道分布特性进行了分析，结果显示空间目标和光电阵之间的距离在400 km~4 500 km之间，其中大部分小于2 000 km。分析结果表明，该光电阵具有非常优异的空间目标观测能力，若其他地区可建立性能接近或者优于该设备的光电阵，并且该设备若能够和其他的光电观测设备协同观测，可缩短空间目标的编目更新周期，甚至扩大空间目标编目库。下一步将对观测数据进行包括初始轨道确定在内的全方位的数据处理研究。