航天專家告訴你真實的「天宮一號」墜落去向
導讀：
天宮一號目標預計在2018年上半年隕落。對此，國外一些媒體對天宮一號進行炒作，即天宮一號「威脅論」，稱其已經失控並將撞向地球。
《科學通報》於2017年第24期發表「天宮一號飛行器失效後激光測距實驗分析」一文，在天宮一號即將隕落的最後時期，各有關單位本著充分利用、挖掘潛力的原則，繼續開展相關的科學實驗，而且天宮一號目標運行狀態一直在嚴密的跟蹤測量之中，將最終按照指令隕落在指定海域，不會對人類活動造成危害。
天宮一號空間目標飛行器是中國首個空間實驗室，於2011年9月29日在酒泉衛星發射中心發射。它實際上也是中國空間站的雛型，運行期間先後與神舟八號、九號和十號飛船完成空間交會對接，多位航天員曾進入天宮一號工作和生活並開展空間科學實驗。該飛行器已於2016年3月正式終止了數據服務，成為空間軌道上的「空間碎片」。
天宮一號所處的軌道空間，高度約400 km，是天宮二號航天器、國際空間站等載人航天器以及一系列對地測量衛星運行的重要區域。空間碎片嚴重威脅著有效衛星和航天器的運行安全，對於失效後的天宮一號目標，我國採取了兩方面應對措施: 一是加強了該目標的地面監測和預警; 二是在飛行器軌道壽命末期，使天宮一號主動離軌，重返大氣層燒毀。
天宮一號空間目標飛行器質量為8500 kg、全長10.4 m、最大直徑為3.35 m、有效橫截面積為34.87m2。軌道周期約90 min, 目標星等約1.3，肉眼可見。天宮一號體積龐大且軌道較低，它在自由運行狀態下，軌道衰減非常明顯。
例如:2016年3月20日，天宮一號目標近地點高度為378590.3 m，遠地點高度為399500.1 m，而到了2017年8月20日，近地點高度為313514.9 m，遠地點高度為340253.4 m。也就是說在過去的一年半的時間內，以平均每天大約110 m的速度迅速下降。空間目標的臨界高度為120 km，也就是說當軌道降低到約120 km時，空間目標才會隕落。可以看出，如果僅僅依靠自然衰減隕落，存在碰撞危險的周期太長了，只有自主離軌才是最高效的清除方法。
要想對空間目標準確控制，就必須對空間目標進行嚴密的跟蹤和精確定位。目前對空間碎片的監測和跟蹤主要採用地基的光學望遠鏡和雷達。
雷達設備一般兼有對彈道導彈的預警任務，所以數據是非開放的。光學設備觀測技術成熟，運行費用相對較低，適合長期的常規觀測，例如中國科學院國家天文台長春人造衛星觀測站某光學望遠鏡在天宮一號目標發射和數次空間交會對接過程中一直參與跟蹤定位和碰撞預警任務。空間目標只要有足夠的星等，即可被光學設備跟蹤定位，光學資料比較豐富，然而光學定軌精度不高，一般在百米的量級。
衛星激光測距(satellite laser ranging，SLR)是目前空間目標觀測手段中精度最高的一種，測量精度可達厘米量級。
近年來，空間碎片激光測距技術在許多國家得到迅速發展。2002年10月，澳大利亞的Greene在報告中稱位於堪培拉的Stromlo激光測距站已實現對1250 km、大小為15 cm的空間碎片進行測距。2011年奧地利Graz激光測距站和法國Grasse激光測月站先後獲得空間碎片的激光測距有效數據。作為空間大國，為了滿足載人航天安全和可持續利用空間資源的要求，中國也在不斷發展空間碎片跟蹤監測的新技術和新方法。2008年上海天文台佘山觀測站(衛星激光測距系統編號: 7821)利用高功率的Nd:YAG測距試驗系統，開始空間碎片的激光跟蹤和測距試驗，並獲得了火箭殘骸的漫反射激光測距數據。隨後，2010年雲南天文台也獲得了數十圈的空間碎片激光測距數據。2013年末國家天文台長春站(衛星激光測距系統編號: 7237)完成了空間碎片激光測距系統的安裝與調試，2014年初開始獲得空間碎片的激光測距數據。
衛星激光測距是通過測量激光信號從地面站到空間目標的往返時間，獲得空間目標距離信息的技術。
衛星激光測距系統在跟蹤目標的同時，發射激光並接收回波信號。接收的光信號一部分用於成像跟蹤目標，一部分提供給單光子雪崩二極體(C-SPAD)，用於確定回波時間。為了保證觀測精度同時減小空間背景雜訊的影響，C-SPAD要求門控信號和有效光子的間隔大於50 ns，這要求軌道預報必須有足夠的精度。否則即使在視場內發現目標，在調整距離門的過程中，沒有收到回波信號目標已經丟失。天宮一號目標的軌道低、角速度快、過境時間短，如果軌道預報不精確，成功探測的幾率將會大大降低。
長春人造衛星觀測站60cm衛星激光測距望遠鏡
在天宮一號即將隕落的最後時期，各有關單位本著充分利用、挖掘潛力的原則，繼續開展相關的科學實驗。從2016年3月開始, 國家天文台長春站(7237)和上海天文台佘山站(7821)以及紫金山天文台空間碎片觀測與研究中心對天宮一號空間目標成功進行了聯合激光測距。激光測距精密定軌可以使目標的定軌精度得到顯著提高，內符合精度可以達到10 cm，外符合精度約50 m，這對於空間目標的軌道預報和碰撞預警具有重要意義。
目前，天宮二號空間實驗室已經取代了天宮一號的位置，最終我國還要建立真正意義上的空間站。衛星激光測距技術不僅為天宮一號的自主隕落提供高精度的數據支持還能為天宮二號的安全運行提供強有力的技術支撐。
原文發表於《科學通報》2017年第24期
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