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地球同步轨道（Geosynchronous Earth Orbit,GEO）卫星因其对地覆盖面广，可全天时对地面实施侦察、通信，具有重要的价值和用途。根据美国战略司令部（USSTRATCOM）发布的数据，目前在轨GEO目标(包括卫星、碎片和火箭体)约1200余颗，每年新发射的GEO卫星约30颗。

GEO目标分布较为密集，赤道带上平均GEO目标密度为每平方度3颗，密集区域甚至达到每平方度5颗。另外，GEO目标运动形式多样，包括在轨运行、轨控机动、退役失效、离轨漂移等。因此，针对GEO卫星监测的相关研究近年来逐渐成为空间态势感知领域的研究热点。

GEO卫星距离地球表面约36000 km，深空雷达虽然可以探测到GEO目标，但是受到作用距离的限制，运行成本较高，地面光学仍是主要手段之一。基于时间序列的测光观测是GEO目标观测中最常用的一种方法。该方法不仅能够估算目标的尺寸和亮度，用于空间目标的识别，还能够监测卫星在轨的健康状态。

此外，该方法还能够估计卫星上太阳能帆板的指向角，并实现GEO卫星光度特征分类。但目前对GEO卫星光度特性分类的研究成果较少。Payne等在2006年开展了GEO卫星光度曲线特征分类研究和太阳能帆板offset估计，将80%的卫星归为典型类和A2100类两类。

Jolley等在2015年将GEO卫星Galaxy 11 (卫星编号：26038,BSS702 C平台)的光度曲线归为Peculiar类，而不是BSS702 C类，并对光度特性分类和平台类型的相关性提出质疑。国内目前对GEO卫星光度特性分类的相关研究较少。Wang等利用他人的研究结果，对将光度曲线应用于卫星平台反演进行了分析。因此，开展GEO卫星光度特性分类和平台的相关性研究能够很好地解释光度曲线的不同变化。

鉴于GEO目标应用广泛、数量众多、密度高、距离远的特点，上海天文台研究团队在2017年年底研制完成了具有超大视场的GEO目标专用观测设备Focus GEO望远镜。基于探测星等和探测目标完备性的考虑，将该望远镜放置在云南天文台丽江观测站。

该望远镜可在15 min内对台站上空约3200平方度的地球同步轨道带完成全覆盖式的扫描观测，对台站上空的GEO目标进行准实时监测。本文利用2017年12月至2019年6月的测光数据，通过对大量GEO目标的光度曲线分析，建立了一种新的基于光度特征的分类系统，将近200个GEO卫星的光度特征归纳为六类，确定了每一类光度曲线的占比，并分析了卫星平台类型和曲线分类的相关性。该分类系统可对台站上空GEO卫星的光度曲线特征分布有直观定量的解释，为光度特性的应用研究提供参考。

Focus GEO望远镜及目标观测

上海天文台研制的Focus GEO望远镜是一套地球同步轨道动态监视光学系统，采用单机架并置三镜筒的结构。望远镜采用定制的超大视场折射式光学镜筒，口径为180 mm，焦距为220 mm。CCD(Charge Coupled Device）相机采用bin2模式，像素阵列为1528 pixel×1528 pixel，单个像素的物理尺寸为24µm，对应的空间比例尺为22.4″·pixel–1，单个镜筒的视场为9.5°×9.5°。在曝光5 s的情况下，该望远镜可探测暗至15星等的GEO目标，观测精度在方位和俯仰方向优于3″。

Focus GEO望远镜采用循环扫描观测模式，观测模式简单可靠，具有极高的观测效能，所得到的高精度准实时观测数据，可弥补双行轨道根数（TLE）在预报精度和时效性上的不足。该望远镜为特殊设计的短焦距超大视场望远镜，且视场中星象十分密集，研制单位开发了专用的望远镜自动观测、资料实时处理、数据传输与管理软件系统，完成GEO目标的识别、天文定位和测光。

据统计2017年12月至2019年6月，Focus GEO望远镜在云南天文台丽江观测站共观测313天，观测目标1266个，其中GEO目标881个，其余为大椭圆目标和地球同步轨道转移轨道目标。GEO目标中除了253个火箭残骸和碎片之外，卫星目标628颗，占71.3%，其中工作卫星197颗，占31.4%，其余均为失效卫星。本文仅对正常工作的197颗GEO卫星的光度曲线特征进行分析，实现曲线分类。

GEO目标光度特征分类

光度曲线反映了卫星亮度随时间或相位角的变化，亮度一般以星等（magnitude）为单位，星等值越小表示亮度越亮。不同形状和类型的卫星光度曲线有所差异。由于Focus GEO采用循环扫描的观测模式，每个目标每晚的观测多则40个点（约15 min扫描一轮），少则不多于10个点，单独一晚的观测曲线无法完整表征目标的光度特征，故采用连续多晚的光度曲线叠加得到完整的光度曲线。因为同一个目标连续多天的光度曲线具有明显的重复性，故叠加得到的光度曲线是可靠的。

因此，本文对这197颗GEO卫星的叠加光度曲线进行分析，通过统计特征建立目标光度特征分类系统，实现卫星光度特征的分类。

分类结果

本文将这197颗GEO卫星的光度特征分为六类，约50.25%的卫星属于典型类，3.05%的目标属于第二典型类，16.75%的目标为BSS类，6.09%的目标为A2100类，20.81%的目标为Ekspress类，其他均为特殊类。可见，约90%的卫星可归为三类：典型类、BSS类和Ekspress类。下面分别给出每一类光度特征的目标示例。

在0°相位角附近亮度最亮。卫星26559、39727、41380等的光度曲线均为典型类。由于不同季节的太阳赤纬角不同，导致卫星的光度曲线存在不同程度的偏移，因此需要修正太阳赤纬角的影响，采用修正角（Equatorial Phase Angle）代替相位角（Phase Angle）作为横坐标，得到修正后的光度曲线。该类光度特征的卫星多为对称结构，天线均匀分布于本体两侧。

该类曲线的典型特征是将亮度峰值后移到修正角更大值处。而这类卫星多为日本卫星，卫星的天线在本体两侧的分布不对称。

卫星27399、28911、29163等的光度曲线均为此类。该类曲线的典型特征是除在相位角0°有亮度峰值外，在左右两侧相位角较大处存在亮度极大值。而这类卫星多为对称结构，除本体两侧的大天线外，在本体对地的面元上也分布着数个小型天线。

卫星27603、32767、39498等的光度曲线均为第四类光度曲线。该类曲线的典型特征是在相位角0°有亮度极小值，在左右两侧相位角较大处存在亮度极大值。而这类卫星的天线在本体两侧的分布不均匀或本体两侧的天线形状不同。

卫星28628、36032、37393等的光度曲线均为第五类光度曲线。该类曲线的典型特征是在第一类的基础上，在100°或者–100°左右存在亮度极小值。而这类卫星的本体或者天线结构多为不对称分布。虽与第一类曲线特征有些相似，但二者在±100°有明显差异。该类曲线的不对称性也可能是因为台站的位置导致观测的相位角覆盖不全引起的，需要进一步观测分析。

卫星28154、29640、33463等的光度曲线均为第六类光度曲线。该类曲线的典型特征是无明显的规律性变化。这类卫星的结构多样，多为不规则形状。

结果比较

2006年Payne等通过对位于美国本土及太平洋地区的36颗GEO卫星的光度特征分析，建立了一种基于光度曲线特征的分类系统，将卫星分为5类，其中近80%的卫星为典型类和A2100类。本文将Payne的光度特征分类方法应用于Focus GEO望远镜台站上空的GEO工作卫星，将目标分为六类。

与Payne的结果比较发现，二者分类结果相似，大多数的目标为典型类。本文将约80%的卫星分为两类：典型类和BSS类，这与Payne分类结果稍有不同。此外，相同类别的GEO目标占比不同，例如典型类和A2100类。本文结果中A2100类目标较少，仅占6.09%，而Payne的结果中A2100类目标占比约30%，这是由于分析的目标样本不同，说明美国太平洋上空分布的GEO目标中该类卫星较多，而中国台站上空该类卫星较少。

此外，本文还发现了两种不同的类别：第二典型类和Ekspress类，但未发现通信星类的目标。本文仅分析了中国丽江观测站上空的GEO卫星，对于不可见目标无法实现分类。后续研究将考虑GEO目标的完备性，实现目标的全覆盖，完善分类结果。

特征分类与卫星平台的相关性

卫星的亮度不仅与卫星与测站的距离、太阳相位角有关，还与卫星自身的形状、尺寸和平台有很大关系。本文对Focus GEO望远镜观测的GEO卫星平台（Bus Type）类型和光度曲线特征分类的相关性进行分析。据统计这197颗GEO卫星的平台[11]共有21类。

首先分析每一类中GEO卫星的光度曲线与平台类型的关系。第一类中三颗卫星26559、23839和41380的平台类型分别为A2100、AS4000、BSS-702 HP，为三种同属于美国的平台；但卫星39237、32779、39234则分别为以色列的AMOS、中国的DFH-3和印度的I-2 K Bus平台。

第二类中的三颗日本卫星29045、29272、35755均为美国的A2100AXS平台，但卫星37150、38332、42747则分别为中国的DFH-4、美国的A2100 X和印度的I-3 K Bus平台。第三类中的卫星25354、27399、29163分别为美国的A2100,BSS-601和法国的Spacebus-3000 A平台，第四类中的卫星27603,39498,41552分别为美国的A2100 AXS、印度的I-2 K Bus和美国的Geo Star-2.3 Bus平台，第五类中的卫星28628、36032、37481分别为欧洲的Eurostar-3000 GM、美国的SSL-1300和A2100 M平台。因此，卫星的平台类型与光度曲线类别无明显的相关性。

但是对于每一类中相同国家同系列卫星，卫星平台则相同或相近。例如第一类中的三颗日本卫星26559(NSAT 110）、32019(BSAT 3 A）、37207(BSAT3 B）均为A2100 A平台；第二类中的三颗日本卫星29045(JCSAT 9）、29272(JCSAT 10）、35755(JCSAT12）均为A2100 AXS平台；第三类中的三颗印度卫星37605(GSAT 8）、38779(GSAT 10）、41028(GSAT15）均为I-3 K Bus平台；第四类中印度卫星39498(GSAT 14）和41793(GSAT 18）分别为I-2 K Bus和I-3 K Bus平台；第五类中的卫星28628(INMARSAT4-F1）和28899(INMARSAT 4-F2）均为Eurostar-3000 GM平台。

利用Focus GEO望远镜2017年12月至2019年6月的测光数据，将国外的光度特征分类方法推广至中国丽江观测站上空的GEO目标，将台站上空正常工作的197颗卫星的光度特征分为六类：典型类、第二典型类、BSS类、A2100类、Ekspress类和特殊类。各类曲线均在特定相位角具有显著特征，且与卫星结构相关。

该结果表明，中国台站上空GEO目标的光度特征具有多样性，且不同类GEO目标的光度特征存在显著差异。因此，可依据卫星的不同亮度变化实现同屏多目标的快速识别，也可将卫星的异常亮度变化与其结构相关联，在GEO目标的识别和监测方面具有重要意义和广泛应用。对特征分类与卫星平台的相关分析初步表明二者不存在明显的相关性，这一结论有待进一步分析。

此外，根据本文分类中发现的不同于国外分类的光度特征，表明两种分类系统均不完备，这主要归因于GEO目标覆盖的不完备性。后续计划将该研究扩展到整个同步轨道带，通过统计特征和聚类方法实现目标的全覆盖和完全分类，建立GEO目标的光度曲线数据库，并开展光度曲线反演空间目标物理特性的研究，进一步分析特征分类与卫星平台的相关性。

《地基光度曲线反演空间目标特征技术研究进展》

《GEO空间碎片光度测量标定方法的研究》

《FocusGEO软件系统的设计与实现》