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近地天体防御模拟推演分析与启示李海涛，辛晓生（北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）摘 要：防范近地天体撞击、加强近地天体防御科学研究与技术验证和演习演练已成为国际社会高度关注的课题。系统梳理了国际上已组织开展的历次近地天体防御模拟推演，重点对代表性较强的2019年和2021年国际近地天体防御模拟推演进行了概要介绍，对比分析了2次推演的参演单位、场景假定、推演流程和结果，并结合这2次推演对涉及近地天体防御的监测预警、撞击风险评估和在轨处置等各相关力量的组织流程和关键能力进行了初步讨论，提出了对中国加强近地天体防御工作、组织开展天体防御模拟推演的启示及思路建议。关键词：近地天体防御；模拟推演；启示中图分类号：P185.7；TP3 文献标识码：A 文章编号：2096-9287（2023）04-0443-10DOI:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230059引用格式：李海涛，辛晓生.近地天体防御模拟推演分析与启示J.深空探测学报（中英文），2023，10（4）：443-452.Reference format:LI H T，XIN X S.Analysis of and inspiration from planetary defense exercisesJ.Journal ofDeep Space Exploration，2023，10（4）：443-452.引言近年来，多颗近地天体以小于地月距离，甚至小于地球同步轨道高度的距离飞掠地球。2013年2月俄罗斯车里雅宾斯克地区发生小行星坠入地球大气层导致空爆事件，造成了大量人员伤害和财产损失1。类似的火流星事件在中国云南、吉林等地也多次发生。近地小行星防御已受到世界各国的广泛高度关注2-3。美国空军早在2008年举办了“未来演习2009”桌面演习项目4，首次针对近地天体撞击防御开展针对性模拟推演，旨在提升美国军方及政府部门、研究机构对近地天体撞击事件的重视，明确各方职责范围，识别应对能力短板。之后，美国国家航空航天局（NationalAeronautics and Space Administration，NASA）与美国联邦应急管理局（Federal Emergency ManagementAgency，FEMA）联合于20132016年先后组织了3次模拟推演，推演侧重于演练近地天体撞击灾害公共信息传播、突发事件应对和灾后救援等方面5。自2015年起，依托两年一次的国际行星防御大会（PlanetaryDefense Conference，PDC），在NASA下属行星防御协调办公室（Planetary Defense Coordination Office，PDCO）指导下，由喷气推进实验室（Jet PropulsionLaboratory，JPL）近地天体研究中心（Center for NearEarth Object Studies，CNEOS）和联合国外层空间事务厅（United Nations Office for Outer Space Affairs，UNOOSA）国际小行星预警网（International AsteroidWarning Network，IAWN）联合牵头，常态化组织开展国际近地天体防御模拟推演，迄今举办了5期。该系列推演旨在全面演练和评估近地天体防御决策指挥流程和应对措施，并通过推演暴露国际近地天体防御工作存在的问题。本文概述了历次国际近地天体防御模拟推演的基本情况，重点介绍了2019年和2021年2次模拟推演的具体情况并进行对比分析。通过梳理与近地天体防御相关的监测预警、撞击风险评估和在轨处置等各相关力量的组织流程和关键能力，提出对中国加强近地天体防御工作、组织开展近地天体防御模拟推演的启示及思路建议。1 国际近地天体防御模拟推演基本情况国际近地天体防御模拟推演自2015年起，每两年一次的国际行星防御大会常态化组织开展，负责推演目标近地天体轨道设计、物理性质设定和观测数据仿真等相关推演想定场景设计。推演主要参加单位包括UNOOSA空间任务规划咨询小组（Space Missions 收稿日期：2023-05-06 修回日期：2023-07-06基金项目：行星探测工程重大专项资助项目第 10 卷 第 4 期深 空 探 测 学 报（中英文）Vol.10 No.42023 年 8 月Journal of Deep Space ExplorationAugust 2023Planning Advisory Group，SMPAG）、NASA戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）、艾姆斯研究中心（Ames Research Center，ARC）、桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory，SNL）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermore National Laboratory，LLNL）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory，LANL）等3个美国国家实验室，以及私营航天公司代表美国宇航公司（Aerospace Corp.）。根据推演想定场景，各方结合专业领域优势参与模拟推演工作，各方主要分工负责详见表1。CNEOS对历次模拟推演的基本情况进行了汇总并公布在官方网站（https:/cneos.jpl.nasa.gov/pd/cs）。从假想目标天体情况、监测预警过程、在轨处置和撞击灾害评估等方面对历次推演进行了概略总结（2023年模拟推演情况目前尚未完整公布）如表2所示。对比可得，历次推演虽然科目和流程基本类似，但通过假想的目标天体物理特性和轨道的多样化设计，尽可能涵盖各类防御场景，撞击效应建模和评估精细度也在不断提升。表 2 历次国际近地天体防御模拟推演基本情况Table 2 Basic facts about recent PDEs项目2015年模拟推演2017年模拟推演2019年模拟推演2021年模拟推演2023年模拟推演假想目标天体情况石质小行星，发现时直径估计为150250 m，处置后撞击地球碎块直径约80 m碳质小行星，发现时直径估计为200280 m；抵近探测后发现为双小行星，主星直径约为270 m、的辅星直径约为90 m石质小行星，发现时直径估计为100300 m，最终确认约为140 m，处置后撞击地球碎块直径约60 m石质小行星，发现时直径估计为300700 m，最终确认约为105 m碳质小行星，发现时直径估计为30080 m，抵近探测后确定为550860 m预警时间 6年9年8年6个月12年监测预警手段地基光学、红外、雷达，抵近探测地基光学、红外，抵近探测天地基光学、红外和地基雷达，抵近探测天地基光学、红外和地基雷达天地基光学（和地基雷达？），抵近探测在轨处置手段开展动能撞击和核爆偏转两种处置方案设计和装备研制，实际实施了动能撞击处置任务作为两个推演分支，分别实施了动能撞击和核爆偏转两种在轨处置任务，均成功偏转（或摧毁）双小行星开展动能撞击和核爆偏转两种处置方案设计和装备研制，实际实施了动能撞击处置任务时间限制各种处置手段均不可行开展动能撞击和核爆偏转两种处置方案设计和装备研制撞击地球区域在轨处置前确认为中国南海，在轨处置后确认为孟加拉国首都达卡在轨处置前确认为日本东京附近，在轨处置后解除撞击地球风预警在轨处置前确认为美国中部丹佛市；在轨处置后确认为美国东部纽约市欧洲德国、捷克和奥地利交界区域非洲尼日利亚或贝宁撞击灾害评估仅仿真分析进入大气速度和进入角，得出空爆结论开展了撞击效应建模和受灾人口数目分析开展了详尽的撞击效应建模和受灾人口及财产损失分析注：截至目前CNEOS官网尚未完整公布2023年模拟推演的基本情况。2 近两次国际近地天体防御模拟推演2019年和2021年开展的2次国际近地天体防御模拟推演，分别针对撞击区域为美国纽约和欧洲中部、撞击预警时间分别为8年和6个月的小行星撞击，在推演流程和应急处置设计等方面具有一定的代表性。2.1 2019年国际近地天体防御模拟推演2019年4月底，第6届国际行星防御大会期间在美国马里兰州的学院公园市举行了2019年国际近地天体防御模拟推演6。2.1.1 假定场景2019年3月26日，位于美国夏威夷州毛伊岛哈来亚卡拉峰（Haleakala Summit），近地天体巡天观测项目“全景巡天望远镜和快速响应系统”（Panoramic SurveyTelescope And Rapid Response System，Pan-STARRS）的1.8 m口径光学望远镜新发现了1颗近地小行星。该小行星发现时距地球0.38 AU，其有关信息在发现后第一时间迅速上报至国际小行星中心（Minor PlanetCenter，MPC），被命名为“2019 PDC”。在后续2 d的时间内，世界各地参与近地天体观测的光学望远镜相继组织对该小行星进行跟踪观测，确认了其轨道参数，其绕日公转轨道周期约为2.7年，未来10年内将会多次近距离飞越地球。CNEOS初步判定该小行星最可能将于8年后，即2027年4月29日与地球相撞。考虑到该小行星轨道的不确定性，撞击概率初步评估为1/50 000。表 1 国际近地天体防御模拟推演参演方分工Table 1 Participants and responsibilities of PDEs参加单位推演分工行星防御协调办公室（PDCO）指导协调近地天体研究中心（CNEOS）推演场景设计国际小行星预警网（IAWN）空间任务规划咨询小组（SMPAG）近地天体抵近探测和偏转/核爆等在轨处置任务设计戈达德航天飞行中心（GSFC）艾姆斯研究中心（ARC）近地天体撞击概率和毁伤效应分析桑迪亚国家实验室（SNL）撞击导致的大气层和地面效应模拟和连带人员财产损失分析劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）提供采用核爆装置实现近地天体偏转的仿真计算模型洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）美国宇航公司（Aerospace Corp.）参与抵近探测和在轨处置任务设计444深空探测学报（中英文）2023年同时根据测光观测结果，初步确认该小行星绝对星等为（21.7 0.4）；但该小行星物理特性尚不清楚，由绝对星等反算得到的小行星直径不确定度较大，初步判定其直径范围100300 m，由此可能会造成区域性（几百千米范围）乃至洲际性（几千千米范围）的撞击灾难。2.1.2 推演过程推演共持续5天时间。设定推演场景时间分别为2019年4月29日、2019年7月29日、2021年12月30日、2024年9月3日和2027年4月19日。推演流程如图1所示。Pan-STARRS巡天项目发现小行星，由国际小行星中心命名为“2019PDC”，预计可能于2027年4月撞击地球,撞击概率初步判定为1/50 000,直径范围估计约为100300 m。IAWN下属多台套地基光学望远镜对2019 PDC开展持续观测，提高轨道确定精度,撞击概率提升至1%。天基红外望远镜NEOWISE已启动观测,SMPAG已启动在轨处置任务初步设计工作。IAWN下属多台套地基光学望远镜对2019 PDC开展持续观测，提高轨道确定精度，撞击概率提升至10%，可能撞击区域沿东南到西北方向横跨非洲、大西洋、北美和太平洋。5月初天基红外望远镜NEOWISE观测确认2019PDC直径为18545 m。ARC预估撞击释放能量当量约100800 Mt，最多造成一千九百万人受灾。SMPAG完成飞越和交会探测以及动能撞击、核爆偏转等在轨处置任务方案设计，相关装备逐步投入研制生产。2021年发射的飞越探测器测定2019 PDC尺寸包络为260 m140 m140 m，并精确测定了其轨道,确认撞击地球概率为100%，撞击区域缩小至美国中部科罗拉多州丹佛市。ARC预计撞击释放能量当量约510 Mt（相当于34 000颗广岛原子弹），受灾人口可达330万人，经济损失约200亿美元。自2019年起，6套动能撞击任务相关装备正在研制，2次交会探测任务计划即将实施。3套动能撞击器成功撞击2019 PDC并偏转其运行轨道，但交会探测器观测结果表明，一块直径65415m的碎块在撞击中与主体分离保留在原轨道附近，初步估计仍存在撞击地球威胁，撞击区域位于美国东部或大西洋。ARC预计撞击释放能量当量可达80 Mt，受灾人口可达1 100万人。SMPAG组织进行了应急核爆处置任务方案设计，预计最迟可在撞击前1.5个月将碎块摧毁，基本解除撞击地球威胁。应急核爆处置任务因故未能如期发射。多台套地基近地小行星监测专用光学望远镜对2019 PDC碎块进行持续观测，定轨结果表明碎块仍会于2027年4月29日撞击地球，撞击区域确定位于美国纽约市。4月18日，美国305 m口径阿雷西博行星雷达对碎块观成像和测量，确认碎块尺寸6010 m。ARC仿真预测碎块进入大气层后将形成超级火流星，空爆高度1315 km，爆炸当量约相当于1 000颗广岛原子弹，受灾人口可达约1 000万人，经济损失740亿美元。2019年3月26日（2019 PDC撞击前8年）2019年4月29日（2019 PDC发现后1个月）2019年7月29日（2019 PDC发现后4个月）2021年12月30日（2019 PDC发现后2年）2024年9月3日（2019 PDC撞击前3年）2027年4月19日（2019 PDC撞击前10天）地基大视场光学巡天望远镜（2019 PDC距地球0.38 AU）地基多台套光学+天基红外望远镜联合跟踪（2019 PDC距地球0.17 0.49 AU）探测器飞越、交会探测在轨处置主动防御地基雷达系统（2019 PDC距地球1.7 AU）（2019 PDC距地球1.7 AU）（2019 PDC距地球1 350万km）图 1 2019年国际近地天体防御模拟推演主要流程Fig.1 Major scenarios and progress of 2019 PDE 1）推演第1天（2019年4月29日，预警后1个月）经过世界各地参与近地天体观测的光学望远镜一个月时间集中观测，进一步提高了2019 PDC的轨道确定精度，该小行星撞击地球概率已升至1%。美国“近地天体宽视场红外巡天探测器”（NEO Wide-fieldInfrared Survey Explorer，NEOWISE）天基红外望远镜已启动跟踪观测，SMPAG也启动了在轨处置任务初步方案设计。2）推演第2天（2019年7月29日，预警后4个月）通过多台套地基米级口径近地天体监测专用光学望远镜持续观测，2019 PDC的轨道确定精度得到进一步提高，该小行星撞击地球概率已升至10%，可能的撞击区域沿东南到西北方向横跨非洲、大西洋、北美和太平洋。5月初NEOWISE天基红外望远镜的观测结果确定2019 PDC直径为（185 45）m，自转周期约为12 h，但光谱类型和成分尚无法确定。ARC初步判断撞击事件释放能量当量可达（100800）Mt，最多可造成1 900万人受灾。SMPAG推荐采用动能撞击或者核爆偏转2种在轨处置方式，动能撞击偏转指发射撞击器直接与近地天体相撞，改变近地天体的飞行速度从而偏转其运行轨道；核爆偏转指发射核爆装置与近地天体交会，在近地天体表面一定高度处引爆核装置，核爆产生的X射线烧蚀近地天体表面物质形成的高速气流冲击近地天体，从而改变近地天体飞行速度进而偏转其运行轨道。SMPAG建议于实施在轨处置任务之前，开展近地天体抵近探测任务，对近地天体质量、成分等物理性质及轨道、自转状态等进行更精确的测量，以确保在轨处置任务的有效性，SMPAG组织相关单位完成了初步的任务方案设计。3）推演第3天（2021年12月30日，预警后2年）2021年6月发射的飞越探测器对2019 PDC的成像第 4 期李海涛，等：近地天体防御模拟推演分析与启示445和光谱观测结果表明该小行星为石质细长椭球体形密接双小行星，尺寸包络260 m 140 m 140 m，根据密度和体积可更准确地估计其质量约为5 106 t。此外，2019 PDC的轨道通过对飞越探测器定轨和对器载相机成像数据处理得到进一步精化，撞击地球概率确定为100%，撞击区域缩小至美国中部科罗拉多州丹佛市。ARC分析2019 PDC进入大气层速度为19.1 km/s，空爆高度为69 km，爆炸当量约为510 Mt（相当于3.4万颗广岛原子弹），预计受灾人口达330万人，经济损失约200亿美元。自2019年起，共安排6套动能撞击任务系统（3套主份、3套备份）研制，预计16个月后发射。交会探测飞行器计划几个月后发射，同时搭载核爆装置。同时，临时改换其它已在轨飞行的行星际探测器的预定探测目标，计划实施与2019 PDC的交会探测。4）推演第4天（2024年9月3日，撞击前3年）由于各种有关核爆装置使用争议问题没有得到及时解决，核爆处置任务未能实施。最终，共有3套动能撞击器成功撞击2019 PDC。同时临时改换任务目标的行星际探测器实现与2019 PDC交会，并对动能撞击效应进行了抵近观测。观测表明第1套动能撞击器撞击2019 PDC时，一块直径为（65 15）m的碎块与小行星主体分裂，依然保留在原轨道附近；其余两套动能撞击器撞击了2019 PDC主体，成功使得2019 PDC主体偏离原轨道。碎块的准确速度难以判定，交会探测器成像结果虽然无法准确判定碎块速度，但初步估计撞击区域依然位于美国东部或大西洋。ARC初步判断碎块撞击地球的能量当量最大可达80 Mt，受灾人口可达1 100万人。由于轨道几何约束，动能撞击实际发生位置与太阳角距离小于45，此时地基光学望远镜无法对其实施观测。SMPAG组织进行了应急核爆处置任务设计，考虑利用一发猎鹰重型运载火箭发射170 kg 300 kt当量核爆装置对碎块进行核爆摧毁并完成了任务初步方案设计。仿真研究表明，在撞击前60120 d利用该核爆装置对直径5080 m小行星实施在轨处置极大概率可避免其对地球造成严重威胁。5）推演第5天（2027年4月19日，撞击前10 d）应急核爆处置任务因敏感性和相关争议问题悬而未决（主要集中于为防御近地小行星撞击而实施外层空间核爆是否符合国际法7）最终未能如期发射。在过去3个月，多台套地基近地天体监测专用光学望远镜设备对2019 PDC撞击后残留的碎块进行持续观测，精确轨道测定结果表明该碎块仍会在4月29日撞击地球，撞击区域确定位于美国纽约市。4月18日，美国305 m口径阿雷西博行星雷达首次近距离对2019 PDC碎块实现了成像和测量，进一步确认了其尺寸为（60 10）m。ARC仿真预测结果表明撞击时间为2027年4月29日12:01:38（美国东部时间），碎块进入大气层速度约为19 km/s，进入角77。碎块进入大气层后预计形成超级火流星，空爆高度1315 km，爆炸当量约15 Mt（相当于1 000枚广岛原子弹），受灾人口可达约1 000万人，经济损失740亿美元。2.2 2021年国际近地天体防御模拟推演2021年4月底，第7届国际行星防御大会期间（线上视频会议）在奥地利维也纳举行了2021年国际近地天体防御模拟推演8。2.2.1 假定场景2021年4月19日，隶属于Pan-STARRS近地天体巡天观测项目的1.8 m口径光学望远镜新发现了1颗近地小行星。该小行星在发现时距地球0.38 AU，其有关信息在发现后第一时间迅速上报至MPC，并被命名为“2021 PDC”。在后续2 d时间内，世界各地参与近地天体观测的光学望远镜相继组织对该小行星进行跟踪观测，确认了其轨道参数，并初步判定该小行星将于6个月后，即2021年10月20日，与地球相撞。考虑到该小行星轨道的不确定性，撞击概率初步评估为1/2 500。同时，根据测光观测结果，初步确认该小行星绝对星等为（22.4 0.3）等，但该小行星物理特性尚不清楚，由绝对星等反算得到的小行星直径不确定度较大，初步判定其直径范围35700 m，由此可能会造成局部性（几千米范围）乃至洲际性（几千千米范围）的撞击灾难。2.2.2 推演过程推演共持续4 d时间。设定推演场景时间分别为2021年4月26日、5月2日、6月30日和10月14日。推演流程如图2所示。1）推演第1天（4月26日，预警后1周）经过世界各地近地天体观测光学望远镜一周时间的集中观测，进一步提高了2021 PDC的轨道确定精度，该小行星撞击地球概率已升至5%，可能的撞击范围覆盖全球2/3的区域。ARC综合撞击概率和撞击能量分析，初步判断撞击事件最多可造成8 600万人受灾。2）推演第2天（5月2日，预警后2周）Pan-STARRS近地天体巡天观测项目通过回溯其历史观测数据发现，2014年曾成功获取2021 PDC观测数据，但在当时数据处理系统并未及时做出响应。进一446深空探测学报（中英文）2023年步综合利用时间跨度达到7年的累积观测数据进行定轨预报，可以判定该小行星6个月后撞击地球概率达到100%，撞击区域为欧洲和北非。同时，SMPAG组织GSFC等相关机构开展了小行星在轨处置任务分析。分析结果表明，利用引力偏转方式无法满足在轨处置时效性要求，而利用动能撞击偏转方式则因为时间因素制约且速度增量要求过大也不可行。唯一可行的在轨处置方式为核爆偏转。任务设计结果表明，可送达小行星附近的核爆装置当量可达4.5 Mt，足够摧毁直径在100210 m范围内的小行星目标。基于64%的核爆摧毁概率计算，采取核爆处置方式可将小行星撞击受灾人口数目降低20%。为提高核爆处置的有效性，先期发射小行星抵近探测飞行器对小行星尺寸、构成等相关的物理性质进行精确测量是十分必要的。但受到现有航天器研制和火箭快速发射能力限制，无法在6个月时间内实现核爆处置任务发射，因此最终所有在轨处置方案均判定为不可行。3）推演第3天（6月30日，撞击前4个月）通过地基米级口径近地天体监测专用光学望远镜以及包括4 m口径的加拿大法国夏威夷在内的大口径天文光学望远镜持续开展地面观测，2021 PDC的轨道进一步精化，撞击地球的可能区域缩小至德国、捷克和奥地利。同时，美国NEOWISE天基红外望远镜通过大量曝光成像结果叠加，实现了对2021 PDC的探测，获得了2021 PDC更准确的尺寸估计值，直径（160 80）m。ARC评估判定2021 PDC的大气进入速度约15.2 km/s，进入角5055，撞击释放能量当量平均约为136 Mt，受灾人口数目最大可达660万人。4）推演第4天（10月14日，撞击前1周）在2021 PDC撞击地球前1周，美国戈尔德斯顿太阳系雷达（Goldstone Solar System Radar，GSSR）实现了对2021 PDC的探测（探测距离6.3 106 km），雷达成像结果精确测定2021 PDC直径为（105 10）m。同时精确的轨道测量进一步提高了撞击地球时间和区域的预报精度：撞击时间确定为10月20日17:02:25（格林尼治协调世界时），误差为1 s；撞击区域范围缩小至23 km，受影响区域范围约300 km。2.3 2次模拟推演情况对比2019年和2021年2次国际近地天体防御模拟推演在想定场景和推演流程上存在一定不同，但也具有规律性和共同之处，2次推演主要对比情况如表3所示。负责灾害应急救援工作的相关机构或组织（如美国相关政府机构FEMA）并未参加2次推演，所以2次推演流 Pan-STARRS巡天项目发现小行星，由国际小行星中心命名为“2021 PDC”预计可能于2021年10月撞击地球，直径范围估计约为35700 m。IAWN下属各光学望远镜对2021 PDC开展持续观测，提高轨道确定精度，撞击概率提升至5%，可能撞击范围覆盖全球2/3区域，最多可造成8 600万人口受灾。结合历史观测数据将2021PDC轨道确定精度进一步提高，撞击概率达到100%，可能撞击区域进一步确定为欧洲和北非。SMPAG确认唯一可能的主动防御手段为核爆摧毁但受到现有航天器制造和发射周期的限制，无法及时实施。利用地基4 m口径加拿大-法国夏威夷望远镜（CFHT）对2021 PDC进行观测，进一步提高轨道确定精度，可能撞击区域缩小为德国、捷克和奥地利三国范围。利用天基红外望远镜NEOWISE进行观测，获得了更为准备的尺寸估计，直径为160180 m。ARC预计撞击释放能量当量平均约为136 Mt，受灾人口数目最大可达660万人。美国戈尔德斯顿太阳系雷达实现了对2021 PDC的观测（距离630 km），精确测定其直径为10510 m，从而进一步提高了撞击地球区域和撞击时间的预报精度，撞击区域范围直径缩小至23 km，受影响区域范围约300 km，撞击时间误差在1 s内。2021年3月26日（2021 PDC撞击前6个月）2021年4月26日（2021 PDC发现后1周）2021年5月2日（2021 PDC发现后2周）2021年6月30日（2021 PDC发现后4个月）2021年10月14日（2021 PDC撞击前1周）地基大视场光学巡天望远镜（2021 PDC距地球0.38 AU）地基多台套光学望远镜联合跟踪（2021 PDC距地球0.34 AU-0.36 AU）（2021 PDC距地球0.42 AU）地基雷达系统（2021 PDC距地球630万km）地基大口径光学+天基红外望远镜，图 2 2021年国际近地天体防御模拟推演主要流程Fig.2 Major scenarios and progress of 2021 PDE第 4 期李海涛，等：近地天体防御模拟推演分析与启示447程均中止于小行星撞击前1周左右，后续的灾害应对、人员疏散及应急救援等方面的演练工作并未开展，这也是公开的近几次国际近地天体防御模拟推演的主要缺项。表 3 2019年和2021年两次国际近地天体防御模拟推演对比Table 3 Comparison between 2019 PDE and 2021 PDE对比项目2019年模拟推演2021年模拟推演参演方行星防御协调办公室（PDCO）、近地天体研究中心（CNEOS）、国际小行星预警网（IAWN）、空间任务规划咨询小组（SMPAG）、戈达德航天飞行中心（GSFC）、艾姆斯研究中心（ARC）、桑迪亚国家实验室（SNL）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）、美国宇航公司（Aerospace Corp.）假定场景预警方式地基大视场光学巡天望远镜系统（Pan-STARRS项目为代表）巡天探测预警时间8年6个月假想目标小行星特性石质小行星，发现时直径估计为100300 m，最终确认约为260 m 140 m 140 m椭球体，处置后撞击地球碎块直径约60 m石质小行星，发现时直径估计为300700 m，最终确认约为105 m推演情况监测手段前期主要依靠地基大视场光学望远镜+地基大口径光学望远镜+天基红外望远镜；后期加入交会飞越探测器和地基雷达系统前期主要依靠地基大视场光学望远镜+地基大口径光学望远镜+天基红外望远镜；后期加入地基雷达系统在轨处置手段开展动能撞击和核爆偏转两种处置方案设计和装备研制，实际实施了动能撞击处置任务时间限制各种处置手段均不可行撞击地球区域在轨处置前确认为美国中部丹佛市；在轨处置后确认为美国东部纽约市。欧洲德国、捷克和奥地利交界区域预计受灾情况在轨处置前预计受灾人口数目最大可达330万人，经济损失约200亿美元；在轨处置后预计受灾人口数目最大可达1 000万人，经济损失约740亿美元受影响区域范围约300 km，受灾人口数目最大可达660万人，经济损失未做估算 3 近2次国际近地天体防御模拟推演分析2019年和2021年举行的2次国际近地天体防御模拟推演对除撞击灾害应急救援外的近地天体防御主要实施流程和应对措施进行了演练。以下对推演过程中反映的问题以及推演结果进行概要分析。3.1 近地天体防御实施流程从近几次模拟推演来看，近地天体防御实施流程主要可以分为监测预警、撞击风险评估、在轨处置和应急救援等4个方面，如图3所示。PDCO:行星防御协调办公室PDCOMPC:国际小行星中心CNEOS:近地天体研究中心SMPAG:空间任务规划咨询小组ARC:艾姆斯研究中心监测地基光学大视场地基雷达系统巡天望远镜系统观测数据汇总观测数据汇总观测数据汇总观测数据汇总观测目标轨道获取观测目标轨道获取观测目标轨道获取MPC（近地小行星编目、观测数据存储、分发）地基光学大口天基红外探测径望远镜系统望远镜系统预警目标精密轨道、物理特性观测数据获取NASA CNEOS（撞击概率计算、撞击预警）撞击概率反馈撞击预警目标精密轨道、物理特性在轨处置抵进探测及在轨处置任务实施SMPAG（抵进探测及在轨处置任务设计）撞击风险与灾害评估NASA ARC（撞击风险评估）灾害处置及应急救援 图 3 近地天体防御主要实施流程Fig.3 Major procedures of near-Earth planetary defense 3.1.1 监测预警监测预警的主要任务是对全天区进行持续搜索探测，编目管理现有近地天体数据库，同时识别新发现的近地天体，并基于持续的加密后，随观测对其可能撞击地球的概率进行预报预警。该任务主要由世界各地分属多个国家的多台米级口径望远镜承担，设备共448深空探测学报（中英文）2023年同纳入IAWN，并依托MPC进行观测数据汇总和发布。目前国际上主要的近地天体监测项目都来自美国，包括卡特琳娜巡天项目（Catalina Sky Survey，CSS）、Pan-STARRS巡天项目、小行星地球撞击最后预警系统（Asteroid Terrestrial-impact Last AlertSystem，ATLAS）等，每年近97%新发现的近地天体均来自于这3个巡天观测项目9。在巡天项目每日例行的巡天观测过程中，后端数据处理系统也在实时对观测得到的数据进行处理，当初步确认目标可能为一颗新发现的近地天体时，目标观测结果和初始轨道将第一时间发布MPC网站，同时IAWN所属的世界各地光学望远镜迅速组织对新发现的近地天体开展后随观测，并将观测结果同步发布MPC网站。与此同时，CNEOS利用MPC汇总的数据实时对新发现的近地天体进行精密轨道确定和撞击地球概率计算，当撞击概率大于1%后，及时发出告警，以便进一步组织后续天地基加密观测和包括撞击风险评估和在轨处置任务分析在内的应急响应行动10-11。随着监测数据的更新，撞击概率也会进行持续更新。随着轨道确定精度的提高，撞击概率可能会进一步提高，也会因为排除了部分撞击轨道的可能性转而减小12。3.1.2 撞击风险评估专业机构负责对近地天体开展撞击风险告警和灾害评估。根据撞击概率、近地天体轨道和物理性质等信息，开展高超声速空气动力学和撞击效应建模计算，研判可能的撞击区域及造成的灾害效应，并对人员财产损失进行评估13。3.1.3 在轨处置在监测预警系统发出警告的同时，SMPAG为主协调组织主要航天国家开展抵近探测和在轨处置任务方案设计。根据已有近地天体的轨道和物理性质，结合现有运载火箭和航天器研制能力，寻求最佳的在轨处置任务方案。目前，主要可供选择的在轨处置方案包括引力偏转、动能撞击和核爆摧毁。特别说明的是随着近地天体监测数据的补充更新，获取的近地天体轨道和物理性质信息会得到精化，结果的不确定性会进一步降低，撞击预警、撞击风险评估及在轨处置设计也需要持续动态更新。3.2 监测预警关键能力根据2021年模拟推演情况，可以看出全球布局联动的米级口径大视场光学望远镜观测网是近地天体监测预警的基础。借助于大视场巡天观测能力，美国年发现的近地天体数目占世界年总发现数目的96%以上。但是受限于米级口径望远镜观测能力，对于较为暗弱的目标的后随精测需要依赖4 m以上大口径望远镜。2021年模拟推演中，由于610月小行星距离和观测几何限制，需利用地基4 m口径CFHT望远镜进行跟踪观测。同时由于地基观测波段的限制，红外波段的近地天体观测只能依赖天基红外望远镜。利用近地天体红外波段观测数据可进一步降低近地天体物理性质特别是其尺寸的不确定度，2次模拟推演中，均利用美国NEOWISE天基红外望远镜观测数据将小行星的直径由几百米缩小至几十米的误差范围。此外虽然地基雷达探测能力具有一定的局限性，但其对准确测量近地天体尺寸及自转、形状、表面物质成分等物理性质具有极其重要的价值，对近地天体准确编目和撞击短临预报具有不可替代的作用。2次模拟推演中地基雷达在小行星撞击前10 d左右、距地球6 1061.3 107 km处实现了对其成像测量，精确测定了小行星轨道，进一步缩小了撞击地球区域范围；同时精确测定了小行星尺寸，提高了撞击效应建模和受灾人口数据估计精度。3.3 撞击风险评估关键能力撞击风险评估的2个主要关键能力为撞击效应建模和撞击灾害评估。撞击效应建模主要指根据撞击概率、近地天体轨道和物理性质等信息，利用高超声速空气动力学模型和撞击模型，对近地天体进入大气层后空爆导致的冲击波超压、热辐射以及撞击地表导致的地震、海啸等各种效应强度进行分析计算。撞击灾害评估则指根据撞击各种效应造成的毁伤能力，结合撞击区域预报和人口分布情况，对受灾人口数目和可能造成的人员财产损失进行评估14。2种能力的基础是对近地天体轨道以及包括尺寸、构成等的物理性质的准确测定和建模。撞击风险和灾害评估结果可直接用于指导在轨处置任务方案设计和应急灾害救援行动。3.4 在轨处置关键能力在轨处置主要手段包括引力偏转、动能撞击以及核爆偏转或摧毁，所需关键技术主要包括超高速航天器精确导航制导、抵近探测器远距离操控和自主控制、动能撞击及核爆效能建模仿真和评估、动能撞击器/核爆装置的快速发射和在轨预置等15-16。其中，核爆装置的快速发射技术是2021年模拟推演中在轨处置任务无法实施的关键制约因素；而动能撞击效能评估的失误则导致2019年模拟推演中在轨处置后遗留形成了直径约60 m的小行星碎块，同时撞击区域由人口较少的科罗拉多州转移至人口密集的纽约市，反而加剧了撞击可能造成的损失。第 4 期李海涛，等：近地天体防御模拟推演分析与启示4494 思考与启示通过对近2次国际近地天体防御模拟推演在监测预警、撞击风险评估和在轨处置等近地天体防御主要流程的想定推演过程进行分析研究，可提供以下思考启示。1）常态化组织实施近地天体防御演习国家层面应常态化组织实施近地天体防御演习、理顺指挥隶属关系、完善组织指挥流程、摸清防御处置底数、识别系统差距短板。充分发挥不同单位在指挥控制、监测预警、态势感知、发射测控、在轨操控等领域优势，闭环近地天体防御演习全流程。通过相关演习演训，推动国家相关能力和装备的建设、集成和应用，促进近地天体防御力量全面发展。2）建立独立自主监测预警体系应依托现有光学射电天文观测网、态势感知系统和深空测控网，建立独立自主的地基光学、雷达联合监测预警系统。光学系统方面，对标国际光学望远镜性能指标，建造10 m以上的大口径望远镜，提高对近地天体的跟踪精测能力。同时可以配套建设多台米级口径大视场光学望远镜，建立大视场望远镜巡天预警机制。雷达系统方面，可考虑依托中国现有深空测控网喀什35 m深空测控设备，配置大功率X频段和Ka频段发射机，构建发射天线阵列，与其它深空测控设备和中国科学院射电天文观测网大口径射电望远镜配合，共同组成雷达探测系统，开展地基雷达对同步轨道带目标的跟踪测量演示验证；后续通过建设多台35 m天线设备，扩大喀什深空发射阵的规模，分阶段实现对距地球1.5 1077.5 107 km范围内近地天体跟踪测量，达到或优于美国近地天体雷达探测系统的探测能力17。此外，2022年北京理工大学雷达研究所利用分布式相参雷达深空探测技术18，联合相关单位提出并开展建设“超大分布式孔径雷达高分辨率深空域主动观测设施”，该设施第1期系统由4台16 m分布式孔径雷达组成，已成功获得了对月球观测的雷达图像，设施远景计划由多部2530 m孔径的分布式雷达组成，预计可有效提升中国近地小行星防御、行星形成机理探索能力19。为弥补地基观测盲区，