EXOSIMS

本文作者：天疆说
本文编辑来源：Genszler et al. (2026) "Surveying orbits in cislunar space for telescope-starshade observatories"
本站地址：https://cislunarspace.cn

定义

EXOSIMS（EXOplanet Observation and Science Mission Simulation）是一款开源的系外行星直接成像任务仿真软件，由康奈尔大学开发，用于模拟直接成像任务的完整科学阶段，估算科学产出和各分系统性能。该软件能够同时仿真望远镜-星伞编队飞行系统中的轨道传播、星载机动和观测调度等关键过程。

核心功能

EXOSIMS 主要用于以下任务分析场景：

轨道状态传播：基于 CR3BP 或星历模型传播望远镜和星伞的轨道状态
星伞 slew 仿真：计算星伞从当前目标星切换至下一目标星所需的 $\Delta v$
$\Delta v$ 图谱生成：为给定轨道生成 slew $\Delta v$ 地图，支持不同分离距离、不同指向条件下的机动代价评估
科学产出估算：评估任务的系外行星探测和表征能力
任务调度优化：在给定 $\Delta v$ 预算约束下，规划最优观测序列

架构组成

EXOSIMS 采用模块化设计，主要组成包括：

模块	功能描述
Orbit propagator	轨道传播（支持 CR3BP、星历模型）
Star catalog	目标恒星目录管理
Observation schedule	观测序列调度
Slew calculator	星伞 slew $\Delta v$ 计算
Science yield	科学产出评估
Stationkeeping	轨道维持仿真（与 slew 仿真解耦）

在 Genszler et al. (2026) 中的应用

Genszler et al. (2026) 使用 EXOSIMS 研究了在地月空间晕轨道和 DRO 上部署星伞技术演示任务的可行性。具体应用包括：

目标星列表

采用合成目标星列表（synthetic target list），按黄纬和黄经各间隔 20° 分布，共 144 颗星，黄纬范围 -70° 至 +70°（两级因太阳遮挡角约束被省略）。

$\Delta v$ 图谱

对不同 slew 时间（从 0.055 天至望远镜轨道周期的一半）生成 $\Delta v$ 图谱，slew 时间步长为半天。

关键参数

采用类似 HabEx 的 6 m 望远镜任务参数：

参数	符号	值
发动机推力	$F_T$	264 N
比冲	$I_{sp}$	280 s
湿质量	$m_w$	14500 kg
干质量	$m_d$	6722 kg
分离距离	$s$	$120 \times 10^3$ km
直径	$D$	72 m
内工作角	IWA	0.06 arcsec

差分加速度分析

研究还计算了地月模型和日地模型中的差分加速度对比：

参数	地月系统	日地系统
Burn 1 $\vec{a}_{diff}$	$9.557 \times 10^{-4}$ m/s²	$5.329 \times 10^{-6}$ m/s²
Burn 2 $\vec{a}_{diff}$	$9.58 \times 10^{-4}$ m/s²	$5.331 \times 10^{-6}$ m/s²

地月系统的差分加速度比日地系统大约两个数量级，这是在地月空间进行星伞 slew 机动面临的主要挑战。

动力学模型集成

EXOSIMS 支持在仿真中集成不同的参考系和动力学模型：

CR3BP 会合坐标系：用于晕轨道和 DRO 的周期轨道传播
地心惯性坐标系（J2000）：用于与星历数据对接
方向余弦矩阵（DCM）：用于坐标系之间的状态转换

坐标转换通过 Astropy 坐标系方法处理，位置向量以 SkyCoord 对象定义，利用 transform_to 和 obstime 属性进行时间相关转换。

开源与可用性

EXOSIMS 是开源软件，托管于 GitHub：

仓库：https://github.com/dsavransky/EXOSIMS
论文引用：Genszler et al. (2026) 使用的版本为 commit 485f30d3aacf2bf0ff06abeb2ae23d069f1abdaf

参考文献

Genszler G, Delacroix C, Garrett D, et al. EXOSIMS[EB/OL]. https://github.com/dsavransky/EXOSIMS.
Genszler G, Savransky D, Soto G J. Surveying orbits in cislunar space for telescope-starshade observatories[J]. 2026.
Morgan R, Savransky D, Turmon M, et al. An exploration of expected number of exoplanets for a 6 m class direct imaging observatory[C]. SPIE, 2022.
Soto G J, Savransky D, Garrett D, et al. Parameterizing the search space of starshade fuel costs for optimal observation schedules[J]. JGCD, 2019.