中国科学院紫金山天文台科研团队围绕空间探测任务近邻宜居行星巡天计划（Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES）开展了先期研究，搭建了一个基于Python的仿真平台，其中包含行星轨道参数反演、卫星观测视场仿真、观测策略与方案仿真等内容。相关研究成果作为封面论文（图1）发表在Research in Astronomy and Astrophysics(RAA)。
近邻宜居行星巡天计划（CHES）由紫金山天文台领衔的科研团队提出。该计划将发射一个1.2米口径的空间望远镜, 通过微角秒级的相对天体测量方法探测围绕100颗近邻类太阳型恒星（距太阳系约 32 光年）的宜居带类地行星。该计划是具有原创性技术路线的“中国方案”，相关研究将回答“地球是否唯一”及“行星如何成为生命摇篮”等重大科学问题。
随着天文学的发展，高精度的天体测量技术及时空基准的建立对于基本天文学研究尤其重要。国际天文联合会（IAU）在对于时间、空间、坐标系、地球姿态等问题进行了多次的定义、讨论与统一后，发布了多项决议以协调解决相关问题，为天文学家在基本天文学研究中所需要的各项参数提供了关键算法，即建立并维护Fortran和C语言版本的SOFA软件。
图1 Research in Astronomy and Astrophysics 封面论文
科研团队在国际天文联合会所发布的SOFA (the Standards ofFundamental Astronomy Service)软件基础上进行了重新编写，推出了一套可应用在Python平台并与国际天文联合会的决议相一致的、权威的算法，即PyMsOfa，并将此程序加入到CHES仿真平台中。PyMsOfa的建立填补了SOFA软件在Python语言的空白，也为科研工作者提供SOFA算法在Python中直接、方便和高效的应用。它提供了三种方式在Python中实现SOFA中的算法，包括ctypes，cffi及基于SOFA算法的利用Python语言编写，三种方法均可实现SOFA中全部247个函数的全部功能。目前版本是基于SOFA在2023年10月11日的最新发布。
该软件的核心功能包括：（1）时间与日历模块：提供应用在不同场景下的不同时间之间的转换，包括：TAI，UTC，UT1，TT等及历元之间的转换；（2）坐标系模块：除了多个常用坐标系之间的转换，还包括了FK4，FK5，依巴谷等坐标之间的转换关系。同时提供了多个常用观测位置的天体测量参数之间的变换；（3）地球姿态模块：基于IAU在历年决议中相关内容，提供岁差、章动、极移等相关参数的准确数值及算法。
图2 左：模拟仿真CHES卫星在日地L2点对目标星（* zet Tuc）观测时的视场与参考星。右：ESASky提供的图像
PyMsOfa不仅可用于CHES空间任务中对观测目标恒星与参考星的视场仿真（图2）及获得的天体测量数据的解算等，其在天体测量领域相关计算的权威性使其也可用于其他天文学研究前沿，例如黑洞的观测（图3）、中国空间站巡天望远镜观测、小天体与行星深空探测、地球姿态预测及时间校准等。
图3 Gaia BH1光心5年内的预测运动
此外，PyMsOfa具有良好的跨平台性能，在Windows、Linux和MacOS等多个操作系统上稳定运行，并均提供了详细的说明文档，使得研究人员可以迅速上手并快速掌握其功能。PyMsOfa已发布在Github、PyPI等平台，详细信息可访问：https://github.com/CHES2023/PyMsOfa，https://pypi.org/project/PyMsOfa/。
该研究得到中国科学院空间科学先导专项、国家自然科学基金重点项目等资助。
文章链接：https://doi.org/10.1088/1674-4527/ad0499