“仰望一號(hào)”太空望遠(yuǎn)鏡在軌綜合應(yīng)用

牛書(shū)，蘇萌，2，張曉佳，王卓驍

（1.起源太空（南京）科技有限公司，南京 210094；2.香港大學(xué)太空研究實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)香港 999077）

1 引言

隨著人類(lèi)對(duì)宇宙的探索越來(lái)越深入，空間環(huán)境的開(kāi)發(fā)和利用也受到越來(lái)越多國(guó)家的重視。航天技術(shù)的發(fā)展使得人類(lèi)的航天活動(dòng)日益頻繁，各類(lèi)人造天體的數(shù)量也隨之增加。這些探索雖然給人類(lèi)帶來(lái)了許多便利，但也使得空天環(huán)境變得越來(lái)越惡化。例如，地球的空間軌道資源日益緊張［1，2］，外空中存在的大量碎片已威脅到太空安全［3，4］。

為解決這些問(wèn)題，許多國(guó)際組織致力于推動(dòng)太空環(huán)境的可持續(xù)利用和發(fā)展。例如，聯(lián)合國(guó)設(shè)立了太空事務(wù)辦公室，旨在加強(qiáng)國(guó)際合作，促進(jìn)太空活動(dòng)的和平利用和可持續(xù)發(fā)展。此外，許多國(guó)家和私人企業(yè)也在積極研發(fā)太空清理技術(shù)，以清理太空中的碎片，保護(hù)太空安全。

此外，近年來(lái)研究小行星的重要性越來(lái)越受到重視，因?yàn)樗鼈兛梢詾槲覀兲峁╆P(guān)于太陽(yáng)系起源和演化的重要信息。目前，已經(jīng)有一些科學(xué)任務(wù)致力于研究小行星，例如OSIRIS-Rex（NASA）、Hayabusa 2 （JAXA）等。這些任務(wù)將收集小行星樣本并將它們帶回地球，供科學(xué)家們進(jìn)一步研究。前不久美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）正式宣布“雙小行星重定向測(cè)試”（D o u b l e Asteroid Redirection Test，DART）任務(wù)成功改變小行星的軌道［5，6］，完成了人類(lèi)首次對(duì)于小行星防御的技術(shù)測(cè)試。

除了純學(xué)術(shù)研究外，小行星還有著巨大的資源潛力，因此也出現(xiàn)了許多研究利用小行星資源的活動(dòng)。這些資源包括水、金屬和其他有用的物質(zhì)，可以為太空探索和開(kāi)發(fā)提供支持［7］。因此，小行星資源研究也成為一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域。

綜上所述，隨著人類(lèi)對(duì)宇宙的探索不斷深入，我們需要更加注重太空環(huán)境的保護(hù)和可持續(xù)利用，以確保我們能夠持續(xù)地進(jìn)行太空探索和利用。

而“仰望一號(hào)”衛(wèi)星的主要任務(wù)之一就是解決上述問(wèn)題，而其在軌運(yùn)行積累了豐富的成果。

2 “仰望一號(hào)”太空望遠(yuǎn)鏡

2021年6月11日，由起源太空科技有限公司公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)的載荷“仰望一號(hào)”太空望遠(yuǎn)鏡搭乘長(zhǎng)征二號(hào)丁火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌，作為我國(guó)第一臺(tái)光學(xué)、紫外雙波段商業(yè)太空望遠(yuǎn)鏡，標(biāo)志著我國(guó)商業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谔召Y源的探索與利用進(jìn)入新階段［8］。目前衛(wèi)星已在軌運(yùn)行1年9個(gè)月，性能保持良好，處于穩(wěn)定工作階段。圖1展示了“仰望一號(hào)”的結(jié)構(gòu)圖，表1展示了部分重要性能指標(biāo)。

圖1 “仰望一號(hào)”三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 YangWang-1 3D structure diagram

表1 “仰望一號(hào)”衛(wèi)星指標(biāo)Table 1 YangWang-1 characteristics

“仰望一號(hào)”自發(fā)射升空開(kāi)始，科學(xué)與技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)深入研究與挖掘其能力，在天文、遙感、空間科學(xué)等不同領(lǐng)域取得了一系列的成果，包括：

（1）成為首個(gè)被國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Astronomical Union， IAU）小行星中心授予正式編號(hào)的中國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡［9］，編號(hào)C59。

（2）發(fā)揮天基望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)，對(duì)地球附近天文/大氣現(xiàn)象的觀測(cè)，比如稱(chēng)為“紅色精靈”的放電現(xiàn)象、流星的多角度觀測(cè)，被NASA 每日天文一圖（Astronomy Picture of the Day， APOD）等權(quán)威網(wǎng)站收錄［10，11］。

（3）于2022 年6 月完成首輪光學(xué)波段巡天，如圖2所示，紫外波段巡天目前在持續(xù)進(jìn)行中。

圖2 “仰望一號(hào)”首輪光學(xué)波段巡天圖Fig.2 YangWang-1 all-sky survey of first cycle

（4）提供多項(xiàng)基于夜光遙感數(shù)據(jù)的反映民生的科學(xué)報(bào)告［12，13］，比如為2023 年2 月聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星中心（United Nations Satellite Centre， UNOSAT）發(fā)布的土耳其地震燈光損失評(píng)估報(bào)告［10］，提供了重要的災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)；

（5）完成中國(guó)夜光遙感一張圖，星下點(diǎn)地表分辨率約40 m，目前在地理坐標(biāo)精校準(zhǔn)以及輻射校正中，預(yù)計(jì)將于2023年夏天發(fā)布完整結(jié)果，初步結(jié)果如圖3所示。

圖3 “仰望一號(hào)”全國(guó)夜光遙感一張圖（示意圖）Fig.3 YangWang-1 nighttime light map of China（schematic diagram）

當(dāng)前“仰望一號(hào)”工作流程如圖4 所示，通過(guò)精細(xì)的部署，“仰望一號(hào)”依托云平臺(tái)已完成對(duì)每日下傳的L0級(jí)原始數(shù)據(jù)的無(wú)監(jiān)督的全自動(dòng)化處理流程生成L1級(jí)，并根據(jù)不同學(xué)科領(lǐng)域需求完成L2級(jí)產(chǎn)品的分發(fā)。此外在進(jìn)行有規(guī)律的巡天或者對(duì)地的持續(xù)觀測(cè)之外，在被觀測(cè)目標(biāo)條件允許的情況下，衛(wèi)星與團(tuán)隊(duì)能在少于24 h的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成應(yīng)急觀測(cè)響應(yīng)需求交付客戶(hù)。

圖4 “仰望一號(hào)”產(chǎn)品自動(dòng)化流程圖Fig.4 Flow chart of YangWang-1 production pipeline

截止到2023年3月20日前后，“仰望一號(hào)”已完成約6051軌觀測(cè)并根據(jù)觀測(cè)計(jì)劃按照編排序號(hào)（OBSID）歸檔，其中包含光學(xué)/紫外巡天3599份、夜光遙感427份、人造衛(wèi)星及空間碎片941份、小行星187 份、彗星216 份、月亮及太陽(yáng)系行星18份、大氣現(xiàn)象416份等，其余觀測(cè)包括深空天體、天文暫現(xiàn)源、技術(shù)測(cè)試等，累積了詳實(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 “仰望一號(hào)”對(duì)自然天體與人造目標(biāo)的商業(yè)觀測(cè)

作為天基望遠(yuǎn)鏡，“仰望一號(hào)”對(duì)空間碎片以及小行星等目標(biāo)的觀測(cè)，有著相對(duì)地基設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，包括：

（1）對(duì)地球同步軌道類(lèi)型衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)。由于地基望遠(yuǎn)鏡無(wú)法移動(dòng)且難以同一類(lèi)型設(shè)備大規(guī)模部署，所以很難對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行巡天式觀測(cè)。

（2）避免天氣對(duì)于可見(jiàn)性、大氣抖動(dòng)對(duì)于視寧度以及高度角不同造成的大氣折射等影響。

（3）多波段觀測(cè)，比如紫外波段無(wú)法透過(guò)大氣窗口，而紫外波段有許多來(lái)自小行星反射太陽(yáng)光的金屬發(fā)射線。

3.1 動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別分類(lèi)算法

當(dāng)前對(duì)于包括空間碎片在內(nèi)的動(dòng)目標(biāo)觀測(cè)識(shí)別歸類(lèi)的自動(dòng)算法多基于圖像上拖線特征的判斷［14-16］。但是對(duì)于“仰望一號(hào)”類(lèi)似的觀測(cè)設(shè)備存在部分的局限性與不適用性，包括單張照片內(nèi)過(guò)短曝光時(shí)間目標(biāo)難以與恒星等點(diǎn)源進(jìn)行區(qū)分，拍攝間隔久導(dǎo)致目標(biāo)不連續(xù)，大氣在視場(chǎng)內(nèi)快速移動(dòng)對(duì)于探測(cè)的影響的消除，對(duì)于軌道交會(huì)產(chǎn)生的彎曲軌跡的同一目標(biāo)的歸類(lèi)等。此外，現(xiàn)有算法也基本未考慮做成流水線作業(yè)的模式，無(wú)法和觀測(cè)同步進(jìn)行。

起源太空科學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)“仰望一號(hào)”自身硬件的特點(diǎn)，獨(dú)立開(kāi)發(fā)出適合其判斷的流水線算法，基本流程如圖5所示。

圖5 動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別軌跡歸類(lèi)算法流程圖Fig.5 Flow chart of the algorithm for moving targets recognition and trajectory catalog

圖6 給出了自動(dòng)探測(cè)并軌跡歸類(lèi)算法的一個(gè)結(jié)果（OBSID： 1123011401），拍攝于2023年1月14日，主要拍攝對(duì)象為一網(wǎng)（OneWeb）公司的低軌衛(wèi)星（Low Earth Orbit， LEO）星座。其中圖6b代表了歸類(lèi)后的空間目標(biāo)軌跡，每個(gè)數(shù)字代表了一條目標(biāo)軌跡的起始位置，虛線代表存疑的軌跡，在后續(xù)數(shù)據(jù)持續(xù)輸入的過(guò)程中可以進(jìn)行篩選，而×符號(hào)標(biāo)記了未歸類(lèi)的目標(biāo)，可能來(lái)自于儀器噪聲、突然增亮的暫現(xiàn)目標(biāo)、以及探測(cè)率較低的目標(biāo)。圖6c 給出了上述目標(biāo)軌跡的亮度變化曲線。從中我們可以看出對(duì)于大部分目標(biāo)的亮度曲線一致性很好，符合探測(cè)規(guī)律。此外也探測(cè)到兩個(gè)短時(shí)標(biāo)周期（約10 s）變化的目標(biāo)，這對(duì)于我們?cè)u(píng)估空間目標(biāo)工作狀態(tài)尤為有用。

3.2 對(duì)空間目標(biāo)機(jī)動(dòng)的拍攝

空間目標(biāo)機(jī)動(dòng)檢測(cè)的重要性在于確保太空中的航天器和衛(wèi)星能夠避免與其他空間目標(biāo)發(fā)生碰撞，從而保持運(yùn)行安全和穩(wěn)定。

當(dāng)前空間目標(biāo)變軌在不同國(guó)家之間仍處于不透明的狀態(tài)，而國(guó)家對(duì)于空間態(tài)勢(shì)感知的能力則表明了我們對(duì)于空間資源的控制力與利用率［17］。

“仰望一號(hào)”衛(wèi)星的光學(xué)相機(jī)具備較大的視場(chǎng)，能夠?qū)χ匾繕?biāo)提前進(jìn)行拍攝，對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)進(jìn)行及時(shí)跟蹤與預(yù)報(bào)。

圖7 展示了2021 年9 月17 日（UTC 時(shí)間），“仰望一號(hào)”成功監(jiān)測(cè)到SpaceX公司的“靈感”4號(hào)載人任務(wù)所搭乘的“龍”飛船在觀測(cè)期間的三次點(diǎn)火變軌活動(dòng)，其中每次點(diǎn)火的推進(jìn)劑拋射物的分布角度和形態(tài)清晰可見(jiàn)。這不僅能夠及時(shí)預(yù)報(bào)空間目標(biāo)機(jī)動(dòng)，而且為精確判斷變軌機(jī)動(dòng)的方向、動(dòng)量、能量等提供了數(shù)據(jù)。這很可能是全世界僅有的第三方觀測(cè)結(jié)果。

圖7 “龍”飛船三次點(diǎn)火變軌 （OBSID： 1121091707）Fig.7 Crew Dragon ignitions （OBSID： 1121091707）

3.3 近地系統(tǒng)天體的觀測(cè)

NASA的DART任務(wù)成功驗(yàn)證了小行星防御技術(shù)的可行性，最新結(jié)果表明通過(guò)航天器的撞擊，雙衛(wèi)一Dimorphos的軌道周期成功降低了33.0± 1.0 min［18］。

2022 年9 月27 日23 時(shí)（UTC）前后，“仰望一號(hào)”持續(xù)多軌對(duì)于Dimorphos進(jìn)行監(jiān)測(cè)，成功監(jiān)測(cè)到了DART任務(wù)對(duì)小行星撞擊前后的變化，圖8展示了前后對(duì)比圖，可以看到撞擊產(chǎn)生了巨大范圍的拋射物與光變曲線流量變化。

圖8 DART任務(wù)監(jiān)測(cè) （OBSID： 1122092614）Fig.8 The Impact from DART recorded by YangWang-1 （OBSID： 1122092614）

3.4 基于測(cè)角的人工目標(biāo)的初軌確定

眾所周知，隨著空間目標(biāo)的增長(zhǎng)以及相當(dāng)數(shù)目的非合作目標(biāo)的存在，基于天基的光學(xué)觀測(cè)對(duì)上述目標(biāo)的軌道確定尤為必要。

由3.1節(jié)的算法產(chǎn)生的軌跡數(shù)據(jù)，我們嘗試對(duì)于部分已知目標(biāo)進(jìn)行天基光學(xué)觀測(cè)的初軌確定。

我們將目標(biāo)觀測(cè)的數(shù)分鐘測(cè)角結(jié)果時(shí)間序列，以及“仰望一號(hào)”的自身的軌道信息序列進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，基于Laplace 方法進(jìn)行直接計(jì)算。通過(guò)對(duì)一些已知目標(biāo)的軌道根數(shù)的比較，我們發(fā)現(xiàn)“仰望一號(hào)”對(duì)于發(fā)生交會(huì)的目標(biāo)（例如OBSID： 1123011006、1123011112 等）有比較優(yōu)秀的初值結(jié)果，其中三軸位置、速度矢量誤差均在1%左右。

后續(xù)的持續(xù)監(jiān)測(cè)或者和其他站點(diǎn)的協(xié)同觀測(cè)可以將定軌精度進(jìn)一步提升。

3.5 地球同步軌道衛(wèi)星的普查

地球同步軌道是一種非常珍貴的軌道資源。雖然地球同步軌道碎片的密度遠(yuǎn)小于低軌的密度，但由于缺乏類(lèi)似大氣阻尼這樣的碎片清除機(jī)制，導(dǎo)致地球同步軌道的碎片在軌時(shí)間長(zhǎng)，且會(huì)逐步增長(zhǎng)［19］。

由于地基觀測(cè)的固定站點(diǎn)限制，所以地基望遠(yuǎn)鏡無(wú)法對(duì)于地球同步（包括靜止）軌道的目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一的探測(cè)器觀測(cè)。

“仰望一號(hào)”目前已經(jīng)對(duì)GEO 帶進(jìn)行普查式巡天，通過(guò)GEO目標(biāo)多幀疊圖算法，提高探測(cè)信噪比，并可以篩選出地球同步非靜止軌道目標(biāo)。

圖9 展示了“仰望一號(hào)”對(duì)地球東經(jīng)20°的GEO目標(biāo)的持續(xù)觀測(cè)結(jié)果（寬度對(duì)應(yīng)地球赤道經(jīng)度約8°）， 可以看出中心接近水平的方向，對(duì)應(yīng)沿著赤道上空的靜止軌道目標(biāo)，另外還存在部分分布在附近的同步軌道目標(biāo)。預(yù)計(jì)包含詳細(xì)的物理參數(shù)完整普查結(jié)果將于2023年夏秋公布，并對(duì)GEO帶的分布進(jìn)行繪制。

圖9 地球同步軌道目標(biāo)普查（OBSID： 1123012106）Fig.9 GEO objects survey （OBSID： 1123012106）

4 總結(jié)

“仰望一號(hào)”作為中國(guó)首個(gè)商業(yè)天文空間望遠(yuǎn)鏡，在多學(xué)科中都取得了豐碩成果。在空間科學(xué)領(lǐng)域，也結(jié)合自身硬件與性能，積極發(fā)揮商業(yè)衛(wèi)星特點(diǎn)，在空間目標(biāo)編目、人造與自然天體的機(jī)動(dòng)拍攝、近地系統(tǒng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了作用。與領(lǐng)域?qū)W者和單位通力合作，通過(guò)探索取得了不少的積累，挖掘出了一定的商業(yè)價(jià)值，對(duì)于后續(xù)太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)以及商業(yè)航天提供了非常重要的指導(dǎo)意義。

由起源太空公司研制并制造的“仰望二號(hào)”衛(wèi)星預(yù)計(jì)將于2023年內(nèi)升空，屆時(shí)其硬件能力將會(huì)顯著提升，通過(guò)與“仰望一號(hào)”的協(xié)同工作將會(huì)提升產(chǎn)出，期待其在商業(yè)航天領(lǐng)域發(fā)揮更多作用。