近地小天體天基監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展研究

宋政吉 李芳 馮思亮 田坤黌 杜菲 梁桂林

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

《2021中國的航天》提出了“論證建設(shè)近地小天體防御系統(tǒng)”需求方向。近地小天體監(jiān)測預(yù)警包括:搜索發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)匯集、告警/編目管理、風(fēng)險研判、威脅預(yù)警、防御應(yīng)對支持等環(huán)節(jié)[1]。通過監(jiān)測對近地小天體進(jìn)行源頭編目管理或完成迫近發(fā)現(xiàn)告警,盡早提供準(zhǔn)確預(yù)警信息,是防范化解撞擊風(fēng)險的最基本要求[2],也是后續(xù)應(yīng)對處置、災(zāi)害救援工作的前提。

發(fā)展天基系統(tǒng),實現(xiàn)天地協(xié)同,是構(gòu)建后續(xù)近地小天體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的重要方向[3]。當(dāng)前地基光學(xué)系統(tǒng)是近地小天體監(jiān)測的最主要手段。2022年全球共發(fā)現(xiàn)3182顆近地小行星(不含彗星等其他近地小天體),累計發(fā)現(xiàn)總數(shù)量達(dá)到31014顆,99%的數(shù)據(jù)來自于地基光電望遠(yuǎn)鏡。其優(yōu)勢是易實現(xiàn),成本較低,技術(shù)成熟。基于對已發(fā)現(xiàn)近地小天體的觀測天區(qū)與數(shù)量分布統(tǒng)計[4],軌道與視星等特性[5]以及近地小天體屬性特征建模[6]等研究,當(dāng)前地基為主的全球近地小天體監(jiān)測預(yù)警能力也存在以下不足:①由于晝夜、天氣、大氣等因素影響,地基望遠(yuǎn)鏡有效觀測時間有限,無法實現(xiàn)全天時全天候工作;②即便考慮地基望遠(yuǎn)鏡全球布站,太陽方向仍存在地基監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測盲區(qū);③從迫近告警和多維屬性測量的角度,地基系統(tǒng)不具備全天時、全天區(qū)、全譜段監(jiān)測能力,亟需發(fā)展天基系統(tǒng)形成地球迫近全方位的預(yù)警能力;④隨著大規(guī)模星座發(fā)射入軌后的干擾影響,地基系統(tǒng)效率效能將面臨更大挑戰(zhàn)。

相比于地基監(jiān)測系統(tǒng),天基監(jiān)測系統(tǒng)可以有效避免大氣層對電磁波的衰減、光污染等不利影響,提高觀測精度,拓展可觀測天區(qū)和可觀測時段等[1]。同時,通過合理軌位設(shè)計部署,優(yōu)選最佳監(jiān)測譜段,優(yōu)化“小天體-地球-太陽-探測器”觀測幾何等,可具備的主要優(yōu)勢如下:①不受地球白天和黑夜影響,24h均可觀測;②不受天氣影響,可全天候觀測;③不受大氣消光和擾動等影響,天光背景暗(暗于21星等),達(dá)到相同探測能力時,天基探測系統(tǒng)口徑可比地基系統(tǒng)減小至1/2～1/4[7];④通過合理軌道設(shè)計,可彌補(bǔ)地基監(jiān)測盲區(qū)并可規(guī)避地基全球布局困難,實現(xiàn)全天區(qū)迫近告警等。

為此,本文在分析天基監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢基礎(chǔ)上,回顧相關(guān)發(fā)展歷程,梳理天基監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)特征與典型任務(wù),提出我國天基監(jiān)測發(fā)展方向建議。

1 國外近地小天體監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展研究

2019年美國科學(xué)委員會針對盡快實現(xiàn)90%以上140米級近地小行星發(fā)現(xiàn)編目目標(biāo)(喬治布朗(George E. Brown)法案規(guī)定)[2],系統(tǒng)分析了天基、地基、空基等不同監(jiān)測系統(tǒng)平臺;可見光、紅外、雷達(dá)等不同探測手段優(yōu)劣勢,見表1[8]。報告最終推薦支持發(fā)展紅外天基監(jiān)測系統(tǒng),構(gòu)建天地協(xié)同監(jiān)測能力的建議。由于已發(fā)現(xiàn)小行星數(shù)量美國占比達(dá)到98%以上,且這份報告由美國科學(xué)委員會召集NASA、高校、工業(yè)界多部門專家綜合做出,因此具有代表性。

表1 近地小天體天地基監(jiān)測設(shè)備的優(yōu)劣勢分析Table 1 Advantages and disadvantages of NEO space-based and earth-based equipment

2 主要天基系統(tǒng)及近地小天體監(jiān)測

天基監(jiān)測系統(tǒng)起源于空間天文觀測。自1983年美國成功發(fā)射第一顆紅外天文衛(wèi)星(IRAS)以來,歷經(jīng)40年發(fā)展,極大地拓展了人類對宇宙的視野和認(rèn)知[9-10]。

考慮到近地小天體監(jiān)測預(yù)警,當(dāng)前主要以可見光與紅外監(jiān)測手段為主的譜段相關(guān)性[11],針對近地小天體天基監(jiān)測任務(wù)已做出貢獻(xiàn)或具有技術(shù)繼承與借鑒作用,選取以下3類系統(tǒng)。

(1)對比基準(zhǔn)類,具有時代技術(shù)能力代表性的,包括哈勃(Hubble)空間望遠(yuǎn)鏡、詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)。

(2)單項技術(shù)參考類,具有近地小天體相關(guān)鮮明技術(shù)特征特色,包括ESA蓋亞(Gaia)衛(wèi)星的在軌處理、赫歇爾(Herschel)衛(wèi)星的單口徑最大、斯必澤(Spitzer)探測器的特定軌道。

(3)拓展/主任務(wù)類,針對近地小天體的包括近地小天體寬視場紅外望遠(yuǎn)鏡(NEOWISE)、近地小天體監(jiān)視衛(wèi)星(NEOSSat)、近地小天體巡察器(NEO Surveyor),共8個系統(tǒng)(見表2)[12-20],具體分析其載荷、平臺、軌道等技術(shù)參數(shù)指標(biāo)和監(jiān)測能力/效果評價信息及相關(guān)性。進(jìn)一步選取當(dāng)前天基貢獻(xiàn)最多NEOWISE及下一步重點(diǎn)發(fā)展的NEO Surveyor兩個典型任務(wù)做細(xì)化指標(biāo)調(diào)研,歸納技術(shù)特征與發(fā)展趨勢,為后續(xù)發(fā)展天基系統(tǒng)的技術(shù)特征和能力指標(biāo)邊界提供參考。

表2 主要近地小天體相關(guān)可見光、紅外空間監(jiān)測系統(tǒng)情況Table 2 Parameter of space-based visible and infrared monitoring system of primary NEO

在近地小天體監(jiān)測方面,基于已公布數(shù)據(jù),8個系統(tǒng)在軌近地小天體監(jiān)測概要如下。

(1)對比基準(zhǔn)類。Hubble和JWST均仍在軌運(yùn)行。在近地小天體監(jiān)測預(yù)警方面,因視場小,對搜索發(fā)現(xiàn)及編目貢獻(xiàn)不明顯。特點(diǎn)是在有先驗引導(dǎo)下可開展精細(xì)屬性測量,如可參與NASA的雙小行星重定向測試任務(wù)(DART)效果觀測。定位是針對業(yè)務(wù)系統(tǒng)已發(fā)現(xiàn)的特定目標(biāo)開展最精細(xì)監(jiān)測的有效兼用手段。

(2)單項技術(shù)參考類。3個系統(tǒng)同樣因視場小等因素,對小行星搜索發(fā)現(xiàn)貢獻(xiàn)不明顯。Gaia衛(wèi)星仍在軌運(yùn)行,因其最低亮度達(dá)到20.5星等及全天區(qū)搜索能力,任務(wù)初期完成了對14099個小天體的觀測,但因其掃描策略影響,主要觀測主帶小行星。載荷平臺一體化、星上處理技術(shù)等可為近地小行星監(jiān)測提供技術(shù)參考;Spitzer探測器主任務(wù)后轉(zhuǎn)入“熱觀測”模式,2020年1月30日退役,其軌道設(shè)計及其被動制冷可達(dá)28.7K等可為近地小行星監(jiān)測提供技術(shù)參考;2013年4月29日Herschel衛(wèi)星因制冷劑耗盡而結(jié)束任務(wù),空間單一口徑最大光學(xué)統(tǒng)、極限低溫長波系統(tǒng)能力等可為近地小天體監(jiān)測提供技術(shù)參考。

(3)拓展/主任務(wù)類。WISE仍在軌運(yùn)行,主任務(wù)完成后更名為NEOWISE,啟動了多期“熱觀測”拓展任務(wù),完成近地小天體搜索編目。截至2022年底,累計發(fā)現(xiàn)近地小天體395顆。其中近地小行星(NEAS)為361顆,彗星34顆,并完成了1850個近地小行星的尺寸估計等,是當(dāng)前國際天文學(xué)聯(lián)合會主導(dǎo)下的小行星中心(MPC)公布的對近地小天體編目貢獻(xiàn)最多的天基系統(tǒng);NEOSSat因口徑小導(dǎo)致監(jiān)測靈敏度不足,MPC公布數(shù)據(jù)中對小天體搜索發(fā)現(xiàn)貢獻(xiàn)不明顯;2022年12月NEO Surveyor完成C階段關(guān)鍵設(shè)計評審(KDP-C),預(yù)計2028年發(fā)射,預(yù)期4年可完成66.7%直徑大于140m的近地小行星發(fā)現(xiàn)編目測量,是當(dāng)前美國瞄準(zhǔn)140米級近地小天體編目目標(biāo)而規(guī)劃實施的推薦任務(wù)。

3 典型天基系統(tǒng)案例

3.1 WISE/NEOWISE任務(wù)

WISE是NASA低溫宇宙觀測項目[18],2009年12月14日發(fā)射入軌,目標(biāo)為完成3.4μm、4.6μm、12μm和22μm波段高精度全天區(qū)成像測量。完成10個月的主任務(wù)使其固體氫冷卻劑耗盡后,2013年9月更名為NEOWISE執(zhí)行任務(wù)擴(kuò)展,利用其搜索近地彗星和小行星等。2021年7月,NASA將NEOWISE任務(wù)至少延長至2023年6月,當(dāng)前仍在軌繼續(xù)拓展任務(wù)觀測。主要工程性能參數(shù)見表3[19]。

表3 WISE/NEOWISE主要參數(shù)Table 3 Primary parameter of WISE/NEOWISE

任務(wù)目標(biāo)是3.4μm譜段重點(diǎn)觀測恒星和星系目標(biāo);4.6μm譜段重點(diǎn)觀測來自褐矮星等亞恒星物體內(nèi)部熱源的熱輻射;12μm譜段重點(diǎn)觀測小行星的熱輻射;22μm重點(diǎn)觀測恒星形成區(qū)域的塵埃(溫度為70～100K)。4個譜段生成全天空圖像,精度分別達(dá)到120μJy、160μJy、650μJy和2600μJy(1Jy=10-26W/(m2Hz))靈敏度。

該任務(wù)由平臺和有效載荷兩個主要部分組成。有效載荷為一個直徑40cm、視場角0.78°的望遠(yuǎn)鏡和4個紅外探測器組成,望遠(yuǎn)鏡設(shè)計工作溫度小于13K,反射鏡全部由鋁制成并鍍金以提高紅外譜段反射率。特別設(shè)計了平面掃描鏡,其移動速度可抵消成像期間WISE姿態(tài)轉(zhuǎn)動角,從而實現(xiàn)每11s拍攝一次定格圖像。采用濾光片分光,從而能夠以4種不同的波長同時拍攝天空的同一部分,并配備專門開發(fā)的低溫讀出電子設(shè)備。4個探測器都放置在一個充滿固體氫圓柱形真空密封罐中以保持低溫,稱為低溫恒溫器,有兩個裝滿固體氫氣的罐分級實現(xiàn)WISE望遠(yuǎn)鏡冷卻到12K。12μm和22μm探測器在低于8K下運(yùn)行,較短波長的3.4μm和4.6μm探測器在32K下運(yùn)行。航天器平臺采用三軸穩(wěn)定設(shè)計,兩個星敏感器用于提供精確姿態(tài)。固定式太陽翼安裝在平臺的一側(cè),平臺沒有可展開的部件,4個反作用輪用于執(zhí)行姿態(tài)控制。

已發(fā)布的數(shù)據(jù)表明:WISE的4個譜段5-sigma靈敏度實際達(dá)到了68μJy、98μJy、860μJy和5400μJy。雖然WISE并不是專門為近地小行星監(jiān)測預(yù)警而設(shè)計,但通過對其主任務(wù)期間獲取的數(shù)據(jù)分析及其后續(xù)拓展任務(wù)NEOWISE的實施,該探測器在小行星及彗星觀測方面取得了重要成果,如2011年6月,WISE發(fā)現(xiàn)了首顆地球特洛伊小行星2010TK7,發(fā)現(xiàn)了超過33500顆新的小行星和彗星等。在近地小天體方面,截至2022年底累計共發(fā)現(xiàn)395顆,其中NEAS為361顆,包括67顆潛在威脅小行星(PHA),彗星34顆。雖然NEOWISE是當(dāng)前國際編目貢獻(xiàn)率最高的天基設(shè)備,但因其主任務(wù)限定掃描策略固化及擴(kuò)展任務(wù)期間可用紅外譜段等限制,自2014年以來,每年發(fā)現(xiàn)的近地小天體為11～42顆之間,不足總發(fā)現(xiàn)量的1%,這也為發(fā)展專用業(yè)務(wù)化運(yùn)行的天基近地小天體監(jiān)測系統(tǒng)提供了實際工程借鑒。其獲取的部分小行星及彗星觀測圖像如圖1所示。

3.2 NEO Surveyor任務(wù)

NEO Surveyor任務(wù)早期稱為NEOCam,是NASA第一個專用于近地小天體天基監(jiān)測項目[20]。該任務(wù)最早在2005年提出,雖然美國國會2005年通過“喬治·布朗近地天體調(diào)查法案”授權(quán)NASA對90%以上尺寸大于140m的危險近地小行星進(jìn)行搜索、編目和特征刻畫,但是一直沒有給予相應(yīng)資金,使得該任務(wù)論證進(jìn)展緩慢。2010—2017年該項目獲得了技術(shù)發(fā)展資金用于設(shè)計和測試為近地天體探測和尺寸測量優(yōu)化的紅外探測器。2021年6月該任務(wù)轉(zhuǎn)入關(guān)鍵設(shè)計評審-B(KDP-B)階段,計劃于2026年上半年發(fā)射,但由于2022年度NASA項目資金調(diào)整,發(fā)射計劃調(diào)整為不早于2028年。最新進(jìn)展是2022年12月,該項目通過了NASA的關(guān)鍵設(shè)計評審-C(KDP-C)階段評審,經(jīng)費(fèi)增加到12億美元,發(fā)射計劃預(yù)計仍將延后到2028年。主要工程指標(biāo)參數(shù)見表4[20]。

表4 主要技術(shù)指標(biāo)Table 4 Primary technology parameter

任務(wù)目標(biāo)主要包括:①在5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)約66.7%的不小于140m潛在威脅小行星(PHA)(最終目標(biāo)是完成90%以上PHA編目),在會引起嚴(yán)重的區(qū)域性破壞的直徑不小于140m的大多數(shù)近地小行星和彗星發(fā)現(xiàn)和跟蹤方面取得顯著快速的進(jìn)步;②通過雙譜段觀測來估算所有探測目標(biāo)的直徑,在可獲取可見光數(shù)據(jù)的條件下計算反射率。約束撞擊能量來評估風(fēng)險;③預(yù)測能夠引起嚴(yán)重區(qū)域性破壞的PHA和彗星(直徑50～140m)撞擊概率的累積變化。

該任務(wù)有效載荷配置了一套50cm口徑的望遠(yuǎn)鏡,在兩個熱紅外譜段上進(jìn)行小行星觀測。之所以選擇紅外譜段進(jìn)行觀測,主要是由于紅外觀測不依賴于小天體的反照率,因此,能夠更精確地確定目標(biāo)小行星的尺寸,也能夠?qū)Φ头凑章实男√祗w進(jìn)行有效探測。衛(wèi)星平臺集成了NEOWISE等工程技術(shù),仍由鮑爾航天系統(tǒng)公司研制。結(jié)合科學(xué)需求與工程實施可行性優(yōu)化選擇了日-地L1點(diǎn)作為業(yè)務(wù)軌道,針對近地小行星監(jiān)測預(yù)警任務(wù)場景設(shè)計了兩種工作模式,場景一:發(fā)現(xiàn)和跟蹤模式,該模式通過兩個紅外波段探測和巡天節(jié)奏的設(shè)計,實現(xiàn)目標(biāo)的自主發(fā)現(xiàn)和高精度定軌,同步生成所有目標(biāo)的尺寸特征;場景二:精測模式,對于所關(guān)注的目標(biāo),中斷巡天節(jié)奏,進(jìn)行目標(biāo)精細(xì)測量。

通過設(shè)計業(yè)務(wù)軌道在日地L1點(diǎn),保證了探測器具有較大的巡天范圍。經(jīng)仿真分析,其4年任務(wù)周期中,66.7%的潛在高風(fēng)險近地小行星將出現(xiàn)在相機(jī)觀測范圍內(nèi),NEO Surveyor能夠有效對其進(jìn)行探測、定位,并將對這些小行星的尺寸、組成、形狀、運(yùn)動特征等開展深入研究。

4 技術(shù)特征與趨勢分析

分析主要天基監(jiān)測系統(tǒng)的性能參數(shù)與監(jiān)測效能,重點(diǎn)針對在軌WISE/NEOWISE任務(wù)及在研NEO Surveyor兩個典型案例,后續(xù)天基監(jiān)測系統(tǒng)建議具備的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢歸納如下。

(1)中大口徑:考慮到千米級近地小天體編目率已超過95%,后續(xù)重點(diǎn)目標(biāo)應(yīng)是針對140m及以下的更暗弱目標(biāo),而對比當(dāng)前在軌的NEOSSat任務(wù)(口徑0.15m)與NEOWISE任務(wù)(口徑0.4m)已實現(xiàn)的小天體編目貢獻(xiàn)率可知,小口徑天基任務(wù)國際編目貢獻(xiàn)難于大幅提升,為此建議后續(xù)天基近地小天體專用監(jiān)測系統(tǒng)需要具備足夠的口徑(如NEO Surveyor口徑為0.5m以上),才能保證具備足夠高的監(jiān)測靈敏度,更有利于發(fā)現(xiàn)、編目、預(yù)警和屬性測量確定暗弱近地小天體目標(biāo)。

(2)大視場:在保證具備相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)口徑滿足監(jiān)測靈敏度基礎(chǔ)上,大視場系統(tǒng)具有更高的在近地小天體發(fā)現(xiàn)編目效率。例如,當(dāng)前在軌的最大單口徑紅外任務(wù)(Herschel)、最大展開式口徑任務(wù)(JWST)等兩臺望遠(yuǎn)鏡靈敏度足夠,但因其典型小視場(角秒級)設(shè)計,將其與具有相對大視場的NEOWISE(角分級)、Neo Surveyor(度級)任務(wù)直接對比,后者體現(xiàn)了更高的發(fā)現(xiàn)編目效率。大視場系統(tǒng)具有更高編目效率的原因在于近地小天體的空間分布隨機(jī)性,只有大視場支持高效率廣度巡天,才能實現(xiàn)更有效近地小天體搜索編目。為此建議后續(xù)發(fā)現(xiàn)編目和預(yù)警為目的的天基監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)注視場10平方度量級及以上系統(tǒng)。

(3)多譜段:已調(diào)研和典型案例剖析的系統(tǒng)都配置的多譜段載荷或焦面,考慮到近地小天體尺寸重要屬性的精確測量等需求,建議后續(xù)系統(tǒng)至少需要配置紅外雙譜段,且在波長范圍上需要考慮近地小天體主要輻射能量譜段在10μm左右的熱紅外特征選取。

(4)遠(yuǎn)地球軌位:近地軌道、日地L1/L2、地球拖尾軌道等均已有在軌工程經(jīng)驗,綜合考慮工程可行性、科學(xué)目標(biāo)、編目和預(yù)警貢獻(xiàn)等,美國正在論證的業(yè)務(wù)化近地小天體監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)NEO Surveyor(預(yù)計2028年發(fā)射)選用了日地L1點(diǎn)方案,考慮到近地小天體監(jiān)測具有科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第一原則及人類命運(yùn)共同體特征,軌位選擇需要權(quán)衡工程可行性、國際合作性、科學(xué)目標(biāo)匹配性等綜合優(yōu)選。

(5)熱控和星上智能處理等平臺技術(shù):考慮近地小天體溫度特性,需要光學(xué)組件70K左右、焦平面組件40K左右的深低溫?zé)峥丶夹g(shù)。同時考慮長壽命要求,建議被動制冷為主。同時,針對暗弱目標(biāo)監(jiān)測/定位/關(guān)聯(lián)定軌、智能任務(wù)規(guī)劃和協(xié)同觀測等需求,也對星上在軌處理、深空高速數(shù)傳、空間展開機(jī)構(gòu)、高精度指向穩(wěn)定控制等平臺技術(shù)提出較高要求。

5 我國天基監(jiān)測任務(wù)目標(biāo)設(shè)計及技術(shù)方向

5.1 我國天基監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)目標(biāo)設(shè)計

結(jié)合對近地小天體天基監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展階段應(yīng)發(fā)展試驗后具備轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行能力的工程階段定位,充分考慮到我國現(xiàn)有情況,對我國天基監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)提出如下建議。

(1)補(bǔ)齊地基監(jiān)測能力不足,對標(biāo)國際領(lǐng)先水平,發(fā)展先進(jìn)天基系統(tǒng)?；诎l(fā)展天基設(shè)備,構(gòu)建天地協(xié)同系統(tǒng)的總體設(shè)想,補(bǔ)齊地基監(jiān)測系統(tǒng)能力不足,按照科學(xué)發(fā)現(xiàn)“只有第一,沒有第二”的選擇標(biāo)準(zhǔn),對標(biāo)美國計劃于2028發(fā)射的Neo Surveyor,建議優(yōu)先發(fā)展試驗后可轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行的口徑大于等于0.5m且視場大于等于10平方度左右的天基系統(tǒng)。

(2)提出中國特色天基方案,獲取高精度多屬性測量科學(xué)數(shù)據(jù)。從當(dāng)前國際最精確的近地小天體可見光反射-紅外輻射精確熱模型出發(fā),考慮開展可見光、雙波段紅外同步聯(lián)合觀測,同時獲取近地小天體可見光反射、紅外雙波段的高精度輻射特征數(shù)據(jù),為實現(xiàn)近地小天體尺寸反演精度達(dá)到30%左右,從而為近地小天體精確熱模型科學(xué)研究、近地小天體高精度撞擊風(fēng)險評估等作出貢獻(xiàn)。

(3)服務(wù)構(gòu)建我國近地小天體防御系統(tǒng),探索近地小天體迫近發(fā)現(xiàn)預(yù)警新模式。當(dāng)前美國近地小天體防御的主要目標(biāo)是完成90%以上140米級近地小天體發(fā)現(xiàn)和編目,從而實現(xiàn)長期預(yù)警[21],我國構(gòu)建近地小天體防御系統(tǒng),既要兼顧美國等已有研究基礎(chǔ),不斷完善140米級以上近地小天體的源頭編目預(yù)警,還要考慮通過與地球軌道相對穩(wěn)定的軌位設(shè)計(如日地平動L1點(diǎn)、領(lǐng)航/拖尾軌道等)、全天區(qū)快速覆蓋的巡天策略設(shè)計,以及天地聯(lián)合天區(qū)分配協(xié)同觀測設(shè)計,實現(xiàn)對140米級以下的近地小天體的短臨發(fā)現(xiàn)進(jìn)入告警等,保衛(wèi)地球家園安全。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)方向

立足我國特色天基監(jiān)測任務(wù)目標(biāo)實現(xiàn),對應(yīng)梳理了4項主要關(guān)鍵技術(shù)方向,為適時發(fā)展工程系統(tǒng)提供參考。

1)可見光/紅外多譜段大視場載荷技術(shù)

來源于滿足近地小行星監(jiān)測可見光成像幾何觀測和軌道確定、紅外屬性測量與精確建模、大視場高效巡天等三個核心需求。技術(shù)特征包括:一是采用可見光/紅外多譜段觀測,可以彌補(bǔ)我國地基可見光觀測設(shè)備數(shù)量和能力的不足,實現(xiàn)小行星發(fā)現(xiàn)編目和預(yù)警能力快速躍升;二是實現(xiàn)共口徑同步觀測,滿足精確小行星尺寸等屬性精細(xì)建模需求,在國際上首次實現(xiàn)可見光紅外同步數(shù)據(jù)獲取,為建立滿足基爾霍夫定理的小行星觀測模型提供高精度新品質(zhì)科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ);三是具備航天工程實施基礎(chǔ),可借鑒已成功在軌的1m左右口徑空間光學(xué)載荷經(jīng)驗,通過適當(dāng)優(yōu)化光學(xué)口徑與視場、開展可見光紅外共口徑設(shè)計、分光與分色濾鏡組合配置、多譜段焦面幾何/能量與光學(xué)參數(shù)一體仿真優(yōu)化等航天總體與載荷技術(shù)優(yōu)化,實現(xiàn)航天器總體、光學(xué)、焦平面、國產(chǎn)核心元器件、控制等綜合尋優(yōu),構(gòu)成我國獨(dú)立自主工程與創(chuàng)新科學(xué)特色結(jié)合的系統(tǒng)方案。

2)天地聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃與巡天策略設(shè)計技術(shù)

近地小行星監(jiān)測發(fā)現(xiàn)與編目具有唯一性(已發(fā)現(xiàn)的無需再發(fā)現(xiàn))和空間時效性(可觀測時段出現(xiàn)在特定天區(qū),只能由可視視場覆蓋該天區(qū)的設(shè)備及時捕獲)?？紤]“太陽-NEO-地基/天基設(shè)備”組成的時變觀測幾何、日凌事件等影響,需要通過合理的天地聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃分配優(yōu)化不同設(shè)備形成聯(lián)合的觀測時段與觀測目標(biāo)視場序列,才能綜合發(fā)揮已有天地基設(shè)備的各自最優(yōu)效能;同一設(shè)備還需要針對設(shè)備及目標(biāo)特點(diǎn)開展巡天策略設(shè)計,優(yōu)化其觀測積分時間、單視場重復(fù)觀測次數(shù)、觀測間隔、巡天路徑等,進(jìn)而獲取最優(yōu)觀測記錄(tracklets),綜合發(fā)揮設(shè)備效能。NEOWISE等在軌運(yùn)行經(jīng)驗已經(jīng)證明,科學(xué)高效的任務(wù)規(guī)劃將極大提升搜索發(fā)現(xiàn)和編目測量整體效能;即使采用相同觀測設(shè)備,僅通過優(yōu)化近地小天體巡天策略,也可能極大提升單臺設(shè)備極限監(jiān)測能力、編目效率、預(yù)警時間等。因此針對近地小行星監(jiān)測發(fā)現(xiàn)、編目更新、迫近預(yù)警等不同目標(biāo)導(dǎo)向,突破天地聯(lián)合的任務(wù)規(guī)劃與巡天策略設(shè)計技術(shù),并融入在軌探測器總體方案,二者相匹配,一是可以提升國際/我國小行星監(jiān)測系統(tǒng)整體運(yùn)行效能;二是通過這一體系總體層面的關(guān)鍵技術(shù)研究,可能突破形成我國自主的近地小行星迫近告警系統(tǒng)新能力、新方案。

3)被動深低溫制冷技術(shù)

考慮近地小天體運(yùn)動暗弱特性,已有的天基系統(tǒng)長期在軌運(yùn)行經(jīng)驗表明:對應(yīng)近地小天體這類暗弱目標(biāo),紅外望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)與支撐結(jié)構(gòu)的熱輻射和雜散光將會成為影響探測性能的主要因素,為此必須采用低溫制冷技術(shù),可有效地減少背景光子通量,提高探測器的靈敏度?？紤]到黃道面背景輻射、近地小天體平均300K左右溫度特性,需要空間紅外天文望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)制冷到約70K,紅外探測器需要制冷到約40K。雖然儲存式制冷已可達(dá)到幾開,但考慮到近地小行星監(jiān)測需要長期業(yè)務(wù)化運(yùn)行需求(長壽命、連續(xù)工作),須優(yōu)選被動制冷方案,重點(diǎn)突破高效隔熱遮陽屏、輻射式制冷器、深低溫主動式制冷機(jī)(斯特林制冷機(jī)、脈管制冷機(jī))調(diào)節(jié)等技術(shù)。突破形成被動為主,主動維持的制冷系統(tǒng),進(jìn)而克服儲存式制冷使用壽命短的缺點(diǎn),進(jìn)而考慮軌位背景溫度、可用紅外探測器件特征工作溫度,形成滿足小行星監(jiān)測任務(wù)工程需求的被動深低溫制冷技術(shù)是仍需要從系統(tǒng)頂層研究和關(guān)鍵技術(shù)方向取得突破。

4)星上智能處理技術(shù)

近地小天體監(jiān)測任務(wù)的星上智能處理技術(shù),來源于3個方向的需求:一是為實現(xiàn)高精度指向控制,需要聯(lián)合載荷星圖獲取與姿態(tài)確定控制的在軌智能處理,考慮到小行星弱目標(biāo)成像過程中要求較長積分時間(如40s)和極高的指向穩(wěn)定度(毫角秒級),類比于已調(diào)研ESA的Gaia衛(wèi)星相關(guān)技術(shù),采用載荷獲取的恒星圖像直接在軌定姿,進(jìn)而用于姿態(tài)穩(wěn)定控制,對星上智能處理能力提出高要求;二是為降低數(shù)據(jù)傳輸速率,小行星天基監(jiān)測當(dāng)前一般選用遠(yuǎn)離地球(觀測幾何及避免地球紅外輻射需要)的軌道,且7×24h連續(xù)工作,成像數(shù)傳要求高(NEO Surveyor要求150Mbit/s),為此采用星上處理技術(shù)可以直接處理形成星點(diǎn)等簡要信息,為降低數(shù)傳速率提供有效解決方案;三是滿足發(fā)現(xiàn)并及時后隨精測的需求,近地小行星來襲方向幾乎涵蓋以地球為中心的4π全空間,發(fā)現(xiàn)近地小天體后還需要及時后隨精密跟蹤測量確認(rèn)其撞擊概率、評估撞擊危害等,為此需要通過星上智能處理快速從掃描模式中發(fā)現(xiàn)目標(biāo),并在軌及時計算小天體軌道并切換至追蹤觀測模式等。以上需求需要突破星上載荷與平臺數(shù)據(jù)聯(lián)合處理、載荷數(shù)據(jù)存儲和圖像智能識別、多幀圖像比對分析(動目標(biāo)監(jiān)測)、目標(biāo)軌道遞推和追蹤控制等星上存貯、算力和算法等技術(shù)支持。

6 結(jié)束語

本文基于“論證構(gòu)建近地小天體防御系統(tǒng)”的需求,調(diào)研對比了已在軌/在研典型天基系統(tǒng)監(jiān)測近地小天體的效能,進(jìn)一步分析了NEOWISE、NEO Surveyor等任務(wù)技術(shù)特征,進(jìn)而提出了發(fā)展中大口徑、大視場、多譜段、遠(yuǎn)地球軌位、具備深低溫?zé)峥睾托巧现悄芴幚淼绕脚_技術(shù)等近地小天體天基監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)趨勢,基于我國近地小天體天基監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo),梳理了可見光/紅外多譜段大視場載荷、天地聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃與巡天策略設(shè)計技術(shù)、被動深低溫制冷等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向,可為建設(shè)近地小天體防御系統(tǒng)提供參考。

截至2023年8月,已經(jīng)累計發(fā)現(xiàn)了32000多顆近地小行星。其中直徑1km及以上的近地小行星853顆,預(yù)計發(fā)現(xiàn)編目率超過了95%[22],為有效預(yù)報具有全球影響的近地小天體撞擊地球事件提供了科學(xué)依據(jù)。然而近地小天體監(jiān)測預(yù)警仍然任重道遠(yuǎn),預(yù)計目前140米級近地小行星編目完成率僅為約40%,按照現(xiàn)有地基設(shè)備的發(fā)現(xiàn)速度,還需要30年的時間才能實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)90%以上140米級近地小行星的目標(biāo),而發(fā)射類似于NEO Surveyor的天基系統(tǒng),可以使這一時間縮短到10年。為此,美國、歐洲先后提出了發(fā)展近地小天體天基監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃。目前針對50米級近地小行星的編目完成率僅為3%,10米級的約為1%,未來如何實現(xiàn)高效編目或可靠迫近告警,仍待持續(xù)深入研究。