“仰望一號”太空望遠鏡在軌綜合應用

牛書，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.香港大學太空研究實驗室，中國香港 999077）

1 引言

隨著人類對宇宙的探索越來越深入，空間環境的開發和利用也受到越來越多國家的重視。航天技術的發展使得人類的航天活動日益頻繁，各類人造天體的數量也隨之增加。這些探索雖然給人類帶來了許多便利，但也使得空天環境變得越來越惡化。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］。

為解決這些問題，許多國際組織致力于推動太空環境的可持續利用和發展。例如，聯合國設立了太空事務辦公室，旨在加強國際合作，促進太空活動的和平利用和可持續發展。此外，許多國家和私人企業也在積極研發太空清理技術，以清理太空中的碎片，保護太空安全。

此外，近年來研究小行星的重要性越來越受到重視，因為它們可以為我們提供關于太陽系起源和演化的重要信息。目前，已經有一些科學任務致力于研究小行星，例如OSIRIS-Rex（NASA）、Hayabusa 2 （JAXA）等。這些任務將收集小行星樣本并將它們帶回地球，供科學家們進一步研究。前不久美國國家航空航天局（NASA）正式宣布“雙小行星重定向測試”（D o u b l e Asteroid Redirection Test，DART）任務成功改變小行星的軌道［5，6］，完成了人類首次對于小行星防御的技術測試。

除了純學術研究外，小行星還有著巨大的資源潛力，因此也出現了許多研究利用小行星資源的活動。這些資源包括水、金屬和其他有用的物質，可以為太空探索和開發提供支持［7］。因此，小行星資源研究也成為一個快速增長的領域。

綜上所述，隨著人類對宇宙的探索不斷深入，我們需要更加注重太空環境的保護和可持續利用，以確保我們能夠持續地進行太空探索和利用。

而“仰望一號”衛星的主要任務之一就是解決上述問題，而其在軌運行積累了豐富的成果。

2 “仰望一號”太空望遠鏡

2021年6月11日，由起源太空科技有限公司公司自主設計研發的載荷“仰望一號”太空望遠鏡搭乘長征二號丁火箭在太原衛星發射中心成功發射入軌，作為我國第一臺光學、紫外雙波段商業太空望遠鏡，標志著我國商業領域對于太空資源的探索與利用進入新階段［8］。目前衛星已在軌運行1年9個月，性能保持良好，處于穩定工作階段。圖1展示了“仰望一號”的結構圖，表1展示了部分重要性能指標。

圖1 “仰望一號”三維結構圖Fig.1 YangWang-1 3D structure diagram

表1 “仰望一號”衛星指標Table 1 YangWang-1 characteristics

“仰望一號”自發射升空開始，科學與技術團隊經過深入研究與挖掘其能力，在天文、遙感、空間科學等不同領域取得了一系列的成果，包括：

（1）成為首個被國際天文學聯合會（International Astronomical Union， IAU）小行星中心授予正式編號的中國太空望遠鏡［9］，編號C59。

（2）發揮天基望遠鏡的優勢，對地球附近天文/大氣現象的觀測，比如稱為“紅色精靈”的放電現象、流星的多角度觀測，被NASA 每日天文一圖（Astronomy Picture of the Day， APOD）等權威網站收錄［10，11］。

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

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

（4）提供多項基于夜光遙感數據的反映民生的科學報告［12，13］，比如為2023 年2 月聯合國衛星中心（United Nations Satellite Centre， UNOSAT）發布的土耳其地震燈光損失評估報告［10］，提供了重要的災害評估指標；

（5）完成中國夜光遙感一張圖，星下點地表分辨率約40 m，目前在地理坐標精校準以及輻射校正中，預計將于2023年夏天發布完整結果，初步結果如圖3所示。

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

當前“仰望一號”工作流程如圖4 所示，通過精細的部署，“仰望一號”依托云平臺已完成對每日下傳的L0級原始數據的無監督的全自動化處理流程生成L1級，并根據不同學科領域需求完成L2級產品的分發。此外在進行有規律的巡天或者對地的持續觀測之外，在被觀測目標條件允許的情況下，衛星與團隊能在少于24 h的時間區間內完成應急觀測響應需求交付客戶。

圖4 “仰望一號”產品自動化流程圖Fig.4 Flow chart of YangWang-1 production pipeline

截止到2023年3月20日前后，“仰望一號”已完成約6051軌觀測并根據觀測計劃按照編排序號（OBSID）歸檔，其中包含光學/紫外巡天3599份、夜光遙感427份、人造衛星及空間碎片941份、小行星187 份、彗星216 份、月亮及太陽系行星18份、大氣現象416份等，其余觀測包括深空天體、天文暫現源、技術測試等，累積了詳實的數據庫。

3 “仰望一號”對自然天體與人造目標的商業觀測

作為天基望遠鏡，“仰望一號”對空間碎片以及小行星等目標的觀測，有著相對地基設備的優勢，包括：

（1）對地球同步軌道類型衛星的監測。由于地基望遠鏡無法移動且難以同一類型設備大規模部署，所以很難對上述目標進行巡天式觀測。

（2）避免天氣對于可見性、大氣抖動對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，比如紫外波段無法透過大氣窗口，而紫外波段有許多來自小行星反射太陽光的金屬發射線。

3.1 動目標自動識別分類算法

當前對于包括空間碎片在內的動目標觀測識別歸類的自動算法多基于圖像上拖線特征的判斷［14-16］。但是對于“仰望一號”類似的觀測設備存在部分的局限性與不適用性，包括單張照片內過短曝光時間目標難以與恒星等點源進行區分，拍攝間隔久導致目標不連續，大氣在視場內快速移動對于探測的影響的消除，對于軌道交會產生的彎曲軌跡的同一目標的歸類等。此外，現有算法也基本未考慮做成流水線作業的模式，無法和觀測同步進行。

起源太空科學團隊根據“仰望一號”自身硬件的特點，獨立開發出適合其判斷的流水線算法，基本流程如圖5所示。

圖5 動目標自動識別軌跡歸類算法流程圖Fig.5 Flow chart of the algorithm for moving targets recognition and trajectory catalog

圖6 給出了自動探測并軌跡歸類算法的一個結果（OBSID： 1123011401），拍攝于2023年1月14日，主要拍攝對象為一網（OneWeb）公司的低軌衛星（Low Earth Orbit， LEO）星座。其中圖6b代表了歸類后的空間目標軌跡，每個數字代表了一條目標軌跡的起始位置，虛線代表存疑的軌跡，在后續數據持續輸入的過程中可以進行篩選，而×符號標記了未歸類的目標，可能來自于儀器噪聲、突然增亮的暫現目標、以及探測率較低的目標。圖6c 給出了上述目標軌跡的亮度變化曲線。從中我們可以看出對于大部分目標的亮度曲線一致性很好，符合探測規律。此外也探測到兩個短時標周期（約10 s）變化的目標，這對于我們評估空間目標工作狀態尤為有用。

3.2 對空間目標機動的拍攝

空間目標機動檢測的重要性在于確保太空中的航天器和衛星能夠避免與其他空間目標發生碰撞，從而保持運行安全和穩定。

當前空間目標變軌在不同國家之間仍處于不透明的狀態，而國家對于空間態勢感知的能力則表明了我們對于空間資源的控制力與利用率［17］。

“仰望一號”衛星的光學相機具備較大的視場，能夠對重要目標提前進行拍攝，對目標機動進行及時跟蹤與預報。

圖7 展示了2021 年9 月17 日（UTC 時間），“仰望一號”成功監測到SpaceX公司的“靈感”4號載人任務所搭乘的“龍”飛船在觀測期間的三次點火變軌活動，其中每次點火的推進劑拋射物的分布角度和形態清晰可見。這不僅能夠及時預報空間目標機動，而且為精確判斷變軌機動的方向、動量、能量等提供了數據。這很可能是全世界僅有的第三方觀測結果。

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

3.3 近地系統天體的觀測

NASA的DART任務成功驗證了小行星防御技術的可行性，最新結果表明通過航天器的撞擊，雙衛一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（UTC）前后，“仰望一號”持續多軌對于Dimorphos進行監測，成功監測到了DART任務對小行星撞擊前后的變化，圖8展示了前后對比圖，可以看到撞擊產生了巨大范圍的拋射物與光變曲線流量變化。

圖8 DART任務監測 （OBSID： 1122092614）Fig.8 The Impact from DART recorded by YangWang-1 （OBSID： 1122092614）

3.4 基于測角的人工目標的初軌確定

眾所周知，隨著空間目標的增長以及相當數目的非合作目標的存在，基于天基的光學觀測對上述目標的軌道確定尤為必要。

由3.1節的算法產生的軌跡數據，我們嘗試對于部分已知目標進行天基光學觀測的初軌確定。

我們將目標觀測的數分鐘測角結果時間序列，以及“仰望一號”的自身的軌道信息序列進行坐標轉換，基于Laplace 方法進行直接計算。通過對一些已知目標的軌道根數的比較，我們發現“仰望一號”對于發生交會的目標（例如OBSID： 1123011006、1123011112 等）有比較優秀的初值結果，其中三軸位置、速度矢量誤差均在1%左右。

后續的持續監測或者和其他站點的協同觀測可以將定軌精度進一步提升。

3.5 地球同步軌道衛星的普查

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小于低軌的密度，但由于缺乏類似大氣阻尼這樣的碎片清除機制，導致地球同步軌道的碎片在軌時間長，且會逐步增長［19］。

由于地基觀測的固定站點限制，所以地基望遠鏡無法對于地球同步（包括靜止）軌道的目標進行統一的探測器觀測。

“仰望一號”目前已經對GEO 帶進行普查式巡天，通過GEO目標多幀疊圖算法，提高探測信噪比，并可以篩選出地球同步非靜止軌道目標。

圖9 展示了“仰望一號”對地球東經20°的GEO目標的持續觀測結果（寬度對應地球赤道經度約8°）， 可以看出中心接近水平的方向，對應沿著赤道上空的靜止軌道目標，另外還存在部分分布在附近的同步軌道目標。預計包含詳細的物理參數完整普查結果將于2023年夏秋公布，并對GEO帶的分布進行繪制。

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

4 總結

“仰望一號”作為中國首個商業天文空間望遠鏡，在多學科中都取得了豐碩成果。在空間科學領域，也結合自身硬件與性能，積極發揮商業衛星特點，在空間目標編目、人造與自然天體的機動拍攝、近地系統的長期監測等方面發揮了作用。與領域學者和單位通力合作，通過探索取得了不少的積累，挖掘出了一定的商業價值，對于后續太空望遠鏡的科學目標以及商業航天提供了非常重要的指導意義。

由起源太空公司研制并制造的“仰望二號”衛星預計將于2023年內升空，屆時其硬件能力將會顯著提升，通過與“仰望一號”的協同工作將會提升產出，期待其在商業航天領域發揮更多作用。