“仰望一号”太空望远镜在轨综合应用

牛书，苏萌，2，张晓佳，王卓骁

（1.起源太空（南京）科技有限公司，南京 210094；2.香港大学太空研究实验室，中国香港 999077）

1 引言

随着人类对宇宙的探索越来越深入，空间环境的开发和利用也受到越来越多国家的重视。航天技术的发展使得人类的航天活动日益频繁，各类人造天体的数量也随之增加。这些探索虽然给人类带来了许多便利，但也使得空天环境变得越来越恶化。例如，地球的空间轨道资源日益紧张［1，2］，外空中存在的大量碎片已威胁到太空安全［3，4］。

为解决这些问题，许多国际组织致力于推动太空环境的可持续利用和发展。例如，联合国设立了太空事务办公室，旨在加强国际合作，促进太空活动的和平利用和可持续发展。此外，许多国家和私人企业也在积极研发太空清理技术，以清理太空中的碎片，保护太空安全。

此外，近年来研究小行星的重要性越来越受到重视，因为它们可以为我们提供关于太阳系起源和演化的重要信息。目前，已经有一些科学任务致力于研究小行星，例如OSIRIS-Rex（NASA）、Hayabusa 2 （JAXA）等。这些任务将收集小行星样本并将它们带回地球，供科学家们进一步研究。前不久美国国家航空航天局（NASA）正式宣布“双小行星重定向测试”（D o u b l e Asteroid Redirection Test，DART）任务成功改变小行星的轨道［5，6］，完成了人类首次对于小行星防御的技术测试。

除了纯学术研究外，小行星还有着巨大的资源潜力，因此也出现了许多研究利用小行星资源的活动。这些资源包括水、金属和其他有用的物质，可以为太空探索和开发提供支持［7］。因此，小行星资源研究也成为一个快速增长的领域。

综上所述，随着人类对宇宙的探索不断深入，我们需要更加注重太空环境的保护和可持续利用，以确保我们能够持续地进行太空探索和利用。

而“仰望一号”卫星的主要任务之一就是解决上述问题，而其在轨运行积累了丰富的成果。

2 “仰望一号”太空望远镜

2021年6月11日，由起源太空科技有限公司公司自主设计研发的载荷“仰望一号”太空望远镜搭乘长征二号丁火箭在太原卫星发射中心成功发射入轨，作为我国第一台光学、紫外双波段商业太空望远镜，标志着我国商业领域对于太空资源的探索与利用进入新阶段［8］。目前卫星已在轨运行1年9个月，性能保持良好，处于稳定工作阶段。图1展示了“仰望一号”的结构图，表1展示了部分重要性能指标。

图1 “仰望一号”三维结构图Fig.1 YangWang-1 3D structure diagram

表1 “仰望一号”卫星指标Table 1 YangWang-1 characteristics

“仰望一号”自发射升空开始，科学与技术团队经过深入研究与挖掘其能力，在天文、遥感、空间科学等不同领域取得了一系列的成果，包括：

（1）成为首个被国际天文学联合会（International Astronomical Union， IAU）小行星中心授予正式编号的中国太空望远镜［9］，编号C59。

（2）发挥天基望远镜的优势，对地球附近天文/大气现象的观测，比如称为“红色精灵”的放电现象、流星的多角度观测，被NASA 每日天文一图（Astronomy Picture of the Day， APOD）等权威网站收录［10，11］。

（3）于2022 年6 月完成首轮光学波段巡天，如图2所示，紫外波段巡天目前在持续进行中。

图2 “仰望一号”首轮光学波段巡天图Fig.2 YangWang-1 all-sky survey of first cycle

（4）提供多项基于夜光遥感数据的反映民生的科学报告［12，13］，比如为2023 年2 月联合国卫星中心（United Nations Satellite Centre， UNOSAT）发布的土耳其地震灯光损失评估报告［10］，提供了重要的灾害评估指标；

（5）完成中国夜光遥感一张图，星下点地表分辨率约40 m，目前在地理坐标精校准以及辐射校正中，预计将于2023年夏天发布完整结果，初步结果如图3所示。

图3 “仰望一号”全国夜光遥感一张图（示意图）Fig.3 YangWang-1 nighttime light map of China（schematic diagram）

当前“仰望一号”工作流程如图4 所示，通过精细的部署，“仰望一号”依托云平台已完成对每日下传的L0级原始数据的无监督的全自动化处理流程生成L1级，并根据不同学科领域需求完成L2级产品的分发。此外在进行有规律的巡天或者对地的持续观测之外，在被观测目标条件允许的情况下，卫星与团队能在少于24 h的时间区间内完成应急观测响应需求交付客户。

图4 “仰望一号”产品自动化流程图Fig.4 Flow chart of YangWang-1 production pipeline

截止到2023年3月20日前后，“仰望一号”已完成约6051轨观测并根据观测计划按照编排序号（OBSID）归档，其中包含光学/紫外巡天3599份、夜光遥感427份、人造卫星及空间碎片941份、小行星187 份、彗星216 份、月亮及太阳系行星18份、大气现象416份等，其余观测包括深空天体、天文暂现源、技术测试等，累积了详实的数据库。

3 “仰望一号”对自然天体与人造目标的商业观测

作为天基望远镜，“仰望一号”对空间碎片以及小行星等目标的观测，有着相对地基设备的优势，包括：

（1）对地球同步轨道类型卫星的监测。由于地基望远镜无法移动且难以同一类型设备大规模部署，所以很难对上述目标进行巡天式观测。

（2）避免天气对于可见性、大气抖动对于视宁度以及高度角不同造成的大气折射等影响。

（3）多波段观测，比如紫外波段无法透过大气窗口，而紫外波段有许多来自小行星反射太阳光的金属发射线。

3.1 动目标自动识别分类算法

当前对于包括空间碎片在内的动目标观测识别归类的自动算法多基于图像上拖线特征的判断［14-16］。但是对于“仰望一号”类似的观测设备存在部分的局限性与不适用性，包括单张照片内过短曝光时间目标难以与恒星等点源进行区分，拍摄间隔久导致目标不连续，大气在视场内快速移动对于探测的影响的消除，对于轨道交会产生的弯曲轨迹的同一目标的归类等。此外，现有算法也基本未考虑做成流水线作业的模式，无法和观测同步进行。

起源太空科学团队根据“仰望一号”自身硬件的特点，独立开发出适合其判断的流水线算法，基本流程如图5所示。

图5 动目标自动识别轨迹归类算法流程图Fig.5 Flow chart of the algorithm for moving targets recognition and trajectory catalog

图6 给出了自动探测并轨迹归类算法的一个结果（OBSID： 1123011401），拍摄于2023年1月14日，主要拍摄对象为一网（OneWeb）公司的低轨卫星（Low Earth Orbit， LEO）星座。其中图6b代表了归类后的空间目标轨迹，每个数字代表了一条目标轨迹的起始位置，虚线代表存疑的轨迹，在后续数据持续输入的过程中可以进行筛选，而×符号标记了未归类的目标，可能来自于仪器噪声、突然增亮的暂现目标、以及探测率较低的目标。图6c 给出了上述目标轨迹的亮度变化曲线。从中我们可以看出对于大部分目标的亮度曲线一致性很好，符合探测规律。此外也探测到两个短时标周期（约10 s）变化的目标，这对于我们评估空间目标工作状态尤为有用。

3.2 对空间目标机动的拍摄

空间目标机动检测的重要性在于确保太空中的航天器和卫星能够避免与其他空间目标发生碰撞，从而保持运行安全和稳定。

当前空间目标变轨在不同国家之间仍处于不透明的状态，而国家对于空间态势感知的能力则表明了我们对于空间资源的控制力与利用率［17］。

“仰望一号”卫星的光学相机具备较大的视场，能够对重要目标提前进行拍摄，对目标机动进行及时跟踪与预报。

图7 展示了2021 年9 月17 日（UTC 时间），“仰望一号”成功监测到SpaceX公司的“灵感”4号载人任务所搭乘的“龙”飞船在观测期间的三次点火变轨活动，其中每次点火的推进剂抛射物的分布角度和形态清晰可见。这不仅能够及时预报空间目标机动，而且为精确判断变轨机动的方向、动量、能量等提供了数据。这很可能是全世界仅有的第三方观测结果。

图7 “龙”飞船三次点火变轨 （OBSID： 1121091707）Fig.7 Crew Dragon ignitions （OBSID： 1121091707）

3.3 近地系统天体的观测

NASA的DART任务成功验证了小行星防御技术的可行性，最新结果表明通过航天器的撞击，双卫一Dimorphos的轨道周期成功降低了33.0± 1.0 min［18］。

2022 年9 月27 日23 时（UTC）前后，“仰望一号”持续多轨对于Dimorphos进行监测，成功监测到了DART任务对小行星撞击前后的变化，图8展示了前后对比图，可以看到撞击产生了巨大范围的抛射物与光变曲线流量变化。

图8 DART任务监测 （OBSID： 1122092614）Fig.8 The Impact from DART recorded by YangWang-1 （OBSID： 1122092614）

3.4 基于测角的人工目标的初轨确定

众所周知，随着空间目标的增长以及相当数目的非合作目标的存在，基于天基的光学观测对上述目标的轨道确定尤为必要。

由3.1节的算法产生的轨迹数据，我们尝试对于部分已知目标进行天基光学观测的初轨确定。

我们将目标观测的数分钟测角结果时间序列，以及“仰望一号”的自身的轨道信息序列进行坐标转换，基于Laplace 方法进行直接计算。通过对一些已知目标的轨道根数的比较，我们发现“仰望一号”对于发生交会的目标（例如OBSID： 1123011006、1123011112 等）有比较优秀的初值结果，其中三轴位置、速度矢量误差均在1%左右。

后续的持续监测或者和其他站点的协同观测可以将定轨精度进一步提升。

3.5 地球同步轨道卫星的普查

地球同步轨道是一种非常珍贵的轨道资源。虽然地球同步轨道碎片的密度远小于低轨的密度，但由于缺乏类似大气阻尼这样的碎片清除机制，导致地球同步轨道的碎片在轨时间长，且会逐步增长［19］。

由于地基观测的固定站点限制，所以地基望远镜无法对于地球同步（包括静止）轨道的目标进行统一的探测器观测。

“仰望一号”目前已经对GEO 带进行普查式巡天，通过GEO目标多帧叠图算法，提高探测信噪比，并可以筛选出地球同步非静止轨道目标。

图9 展示了“仰望一号”对地球东经20°的GEO目标的持续观测结果（宽度对应地球赤道经度约8°）， 可以看出中心接近水平的方向，对应沿着赤道上空的静止轨道目标，另外还存在部分分布在附近的同步轨道目标。预计包含详细的物理参数完整普查结果将于2023年夏秋公布，并对GEO带的分布进行绘制。

图9 地球同步轨道目标普查（OBSID： 1123012106）Fig.9 GEO objects survey （OBSID： 1123012106）

4 总结

“仰望一号”作为中国首个商业天文空间望远镜，在多学科中都取得了丰硕成果。在空间科学领域，也结合自身硬件与性能，积极发挥商业卫星特点，在空间目标编目、人造与自然天体的机动拍摄、近地系统的长期监测等方面发挥了作用。与领域学者和单位通力合作，通过探索取得了不少的积累，挖掘出了一定的商业价值，对于后续太空望远镜的科学目标以及商业航天提供了非常重要的指导意义。

由起源太空公司研制并制造的“仰望二号”卫星预计将于2023年内升空，届时其硬件能力将会显著提升，通过与“仰望一号”的协同工作将会提升产出，期待其在商业航天领域发挥更多作用。