1、Vol.23 No.22023空间碎片研究SpaceDebrisResearch第 23 卷 第 2 期2023 年“仰望一号”太空望远镜在轨综合应用牛书1，苏萌1，2，张晓佳1，王卓骁1（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）摘 要：“仰望一号”作为中国首个发射升空的商业太空望远镜，近两年来在轨运行状态良好。在不同学科领域都取得了丰硕的成果，包括银河系巡天、夜光遥感、灾害监测、大气现象等。而在空间科学方面，由于空间碎片的持续增长，以及近地小天体的撞击风险成为当今亟待解决的问题，“仰望一号”也结合自身的硬件与特性，进行了一系列
2、的在轨综合应用，包括在移动目标自动识别编目、人工目标的机动拍摄、近地小行星观测、目标定初轨以及地球同步轨道目标普查等一系列的尝试，积累了不少有用的成果，取得了一定的商业价值。关键词：空间望远镜；空间碎片；卫星定轨；小行星；商业航天DOI：10/19963/ki.2096-4099.2023.02.002 中图分类号：V19 文献标识码：A YangWang-1 Space Telescope Space In-orbit Comprehensive ApplicationsNIU Shu1，SU Meng1，2，ZHANG Xiao-jia2，WANG Zhuo-xiao2（1.Origin
3、Space Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210094，China；2.Laboratory for Space Research，The University of Hong Kong，Hong Kong 999077，China）Abstract：YangWang-1 is the first commercial space telescope launched into orbit by China，and it has been in good operational condition for the past two years.It has achie
4、ved fruitful results in different disciplines，including Milky Way all-sky survey，night light remote sensing，natural disaster monitoring，atmospheric phenomena，etc.In the field of space science，the continuous growth of space debris and the risk of near-Earth asteroid impacts have become urgent problem
5、s that need to be solved.YangWang-1 has also made out a series of comprehensive applications in orbit，including automatic identification and cataloging of moving targets，maneuvers of artificial objects，observation of near-Earth asteroids，initial orbit determination of targets，and the census of geosy
6、nchronous orbit objects，based on its own hardware and characteristics.Through these attempts，we have accumulated a lot of useful results and achieved certain commercial value.Key words：space telescope；space debris；orbit determination；asteroid；commercial aerospace1 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
7、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14空间碎片研究第 23 卷日益紧张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。
8、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”（Double 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。
9、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
10、一号”三维结构图Fig.1 YangWang-1 3D structure diagram“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、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。（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2“仰望一号”首轮光学波段巡天图Fig.2 YangWang-1 all-sky survey of first c
12、ycle第 23 卷“仰望一号”太空望远镜在轨综合应用15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。截止到2023年3月20日前后，“仰望
13、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。表1“仰望一号”卫星指标Table 1 YangWang-1 characteristics参数数值轨道类型太阳同步轨道轨道高度499.7 km轨道周期93.9 min工作模式10 min/轨数据量10轨/天，约1000张图像指向精度0.1 姿态稳定度0.001/s观测模式惯性指向凝视；GEO目标追踪载荷
14、光学相机紫外相机口径75 mm90 mm探测能段420700 nm250280 nm探测器12位科学级CMOS像素数目2048 2048像素大小11 m分辨率15 角秒/像素11 角秒/像素视场大小8.8 8.85.7 5.7曝光时间30 s 4.8 s极限星等（4 s曝光）15.0 等11.2 等注：光学与紫外相机可以同时工作；GEO：地球静止轨道。固定观测计划测控站上注测控站接收云储存、云计算服务器流水线自动处理观测计划辅助信息、分类L1数据归档遥感GeoTIFF天文FITS其他L2格式需求算法开发推送原始数据下传上传临时观测计划可行性评估图4“仰望一号”产品自动化流程图Fig.4 Flo
15、w chart of YangWang-1 production pipeline16空间碎片研究第 23 卷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
16、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
