近地小天體天基監測系統發展研究

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計部,北京 100094)

《2021中國的航天》提出了“論證建設近地小天體防御系統”需求方向。近地小天體監測預警包括:搜索發現、數據匯集、告警/編目管理、風險研判、威脅預警、防御應對支持等環節[1]。通過監測對近地小天體進行源頭編目管理或完成迫近發現告警,盡早提供準確預警信息,是防范化解撞擊風險的最基本要求[2],也是后續應對處置、災害救援工作的前提。

發展天基系統,實現天地協同,是構建后續近地小天體監測預警系統的重要方向[3]。當前地基光學系統是近地小天體監測的最主要手段。2022年全球共發現3182顆近地小行星(不含彗星等其他近地小天體),累計發現總數量達到31014顆,99%的數據來自于地基光電望遠鏡。其優勢是易實現,成本較低,技術成熟。基于對已發現近地小天體的觀測天區與數量分布統計[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,當前地基為主的全球近地小天體監測預警能力也存在以下不足:①由于晝夜、天氣、大氣等因素影響,地基望遠鏡有效觀測時間有限,無法實現全天時全天候工作;②即便考慮地基望遠鏡全球布站,太陽方向仍存在地基監測設備的監測盲區;③從迫近告警和多維屬性測量的角度,地基系統不具備全天時、全天區、全譜段監測能力,亟需發展天基系統形成地球迫近全方位的預警能力;④隨著大規模星座發射入軌后的干擾影響,地基系統效率效能將面臨更大挑戰。

相比于地基監測系統,天基監測系統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,拓展可觀測天區和可觀測時段等[1]。同時,通過合理軌位設計部署,優選最佳監測譜段,優化“小天體-地球-太陽-探測器”觀測幾何等,可具備的主要優勢如下: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),達到相同探測能力時,天基探測系統口徑可比地基系統減小至1/2～1/4[7];④通過合理軌道設計,可彌補地基監測盲區并可規避地基全球布局困難,實現全天區迫近告警等。

為此,本文在分析天基監測系統優勢基礎上,回顧相關發展歷程,梳理天基監測系統技術特征與典型任務,提出我國天基監測發展方向建議。

1 國外近地小天體監測系統發展研究

2019年美國科學委員會針對盡快實現90%以上140米級近地小行星發現編目目標(喬治布朗(George E. Brown)法案規定)[2],系統分析了天基、地基、空基等不同監測系統平臺;可見光、紅外、雷達等不同探測手段優劣勢,見表1[8]。報告最終推薦支持發展紅外天基監測系統,構建天地協同監測能力的建議。由于已發現小行星數量美國占比達到98%以上,且這份報告由美國科學委員會召集NASA、高校、工業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測設備的優劣勢分析Table 1 Advantages and disadvantages of NEO space-based and earth-based equipment

2 主要天基系統及近地小天體監測

天基監測系統起源于空間天文觀測。自1983年美國成功發射第一顆紅外天文衛星(IRAS)以來,歷經40年發展,極大地拓展了人類對宇宙的視野和認知[9-10]。

考慮到近地小天體監測預警,當前主要以可見光與紅外監測手段為主的譜段相關性[11],針對近地小天體天基監測任務已做出貢獻或具有技術繼承與借鑒作用,選取以下3類系統。

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

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

(3)拓展/主任務類,針對近地小天體的包括近地小天體寬視場紅外望遠鏡(NEOWISE)、近地小天體監視衛星(NEOSSat)、近地小天體巡察器(NEO Surveyor),共8個系統(見表2)[12-20],具體分析其載荷、平臺、軌道等技術參數指標和監測能力/效果評價信息及相關性。進一步選取當前天基貢獻最多NEOWISE及下一步重點發展的NEO Surveyor兩個典型任務做細化指標調研,歸納技術特征與發展趨勢,為后續發展天基系統的技術特征和能力指標邊界提供參考。

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

在近地小天體監測方面,基于已公布數據,8個系統在軌近地小天體監測概要如下。

(1)對比基準類。Hubble和JWST均仍在軌運行。在近地小天體監測預警方面,因視場小,對搜索發現及編目貢獻不明顯。特點是在有先驗引導下可開展精細屬性測量,如可參與NASA的雙小行星重定向測試任務(DART)效果觀測。定位是針對業務系統已發現的特定目標開展最精細監測的有效兼用手段。

(2)單項技術參考類。3個系統同樣因視場小等因素,對小行星搜索發現貢獻不明顯。Gaia衛星仍在軌運行,因其最低亮度達到20.5星等及全天區搜索能力,任務初期完成了對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、星上處理技術等可為近地小行星監測提供技術參考;Spitzer探測器主任務后轉入“熱觀測”模式,2020年1月30日退役,其軌道設計及其被動制冷可達28.7K等可為近地小行星監測提供技術參考;2013年4月29日Herschel衛星因制冷劑耗盡而結束任務,空間單一口徑最大光學統、極限低溫長波系統能力等可為近地小天體監測提供技術參考。

(3)拓展/主任務類。WISE仍在軌運行,主任務完成后更名為NEOWISE,啟動了多期“熱觀測”拓展任務,完成近地小天體搜索編目。截至2022年底,累計發現近地小天體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,是當前國際天文學聯合會主導下的小行星中心(MPC)公布的對近地小天體編目貢獻最多的天基系統;NEOSSat因口徑小導致監測靈敏度不足,MPC公布數據中對小天體搜索發現貢獻不明顯;2022年12月NEO Surveyor完成C階段關鍵設計評審(KDP-C),預計2028年發射,預期4年可完成66.7%直徑大于140m的近地小行星發現編目測量,是當前美國瞄準140米級近地小天體編目目標而規劃實施的推薦任務。

3 典型天基系統案例

3.1 WISE/NEOWISE任務

WISE是NASA低溫宇宙觀測項目[18],2009年12月14日發射入軌,目標為完成3.4μm、4.6μm、12μm和22μm波段高精度全天區成像測量。完成10個月的主任務使其固體氫冷卻劑耗盡后,2013年9月更名為NEOWISE執行任務擴展,利用其搜索近地彗星和小行星等。2021年7月,NASA將NEOWISE任務至少延長至2023年6月,當前仍在軌繼續拓展任務觀測。主要工程性能參數見表3[19]。

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

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

該任務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°的望遠鏡和4個紅外探測器組成,望遠鏡設計工作溫度小于13K,反射鏡全部由鋁制成并鍍金以提高紅外譜段反射率。特別設計了平面掃描鏡,其移動速度可抵消成像期間WISE姿態轉動角,從而實現每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,并配備專門開發的低溫讀出電子設備。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WISE望遠鏡冷卻到12K。12μm和22μm探測器在低于8K下運行,較短波長的3.4μm和4.6μm探測器在32K下運行。航天器平臺采用三軸穩定設計,兩個星敏感器用于提供精確姿態。固定式太陽翼安裝在平臺的一側,平臺沒有可展開的部件,4個反作用輪用于執行姿態控制。

已發布的數據表明:WISE的4個譜段5-sigma靈敏度實際達到了68μJy、98μJy、860μJy和5400μJy。雖然WISE并不是專門為近地小行星監測預警而設計,但通過對其主任務期間獲取的數據分析及其后續拓展任務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發現了首顆地球特洛伊小行星2010TK7,發現了超過33500顆新的小行星和彗星等。在近地小天體方面,截至2022年底累計共發現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是當前國際編目貢獻率最高的天基設備,但因其主任務限定掃描策略固化及擴展任務期間可用紅外譜段等限制,自2014年以來,每年發現的近地小天體為11～42顆之間,不足總發現量的1%,這也為發展專用業務化運行的天基近地小天體監測系統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

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

表4 主要技術指標Table 4 Primary technology parameter

任務目標主要包括:①在5年內發現約66.7%的不小于140m潛在威脅小行星(PHA)(最終目標是完成90%以上PHA編目),在會引起嚴重的區域性破壞的直徑不小于140m的大多數近地小行星和彗星發現和跟蹤方面取得顯著快速的進步;②通過雙譜段觀測來估算所有探測目標的直徑,在可獲取可見光數據的條件下計算反射率。約束撞擊能量來評估風險;③預測能夠引起嚴重區域性破壞的PHA和彗星(直徑50～140m)撞擊概率的累積變化。

該任務有效載荷配置了一套50cm口徑的望遠鏡,在兩個熱紅外譜段上進行小行星觀測。之所以選擇紅外譜段進行觀測,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小行星的尺寸,也能夠對低反照率的小天體進行有效探測。衛星平臺集成了NEOWISE等工程技術,仍由鮑爾航天系統公司研制。結合科學需求與工程實施可行性優化選擇了日-地L1點作為業務軌道,針對近地小行星監測預警任務場景設計了兩種工作模式,場景一:發現和跟蹤模式,該模式通過兩個紅外波段探測和巡天節奏的設計,實現目標的自主發現和高精度定軌,同步生成所有目標的尺寸特征;場景二:精測模式,對于所關注的目標,中斷巡天節奏,進行目標精細測量。

通過設計業務軌道在日地L1點,保證了探測器具有較大的巡天范圍。經仿真分析,其4年任務周期中,66.7%的潛在高風險近地小行星將出現在相機觀測范圍內,NEO Surveyor能夠有效對其進行探測、定位,并將對這些小行星的尺寸、組成、形狀、運動特征等開展深入研究。

4 技術特征與趨勢分析

分析主要天基監測系統的性能參數與監測效能,重點針對在軌WISE/NEOWISE任務及在研NEO Surveyor兩個典型案例,后續天基監測系統建議具備的技術特征及發展趨勢歸納如下。

(1)中大口徑:考慮到千米級近地小天體編目率已超過95%,后續重點目標應是針對140m及以下的更暗弱目標,而對比當前在軌的NEOSSat任務(口徑0.15m)與NEOWISE任務(口徑0.4m)已實現的小天體編目貢獻率可知,小口徑天基任務國際編目貢獻難于大幅提升,為此建議后續天基近地小天體專用監測系統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測靈敏度,更有利于發現、編目、預警和屬性測量確定暗弱近地小天體目標。

(2)大視場:在保證具備相應光學系統口徑滿足監測靈敏度基礎上,大視場系統具有更高的在近地小天體發現編目效率。例如,當前在軌的最大單口徑紅外任務(Herschel)、最大展開式口徑任務(JWST)等兩臺望遠鏡靈敏度足夠,但因其典型小視場(角秒級)設計,將其與具有相對大視場的NEOWISE(角分級)、Neo Surveyor(度級)任務直接對比,后者體現了更高的發現編目效率。大視場系統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性,只有大視場支持高效率廣度巡天,才能實現更有效近地小天體搜索編目。為此建議后續發現編目和預警為目的的天基監測系統關注視場10平方度量級及以上系統。

(3)多譜段:已調研和典型案例剖析的系統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,建議后續系統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驗,綜合考慮工程可行性、科學目標、編目和預警貢獻等,美國正在論證的業務化近地小天體監測系統任務NEO Surveyor(預計2028年發射)選用了日地L1點方案,考慮到近地小天體監測具有科學發現的第一原則及人類命運共同體特征,軌位選擇需要權衡工程可行性、國際合作性、科學目標匹配性等綜合優選。

(5)熱控和星上智能處理等平臺技術:考慮近地小天體溫度特性,需要光學組件70K左右、焦平面組件40K左右的深低溫熱控技術。同時考慮長壽命要求,建議被動制冷為主。同時,針對暗弱目標監測/定位/關聯定軌、智能任務規劃和協同觀測等需求,也對星上在軌處理、深空高速數傳、空間展開機構、高精度指向穩定控制等平臺技術提出較高要求。

5 我國天基監測任務目標設計及技術方向

5.1 我國天基監測系統任務目標設計

結合對近地小天體天基監測系統當前發展階段應發展試驗后具備轉入業務運行能力的工程階段定位,充分考慮到我國現有情況,對我國天基監測系統的任務目標提出如下建議。

(1)補齊地基監測能力不足,對標國際領先水平,發展先進天基系統。基于發展天基設備,構建天地協同系統的總體設想,補齊地基監測系統能力不足,按照科學發現“只有第一,沒有第二”的選擇標準,對標美國計劃于2028發射的Neo Surveyor,建議優先發展試驗后可轉入業務運行的口徑大于等于0.5m且視場大于等于10平方度左右的天基系統。

(2)提出中國特色天基方案,獲取高精度多屬性測量科學數據。從當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,考慮開展可見光、雙波段紅外同步聯合觀測,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據,為實現近地小天體尺寸反演精度達到30%左右,從而為近地小天體精確熱模型科學研究、近地小天體高精度撞擊風險評估等作出貢獻。

(3)服務構建我國近地小天體防御系統,探索近地小天體迫近發現預警新模式。當前美國近地小天體防御的主要目標是完成90%以上140米級近地小天體發現和編目,從而實現長期預警[21],我國構建近地小天體防御系統,既要兼顧美國等已有研究基礎,不斷完善140米級以上近地小天體的源頭編目預警,還要考慮通過與地球軌道相對穩定的軌位設計(如日地平動L1點、領航/拖尾軌道等)、全天區快速覆蓋的巡天策略設計,以及天地聯合天區分配協同觀測設計,實現對140米級以下的近地小天體的短臨發現進入告警等,保衛地球家園安全。

5.2 關鍵技術方向

立足我國特色天基監測任務目標實現,對應梳理了4項主要關鍵技術方向,為適時發展工程系統提供參考。

1)可見光/紅外多譜段大視場載荷技術

來源于滿足近地小行星監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。技術特征包括:一是采用可見光/紅外多譜段觀測,可以彌補我國地基可見光觀測設備數量和能力的不足,實現小行星發現編目和預警能力快速躍升;二是實現共口徑同步觀測,滿足精確小行星尺寸等屬性精細建模需求,在國際上首次實現可見光紅外同步數據獲取,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科學數據基礎;三是具備航天工程實施基礎,可借鑒已成功在軌的1m左右口徑空間光學載荷經驗,通過適當優化光學口徑與視場、開展可見光紅外共口徑設計、分光與分色濾鏡組合配置、多譜段焦面幾何/能量與光學參數一體仿真優化等航天總體與載荷技術優化,實現航天器總體、光學、焦平面、國產核心元器件、控制等綜合尋優,構成我國獨立自主工程與創新科學特色結合的系統方案。

2)天地聯合任務規劃與巡天策略設計技術

近地小行星監測發現與編目具有唯一性(已發現的無需再發現)和空間時效性(可觀測時段出現在特定天區,只能由可視視場覆蓋該天區的設備及時捕獲)。考慮“太陽-NEO-地基/天基設備”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合任務規劃分配優化不同設備形成聯合的觀測時段與觀測目標視場序列,才能綜合發揮已有天地基設備的各自最優效能;同一設備還需要針對設備及目標特點開展巡天策略設計,優化其觀測積分時間、單視場重復觀測次數、觀測間隔、巡天路徑等,進而獲取最優觀測記錄(tracklets),綜合發揮設備效能。NEOWISE等在軌運行經驗已經證明,科學高效的任務規劃將極大提升搜索發現和編目測量整體效能;即使采用相同觀測設備,僅通過優化近地小天體巡天策略,也可能極大提升單臺設備極限監測能力、編目效率、預警時間等。因此針對近地小行星監測發現、編目更新、迫近預警等不同目標導向,突破天地聯合的任務規劃與巡天策略設計技術,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/我國小行星監測系統整體運行效能;二是通過這一體系總體層面的關鍵技術研究,可能突破形成我國自主的近地小行星迫近告警系統新能力、新方案。

3)被動深低溫制冷技術

考慮近地小天體運動暗弱特性,已有的天基系統長期在軌運行經驗表明:對應近地小天體這類暗弱目標,紅外望遠鏡的光學系統與支撐結構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,可有效地減少背景光子通量,提高探測器的靈敏度。考慮到黃道面背景輻射、近地小天體平均300K左右溫度特性,需要空間紅外天文望遠鏡光學系統制冷到約70K,紅外探測器需要制冷到約40K。雖然儲存式制冷已可達到幾開,但考慮到近地小行星監測需要長期業務化運行需求(長壽命、連續工作),須優選被動制冷方案,重點突破高效隔熱遮陽屏、輻射式制冷器、深低溫主動式制冷機(斯特林制冷機、脈管制冷機)調節等技術。突破形成被動為主,主動維持的制冷系統,進而克服儲存式制冷使用壽命短的缺點,進而考慮軌位背景溫度、可用紅外探測器件特征工作溫度,形成滿足小行星監測任務工程需求的被動深低溫制冷技術是仍需要從系統頂層研究和關鍵技術方向取得突破。

4)星上智能處理技術

近地小天體監測任務的星上智能處理技術,來源于3個方向的需求:一是為實現高精度指向控制,需要聯合載荷星圖獲取與姿態確定控制的在軌智能處理,考慮到小行星弱目標成像過程中要求較長積分時間(如40s)和極高的指向穩定度(毫角秒級),類比于已調研ESA的Gaia衛星相關技術,采用載荷獲取的恒星圖像直接在軌定姿,進而用于姿態穩定控制,對星上智能處理能力提出高要求;二是為降低數據傳輸速率,小行星天基監測當前一般選用遠離地球(觀測幾何及避免地球紅外輻射需要)的軌道,且7×24h連續工作,成像數傳要求高(NEO Surveyor要求150Mbit/s),為此采用星上處理技術可以直接處理形成星點等簡要信息,為降低數傳速率提供有效解決方案;三是滿足發現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,發現近地小天體后還需要及時后隨精密跟蹤測量確認其撞擊概率、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現目標,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據聯合處理、載荷數據存儲和圖像智能識別、多幀圖像比對分析(動目標監測)、目標軌道遞推和追蹤控制等星上存貯、算力和算法等技術支持。

6 結束語

本文基于“論證構建近地小天體防御系統”的需求,調研對比了已在軌/在研典型天基系統監測近地小天體的效能,進一步分析了NEOWISE、NEO Surveyor等任務技術特征,進而提出了發展中大口徑、大視場、多譜段、遠地球軌位、具備深低溫熱控和星上智能處理等平臺技術等近地小天體天基監測系統技術趨勢,基于我國近地小天體天基監測系統發展目標,梳理了可見光/紅外多譜段大視場載荷、天地聯合任務規劃與巡天策略設計技術、被動深低溫制冷等關鍵技術發展方向,可為建設近地小天體防御系統提供參考。

截至2023年8月,已經累計發現了32000多顆近地小行星。其中直徑1km及以上的近地小行星853顆,預計發現編目率超過了95%[22],為有效預報具有全球影響的近地小天體撞擊地球事件提供了科學依據。然而近地小天體監測預警仍然任重道遠,預計目前140米級近地小行星編目完成率僅為約40%,按照現有地基設備的發現速度,還需要30年的時間才能實現發現90%以上140米級近地小行星的目標,而發射類似于NEO Surveyor的天基系統,可以使這一時間縮短到10年。為此,美國、歐洲先后提出了發展近地小天體天基監測系統的任務規劃。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%,未來如何實現高效編目或可靠迫近告警,仍待持續深入研究。