莊緒霞,阮寧娟,趙思思

(北京空間機電研究所,北京100094)

關鍵字:近地小行星;天基;探測;識別

Abstrcat:Near earth asteroid(NEA)is now posing a great threat to the Earth.Detection and characterization of the NEAs is very important for threat warning and resources utilizing.In this paper,the application needs are firstly brought up,and then the characteristics of the NEAs such as orbits,sizes,materials and so on are analyzed to bring up the requirements of surveilliance and characterization.The advantages of space based method are analyzed and space based systems are illustrated.The working modes and technology characteristics and ablity of different satellites are compared and the key technologys are introduced.

1 引言

近地小行星 (NEAs)是指運行軌道靠近地球的小行星。近二十年來,人們發(fā)現(xiàn)的小行星數目有了顯著增加,尤其是那些近地小行星。近地小行星已經對我們賴以生存的地球造成了一定的威脅。截至2017年6月,共發(fā)現(xiàn)近地小行星16189顆,其中包括1806顆具有潛在威脅的小行星[1]。通過對近地小行星的探測,人們可以獲得小行星的普查信息,掌握其數量、軌道及物理特性等,對于識別威脅目標、威脅預警及提出合理規(guī)避措施等具有重要意義。

就探測手段而言,近地小行星探測可以分為雷達探測和光學探測。與雷達系統(tǒng)相比,光學手段屬被動探測,具有探測距離遠、搜索范圍大、測角精度高等優(yōu)勢,是當前近地小行星探測的主流手段。本文將就近地小行星的光學探測手段展開討論。按照地理位置劃分,近地小行星的光學探測手段又可進一步細分為天基手段和地基手段。雖然人們在利用地基光學望遠鏡進行近地小行星探測方面具有了一定的廣泛性,但仍存在一定的不足。隨著微小衛(wèi)星技術的發(fā)展,靈活多樣的小衛(wèi)星為在更大范圍內開展天基探測提供了支持,降低了天基觀測的門檻[2]。本文將就近地小行星的特點、天基探測發(fā)展現(xiàn)狀、關鍵技術等展開分析。

2 近地小行星特性分析

2.1 軌道特性

近地小行星主要分布在近日距q＜1.3AU的空間范圍內,其中AU代表一個日地距離,約1500萬千米。按軌道特點[3],可把近地小行星劃分為Aten(阿坦型)(a＜1.0AU,Q＞0.983AU)、A-pollo(阿波羅型)(a＞1.0AU,q＜1.017AU) 和Amor(阿莫爾型),1.017＜q＜1.3AU、 IEO(內地型) (0.718＜Q＜0.983AU),Q為遠日距,a為軌道半長軸。其中Aten型和Apollo型近地小行星會穿越地球軌道,對地球構成較大的威脅。截至2017年6月,在已發(fā)現(xiàn)的近地小行星中,阿波羅型的有8083顆,阿莫爾型的有6900顆,阿登型的有1206顆,而內地型小行星數量最少,只有16個[1]。根據美國宇航局 (NASA)給出的目標編目數據,近地小行星的軌道傾角范圍為0.02°～154°,偏心率范圍為0～0.999[4]。潛在威脅小行星 (PHA)是指其軌道有可能接近地球的小行星,如果它與地球的最小軌道交會距離小于0.5天文單位,而且其直徑不小于140m,這樣的一顆天體將會被考慮是潛在威脅天體。

2.2 尺寸分布特性

利用數學模型對NEA的尺寸進行預估,得到的結果是尺寸越小,目標數量越多;根據模型,絕對星等H≤18(～1km)約有1200個,H≤22星等的目標數量約有29400±3600個[1]。確定目標的直徑是判斷目標是否是威脅目標的前提。由于撞擊能量正比于目標直徑,一個相對較小的目標直徑預估誤差將會導致較大的撞擊能量預測誤差。

2.3 光度特性

NEA的亮度與其大小、距離、光照角度等有關,由于距離較遠,目標信號表現(xiàn)得非常微弱。其目視星等如下所示:

mv(sun)為太陽視星等,ρV為幾何可見反射率,D為小行星直徑,φ(α)為相位函數,R為目標到太陽的距離,Δ為目標到地球的距離[5]。

根據NASA給出的已編目數據,近地小行星的星等分布范圍主要集中在14～30星等。

表1 已編目的近地小行星星等分布(Aten-Apollo-Amor類型)Tab.1 Magnititude distribution of cataloged NEAs

具有潛在威脅的小行星的亮度相對較高,潛在威脅小行星的亮度小于等于22星等。其中,有202顆小行星的星等小于等于18.0等,有7顆小于等于15.0星等[1]。

2.4 熱輻射特性

根據NEOs的熱紅外探測結果,發(fā)現(xiàn)千米級或百米級目標表面存在絕緣的塵土層,導致熱紅外輻射明顯的各向異性。絕大多數的NEOs熱慣量比裸露巖石的要低,但是比月表風化層的要高,也表明了其表面包覆一層顆粒狀的材質。

2.5 旋轉特性

近地小行星不斷旋轉,其旋轉周期從幾天到不足1分鐘,而旋轉周期與其直徑之間存在一定關系。圖1給出了已經編目近地小行星目標的直徑與其旋轉周期的關系示意圖。從圖1可以看出,就總體上來說,目標直徑越小,其旋轉周期會呈現(xiàn)更短的變化規(guī)律。

圖1 已編目目標的統(tǒng)計分布圖Fig.1 Statistical figure of cataloged NEAs

2.6 材質特性

按照小行星表面的反照特性、光譜特性、偏振、色度等信息,可以把小行星分為C、S、M、E、R、U類等,組成的材質有硅酸鹽、不透明碳、金屬等,不同類別的小行星表面光譜反射不一致[6]。確定小行星目標的材質對于其重量估計、威脅程度確定非常必要。

開展近地小行星探測的目標除了要精確確定其軌道以外,最終還需要對其其他物理參數進行反演識別,以期為后續(xù)的主動防御、開發(fā)利用等奠定基礎。反演識別的變量包括近地小行星目標的亮度、重量、尺寸、軌道、旋轉狀態(tài)、形狀等。為了提供實現(xiàn)目標特征參數反演的數據,需要多種觀測手段配合來完成。以目標重量估計為例,需要獲得目標表面材質、密度、尺寸等,而目標材質的反演需要基于光譜數據等完成,反射率等參數需要基于熱紅外數據等完成[7]。

3 國外現(xiàn)狀

地基光學手段的優(yōu)勢在于其技術成熟,易于實現(xiàn),系統(tǒng)建造、運作、維持和更新的成本比天基系統(tǒng)低。當前絕大多數的近地小行星目標均由地基望遠鏡系統(tǒng)獲得,典型的地基望遠鏡包括Spacewatch系統(tǒng)、LINEAR、Pan-STARRS等[7][8]。但地基光學系統(tǒng)不能在白天或晨昏段工作,而且易受到天氣、大氣干擾、月光散射和大氣衰減的影響,僅能在夜間工作,工作時的最小太陽角距為60°,因此只能看到太陽角距比較大的目標。對于距離太陽比較近的Aten型和IEO型近地小行星,地基光學系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)它們的概率非常低。天基手段可以全天時全天候工作,能夠觀測到太陽角距比較小的小行星,這對于發(fā)現(xiàn)分布在太陽角距較小區(qū)域內的小行星具有重要意義。天基手段可以提高對穿越地球軌道的小行星的發(fā)現(xiàn)率,尤其是Aten類小行星,執(zhí)行對IEO型小行星的搜索與發(fā)現(xiàn),同時延長觀測弧段。天基手段具備比地球半徑大的觀測基線,能夠迅速得到感興趣目標的定位信息,提升對確定其軌道的精度。

近地小行星天基系統(tǒng)的軌道有多種,包括繞地太陽同步軌道、類金星軌道、拉格朗日軌道。

3.1 近地小行星寬視場巡天探測系統(tǒng)(NEOWISE)

NASA的NEOWISE系統(tǒng)的科學目標是探測、跟蹤和識別近地小行星和彗星,NEOWISE是基于熱輻射特性進行近地小行星的探測。2009年12月成功發(fā)射,其軌道為高度500km的太陽同步圓形軌道,軌道傾角為97°,包含四個譜段,分別是2.8～3.8μm、 4.1～5.2μm、 7.5～16.5μm 和20～28μm。NEOWISE在入軌一年內發(fā)現(xiàn)了 34個NEAs,最大的為750m,最小的為40m,其中5個為潛在威脅目標[9]。

圖2 WISE在軌效果圖Fig.2 Figure of WISE

3.2 近地小行星監(jiān)視衛(wèi)星 (NEOSSAT)

NEOSSAT衛(wèi)星是加拿大航天局(CSA)與加拿大國防研究發(fā)展中心 (DRDC)聯(lián)合開發(fā)的,于2013年入軌。NEOSSAT的科學目標為搜索跟蹤半長軸在1AU以內的近地小行星,太陽角距范圍±45°～70°,發(fā)現(xiàn)50%以上的大于1千米的內地小行星[10][11],其指標如表2所示。

表2 NEOSSAT指標參數Tab.2 Parameters of NEOSSAT

3.3 小行星發(fā)現(xiàn)者 (AsteroidFinder)

AsteroidFinder是一顆由德國宇航中心 (DLR)研制的低軌小行星探測衛(wèi)星,其科學目標是完成對太陽角距處于30°到60°范圍內的IEO等類型的小行星的搜索、發(fā)現(xiàn)與探測[12]。

圖3 AsteroidFinder的觀測范圍Fig.3 Observed area of AsteroidFinder

其指標參數如表3所示。

表3 AsteroidFinder的指標參數Tab.3 Parameters of AsteroidFinder

3.4 類金星軌道天基監(jiān)視系統(tǒng)

2003年NASA安排科學定義小組 (SDT)來研究NEO的危害,提出采用相對以前更小口徑的探測NEO的有效手段以及研究減緩威脅的措施。緊接著,美國國會指定NASA對SDT的研究結果的實施進行研究。NASA聯(lián)合相應的工業(yè)部門,包括鮑爾宇航公司等論證了一種高可靠、低成本(滿足GEB要求大概需要＄600M)、高繼承性的方案,基于該論證的方案,可以實現(xiàn)對約85%的大于100m,70%的大于60m和50%的大于50m的近地目標的探測。該系統(tǒng)可以彌補地基設備的不足并填補空白[13]。該系統(tǒng)采用類金星軌道,其半長軸約為0.7AU,軌道周期206天,會合周期為514天,該軌道對于發(fā)現(xiàn)近地軌道目標具有重要意義。相對地球軌道,類金星軌道對近地目標帶的覆蓋區(qū)域更大,因此監(jiān)視效能更高。為避開太陽的影響,NEO survey的掃描范圍為200°。視場角2°×5.5°,每小時的掃描區(qū)域為165deg2,采用步進凝視模式,曝光時間為3分鐘,步進到下一視場的時間為1分鐘。NEO Survey充分繼承了Spitzer衛(wèi)星和Kepler衛(wèi)星的技術,熱管理方面直接繼承Spitzer的方案,剩余的大部分則繼承了Kepler的技術。因此其成本相對較低[13]。

此外,美國JPL等單位還開展了對近地小行星觀測的其他低成本概念設計[7],分別采用了L1、L2或類金星軌道等,手段上包括可見光、中波紅外等,口徑從50cm～90cm不等。

4 發(fā)展趨勢

近地小行星天基監(jiān)視手段的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾方面:

一是,軌道類型多樣化發(fā)展。當前在軌的近地小行星探測衛(wèi)星主要是繞地軌道,但是基于類金星軌道、拉格朗日點等軌道可以實現(xiàn)更高效率的觀測,因此可以推斷未來的天基探測采用的軌道類型將更加多樣化。

二是,向多種探測手段結合的方向發(fā)展?？梢姽馐钱斍爸髁鞯奶綔y手段,對于絕大多數NEOs,利用可見光探測手段僅能知道其軌道和亮度,而目標直徑的反演精度與反射率密切相關,目標反射率通常采用假設值,因而導致對直徑和撞擊能量存在較大的預測誤差。紅外測量對反射率信息不敏感,因此可以根據特定波段下的紅外輻射能量較為準確地反演其直徑信息,且同時有利于發(fā)現(xiàn)太陽角距較低的Aten型目標。中波紅外對于確定目標尺寸更為有效[10],有效直徑的反演誤差甚至可以達到±10%以內。盡管紅外手段可以獲得精度相對較高的直徑信息,將可見光手段和紅外手段結合可以進一步反演其反射率信息,從而判斷其表面材質組成、密度等特性。將光學與雷達手段結合,可進行高精度的測距,并有利于反演形狀等信息[14]。

5 涉及到的關鍵技術

近地小行星探測涉及到的關鍵技術包括以下這些方面:

一是,近地小行星天基光學監(jiān)測總體技術。需要重點考慮的因素有:軌道的選擇、探測體制的選擇、與地基配合后的能力、監(jiān)視效能的仿真分析與評估等。

二是,高穩(wěn)定度光軸控制技術。由于目標較為暗弱,甚至達到30星等,為保證足夠的能量,需要長時間積分,一般需要幾十秒到數百秒,因此需要保證光軸在長時間內的穩(wěn)定性,從而保證最終的成像質量。以NEOSSAT為例,需要在100秒內保持0.5″的穩(wěn)定度。

三是,高靈敏度暗弱目標探測。由于小行星的距離較遠,小行星本身反射率較低,反射到相機入瞳前的能量很低,需要高靈敏度、低噪聲探測才能保證最終的信噪比。提升探測的靈敏度主要從三個角度解決:一方面,增大口徑;另一方面,采用高靈敏度的探測接收器件,如EMCCD等;第三,還可以從提升目標檢測識別算法能力的角度進一步解決暗弱目標探測這一問題。

四是,高抑制比雜光設計。對于繞地型軌道而言,由于目標出現(xiàn)的區(qū)域的太陽角距比較小,黃道光將引入非常高的背景噪聲,同時雜光抑制角較低,需要雜光抑制到低于10%的天空背景,需要高抑制比的雜光設計,抑制比至少需要達到10-12,為此,需要較長的遮光罩,同時對如此高性能的遮光罩的能力測試也需要考慮。