(子)环之主：通过表面反射率测绘确定Ajisai卫星的自转轴与旋转周期

《RAS Techniques and Instruments》：Lord of the (sub-)Rings : Mapping the surface reflectance and spin-axis of Ajisai

本文针对近地空间环境中非合作目标（如空间碎片）的姿态确定难题，以几何结构简单的Ajisai卫星为研究对象，利用经过改造的SuperWASP地面望远镜获取的高时间分辨率光学测光数据，发展了一种基于MCMC（马尔可夫链蒙特卡洛）反演和亮度图比对的新方法。该方法成功恢复了Ajisai的自转轴指向和旋转周期，结果与经验模型预测相符。此项研究证明了利用中等性能地面设备进行条纹测光，即可有效确定快速自旋空间目标的旋转状态，为未来主动碎片清除（ADR）等任务中的目标特性分析提供了可扩展的技术路径。

　　

随着人类航天活动的日益频繁，近地空间环境中的“交通”状况也变得越来越复杂。数以万计的非合作目标（主要是失效的卫星和火箭上面级等空间碎片）在轨道上运行，构成了潜在的碰撞威胁。为了维护空间环境的可持续性，主动碎片清除（Active Debris Removal, ADR）技术被提上议事日程。然而，大多数ADR技术需要服务航天器与碎片目标进行对接或捕获，这就要求我们必须精确了解这些非合作目标的运动状态，尤其是其旋转状态（包括自转轴方向和旋转周期）。从地面进行观测时，这些目标通常只是一个无法分辨的光点，如何通过其亮度变化（光变曲线）来反演其三维姿态，成为了一个极具挑战性的研究课题。

日本的Ajisai（EGS）卫星为此类研究提供了一个理想的“试验台”。这颗于1986年发射的地球动力学实验卫星，是一个直径2.15米、重685公斤的空心球体。其表面最显著的特征是规则排列的318面镜子和1436个角锥棱镜（CCRs）。这些镜子被组织成12个主要的纬度环和两个极冠，每个主环又包含若干个子环，每个子环由三面位于相同纬度、朝向相同的镜子组成。这种简单而规则的几何结构，使得当卫星旋转时，其表面的镜子会周期性地将太阳光反射向地面观测者，在光变曲线上产生特征明显的、亚秒级的“闪光”（glints）信号。Ajisai在发射时是自旋稳定的，初始自转轴与地球自转轴对齐，旋转周期约为1.5秒。经过三十多年的在轨运行，其自转状态在引力梯度力矩等效应的影响下已发生演变，但已有的经验模型（如Kucharski等人于2016年建立的模型）为其当前状态提供了良好的先验约束。因此，利用Ajisai来开发和验证空间目标旋转状态确定技术，再合适不过。

在此背景下，来自英国华威大学物理系的Robert J. S. Airey及其合作者在《RAS Techniques and Instruments》上发表了题为“Lord of the (sub-)Rings: Mapping the surface reflectance and spin-axis of Ajisai”的研究论文。该研究旨在探索如何利用相对廉价、易得的地面观测设备，实现对Ajisai这类快速自旋空间目标的高精度姿态确定。

为了开展研究，研究人员利用了位于拉帕尔马岛的SuperWASP-North（SWASP）望远镜，该设备原用于系外行星巡天，拥有广阔视场。研究团队对其控制系统进行了关键升级，引入树莓派单板计算机和GPS授时的精确触发系统，解决了原始系统时间戳精度不足的问题，使其能够对快速移动的低地球轨道（LEO）目标进行高时间分辨率的观测。在2019年8月，团队成功获取了Ajisai的4次过境观测数据。观测采用了一种独特的“条纹成像”技术：望远镜通过预编程序列跟踪卫星在天空中的路径，在卫星进入视场后开始曝光，形成一条条纹图像。通过测量条纹上每个点的亮度，并以卫星移动一个点扩散函数宽度所需时间（约数十毫秒）为有效时间分辨率，可以提取出高采样率的光变曲线。为了消除背景恒星的影响，团队在卫星过境后立即对同一天区进行第二次观测以获取参考图像，然后使用HOTPANTS软件进行图像差分处理。

研究的核心技术方法在于从光变曲线中反演卫星的自旋状态。其流程可概括为：首先，基于TLE（两行轨道根数）星历和观测站位置，利用SKYFIELD软件包计算每一观测时刻的相位角平分线（Phase Angle Bisector, PAB）矢量，该矢量代表了最可能发生镜面反射的方向。接着，定义一个从国际天球参考系（ICRF）到卫星本体坐标系的变换矩阵，该矩阵依赖于四个待求参数：自转轴的赤经（α）、赤纬（δ）、旋转周期（P）和初始相位偏移（φ）。然后，对于一组给定的自旋状态参数，将每个时刻的PAB矢量转换到卫星本体坐标系，并映射为球面上的经纬度坐标。这样，每一次亮度测量就与卫星表面的一个特定位置关联起来，从而生成一幅表面反射率亮度图。最后，通过MCMC算法，寻找能使生成的亮度图中的“亮斑”（即闪光）与已知的镜子位置（来自Koshkin等人2017年的模型）实现最佳对齐的那组自旋状态参数。评估对齐好坏的标准是一个评分函数，它最小化所有亮度测量点与其最近镜子位置之间的通量加权平方角距离。

观测与数据获取

研究团队在2019年8月1日至16日期间，成功获得了Ajisai的4次观测数据。观测摘要见表1。数据显示，有效时间分辨率在100-150毫秒量级，虽然不足以分辨出Calatroni等人2025年报告中提到的约10毫秒宽的单个闪光精细结构，但用于分析闪光间隔（由镜子分布和自转周期决定）已绰绰有余。光变曲线中清晰可见由镜子反射产生的 triplet（三重）闪光特征，这与Ajisai表面镜子以子环形式排列的结构预期完全一致。

亮度图与自旋状态反演

通过MCMC拟合得到的最佳参数集，研究人员为每次观测生成了对应的表面反射率亮度图。结果显示，亮度图中的高亮区域与已知的镜子位置高度吻合，镜子以三重奏（triplet）形式分布的图案在不同纬度带上清晰可辨。这直观地证明了反演得到的自旋状态参数是准确的。作为对比，当使用偏离最佳值的参数时，生成的亮度图中亮斑会与镜子位置错位，或者只有部分对齐，验证了该方法的有效性。

结果分析与比较

表3列出了四次观测的最佳拟合自旋状态参数及其不确定性。将结果与Kucharski等人（2016）的经验模型预测值进行比较（图13），发现自转轴的赤经（α）和赤纬（δ）的拟合值与经验值吻合得很好，特别是第一次和第四次观测的结果约束得非常紧。对于覆盖镜子数量较少的第二次观测，自转轴赤纬的不确定性较大，这在预期之内。关于旋转周期，只有2019年8月16日的观测结果与经验模型的长期趋势预测完全一致，其他三次观测的周期值存在微小差异。研究人员指出，经验模型描述的是长期演化趋势，而短期的周期波动可能由太阳光照变化、卫星表面反射率不对称（如发射适配器环和极冠的存在）等因素引起，所有观测到的周期变化都在Koshkin等人（2017）报告的变化区间（-0.8 到 1.2 毫秒）内。

本研究成功证明，利用经过适当改造的、相对廉价的地面望远镜（SuperWASP）进行高时间分辨率条纹测光，可以有效确定如Ajisai这类快速自旋空间目标的旋转状态（自转轴和周期）。研究人员发展了一种新颖的、基于MCMC反演和亮度图比对的方法，该方法不依赖于复杂的双向反射分布函数（BRDF）模型或对目标形状的精确先验知识，仅通过将观测到的闪光位置与已知的镜子分布图进行匹配，即可获得受约束的自旋状态估计。

该研究的意义在于，它为空间态势感知（SDA）提供了一种易于扩展的技术途径。相较于需要特殊千赫兹级别仪器的方法，本研究采用的技术方案对设备要求更低，使其能够在更广泛的天文台和目标上推广应用。研究成果对于未来执行在轨服务、交会对接（RPO）以及主动碎片清除（ADR）等任务至关重要，因为这些任务都迫切需要精确了解非合作目标的姿态动态。本研究所使用的SuperWASP仪器现已升级为STING系统，其更低的读出噪声和多波段观测能力，将进一步提升对快速光变信号的探测精度，有望在未来实现对更小、更暗或旋转更快的空间目标的特性分析。

总之，这项工作是朝着利用光学测光手段有效表征近地轨道空间物体旋转状态迈出的坚实一步，为应对日益拥挤的轨道环境下的空间安全挑战贡献了有价值的工具。