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米兰尼（Milani）是赫拉（Hera）航天器搭载的两颗6U立方星之一，赫拉任务是欧洲空间局计划于2026年底与迪迪莫斯（Didymos）双小行星系统交会的任务。该立方星将通过提供互补的观测几何构型和近距离接近小行星，助力赫拉的科学目标。米兰尼导航相机（Nav
米兰尼（Milani）是赫拉（Hera）航天器搭载的两颗6U立方星之一，赫拉任务是欧洲空间局计划于2026年底与迪迪莫斯（Didymos）双小行星系统交会的任务。该立方星将通过提供互补的观测几何构型和近距离接近小行星，助力赫拉的科学目标。米兰尼导航相机（NavCam）提供的大量成像数据集将有助于测量双小行星系统的全局特性，并在400-700 nm光谱范围内表征小行星表面。其光谱范围和观测几何均与米兰尼及赫拉搭载的其他成像仪器互补。此外，导航相机还将服务于自主导航（AutoNav）实验，这是米兰尼的主要技术目标。
论文主体内容总结
1 引言
欧洲空间局的赫拉任务是首个与双小行星系统交会的任务。赫拉于2024年10月7日发射，将于2026年底抵达迪迪莫斯系统。届时，赫拉将释放两颗6U立方星——米兰尼和朱文塔斯（Juventas），它们将协助赫拉实现科学目标并提供对小行星迪迪莫斯和双形态星（Dimorphos）特性的独立测量。米兰尼立方星由意大利Tyvak International公司牵头研制。赫拉及其立方星将是继NASA双小行星重定向测试（DART）任务之后首批访问迪迪莫斯的探测器，这将提供原位测量超高速撞击对碎石堆小行星影响的独特机会。米兰尼导航相机主要作为主导航仪器设计，用于提供迪迪莫斯和双形态星的光学图像，同时这些图像也具有重要科学价值。导航相机是一台RGB相机，覆盖约400-700 nm光谱范围，与米兰尼和赫拉上的其他成像仪器形成互补，并能提供与赫拉不同的观测几何。此外，导航相机将用于演示米兰尼在深空中自主运行的技术目标。
2 米兰尼导航相机概述
导航相机基于Tyvak星跟踪器技术定制，具有双重用途：一是为米兰尼姿态确定与控制系统（ADCS）的自主姿态指向模式提供引导；二是通过提供可见光波段下两颗小行星表面的全球地图，助力赫拉和米兰尼的任务与科学目标。导航相机的光学镜头由Optec SpA专门设计和镀膜，由三片透镜组成，确保无限远聚焦且最大畸变不超过1%。光学设计在可见光谱范围内的平均透射率超过90%，焦距为12.96 mm。探测器采用安森美（Onsemi）制造的1/3英寸CMOS卷帘快门数字图像传感器，配备RGB拜耳滤色器以提供颜色信息。探测器有效像素阵列为2048×1536，像元尺寸2.2×2.2 μm，瞬时视场（iFoV）为35角秒，在10 km距离处的地面采样距离（GSD）为169.75 cm，在500 m处为8.48 cm。导航相机的视场（FoV）为19.72×14.86度。校准工作在布达佩斯技术与经济大学完成，包括偏置和暗场图像、坏像素识别、各颜色平场图像、线性度测试、辐射响应测试和畸变测试。校准结果显示，暗场和偏场图像噪声极低（标准差约0.6数字数（DN）），平场校正后可提供优于1%的均匀性，绝对辐射不确定性优于2.5%，畸变校正后不确定性约为1.5像素。
3 运行
3.1 任务阶段：米兰尼的标称任务剖面包括两个主要阶段，随后是一个实验阶段。远距离运行阶段（FRP）持续约三周，旨在获取小行星的全球测绘数据；近距离运行阶段（CRP）持续约四周，旨在对双形态星进行近距离观测并观察DART撞击点；实验阶段（EXP）中，米兰尼将进入自稳定终止轨道（SSTO）并逐渐下降至迪迪莫斯系统，最终尝试着陆于双形态星或迪迪莫斯。所有轨迹均在以迪迪莫斯质心为中心的坐标系中展示。3.2 数据采集概况：论文报告了导航相机随时间变化的观测几何，并与赫拉和朱文塔斯以及其他成像仪器进行了对比。米兰尼导航相机提供了相较于赫拉和朱文塔斯独特的观测几何，可实现互补的科学观测和提高测量精度。例如，米兰尼导航相机可在37天内以小于2 m/像素的GSD对双形态星进行成像，而赫拉和朱文塔斯分别可达到20天和61天。导航相机图像约占数据预算的重要部分，整个任务期间约有200 MB的小行星图像经JPEG2000无损压缩后下行传输，预计共下载约540张图像，平均每4小时一张导航相机图像。
4 预期科学产出
4.1 全局特性：米兰尼的主要科学目标之一是提供迪迪莫斯和双形态星的全球地图和形状。导航相机将在多种光照条件和相位角下获取图像，为小行星系统的全局特性提供独立估计，并与赫拉仪器的测量结果进行比较和验证。形状模型将通过立体光栅测距法（SPC）生成，该方法结合了天体边缘观测数据和包含地标的表面图块图像。4.2 表面表征：表面科学观测包括地貌学和光谱学特性两部分。导航相机将提供全球表面地图，支持完整的地貌学表征，如测量表面坡度、颗粒和砾石粒径频率分布、搜索特定表面特征等。对于光谱研究，RGB传感器可通过三个不同滤色器测量入射光。通过模拟已知材料的光谱响应，论文展示了导航相机检测表面异质性和成分的能力。以贝努（Bennu）小行星表面为例，利用k均值聚类算法对模拟RGB测量值进行分析，发现了多个不同群组，表明导航相机具备检测迪迪莫斯和双形态星不同表面材料的潜力。论文还模拟了冲击和风化作用对红蓝比的影响，结果显示相机可能能够通过观测RGB比值分布来测量表面风化过程。4.3 对重力场测定的支持：重力场对小行星内部结构、表面形态和质量分布均匀性等地球物理研究至关重要。导航相机图像通过约束航天器与小行星的相对状态，可为重力重建提供有用信息。此外，导航相机还可追踪小行星附近轨道上的砾石和小粒子，类似于OSIRIS-REx任务中通过追踪贝努表面喷射的小砾石来改进重力场估计的方法。通过估算迪迪莫斯和双形态星的形状和质量，可利用多面体解析函数确定其恒定密度重力场及对应的球谐系数，从而评估内部孔隙度和可能的密度非均匀性。4.4 导航实验：自主光学导航（AutOpNav）实验是一项技术演示，旨在验证米兰尼在迪迪莫斯系统近邻区域的自主光学导航能力。专用导航实验操作中心（NEOC）将收集和利用米兰尼制导、导航与控制（GNC）系统在轨产生的数据。NEOC将依赖地面已有的数据进行机会性实验，并通过合成生成的图像扩充可用数据集，以复现航天器实际捕获的图像序列。光学设施将被用于获取相机在环图像，以验证图像处理（IP）和导航算法。
