安道尔相机支持首个减轻低轨卫星影响的系统

StealthTransit团队是一个由来自德国卡尔斯鲁厄和俄罗斯圣彼得堡的工程师和科学家组成的国际小组，他们开发了一种新的方法，通过避免明亮的近地轨道(LEO)卫星的负面影响，可以提高长时间曝光天文观测的质量。实现这种方法的望远镜和天文相机的主动快门系统被称为StealthTransit system[1]，它是基于对卫星轨道的预测。全尺寸测试证实了该系统对亮度高达+6 mag的空间物体的有效性，以及保护星空图像免受卫星光污染的能力。StealthTransit系统是为窄小和中等视场的望远镜设计的。

问题描述

近地轨道卫星给地面天文观测带来了巨大的问题。这些卫星在距离地球160到2000公里的轨道上运行，由于阳光的反射，即使用肉眼也能清楚地看到。专家计算表明，在未来5 - 7年内，这种情况可能会变得非常严重。特别是，在SpaceX发射项目完成后，智利的Vera C. Rubin天文台望远镜获得的图像中，至少有30%受到Starlink卫星[2]的干扰，存在腐败风险。使用图像后处理不可能消除这种干扰(见图1)。

图1。2019年11月18日，Cerro Tololo天文台4米维克多·M·布兰科望远镜上的暗能量相机拍摄的一幅宽视野（2.3度）中曝光333秒的图像。几颗星链卫星穿过了视野。

资料来源:CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/DECam DELVE Survey

StealthTransit团队提出的这项技术表明，在许多望远镜模型上使用所谓的主动快门进行长时间曝光观测时，这种光污染是可以避免的。这意味着快门在卫星可见时中断天文相机的短时间曝光，而不中断光敏传感器的集成模式。

探测明亮卫星的技术

考虑到卫星在地球上观测时的高角速度，我们的研究重点是卫星轨道的准确性和快门响应时间。该原型配备了机器视觉系统，预测卫星位置的精度为2弧分，以及它们通过望远镜视野的时刻的精度为30毫秒。识别过程被组织为一个周期为0.5的管道−2秒。因此，即使在距离望远镜视场较近的地方检测到卫星，快速响应也能使曝光及时暂停。

StealthTransit系统由三个主要部件组成(见图2):

• 安装在天文相机前面的隐形Transit快门（主动快门）。
• 基于额外的紧凑型天文照相机的明亮卫星探测器。
• 控制单元与软件识别明亮的卫星，图像处理，并控制快门。

图2。StealthTransit系统

现代天文照相机通常不允许在不中断曝光的情况下直接控制快门。将此功能添加到未来的专业天文相机系列中，将为使用主动快门技术提供一种方便和最佳的方式，而无需外部设备，如图3所示的隐形Transit快门。

图3。隐形光闸

控制单元从Bright卫星探测器和空间态势感知（SSA）数据库接收卫星轨迹数据。但是，与SSA不同的是，探测器不仅提供了更高的过境时间预测精度，而且允许系统评估每个物体的亮度和威胁。当明亮的卫星穿过望远镜视场边界时，系统关闭快门，当卫星离开视场时，系统打开快门。

StealthTransit系统的原型，目前正在准备安装在天文台，空间分辨率为10x10度。图4给出了原型的输出图像示例。

图4。（A） 探测器摄像机捕获的卫星轨迹示例。

(B)处理后的具有叠加信息的图像:数据库中的卫星数据(包括不可见卫星)、识别的可见航迹、坐标系统、与主视场的交会预测。

(C)卫星识别:

(1)望远镜视场，(2)卫星探测器视场。

该探测器既可以识别单个卫星，也可以识别密集的目标群，如卫星群，并分别处理它们。该系统的分辨率取决于光学，如果有必要，它可以识别卫星阵列(见图5)。

图5。由StealthTransit软件识别的卫星阵列轨迹。原始视频来源:Anatoliy (Instagram: @dam045)

80毫米孔径的主动快门可以安装在各种专业望远镜上。隐形传输原型是为ASA600 22x22弧分视场望远镜（ASA Astrosysteme GMBH）开发的，该望远镜配备了图6所示的安道尔iKON 936 L摄像机。

图6。带安道尔照相机的ASA600望远镜，俄罗斯。

信用：ASA Astrosysteme GMBH

信号处理软件

StealthTransit系统的关键部分是为原型机开发的原始软件。它结合了机器视觉和视频处理模块、在线SSA数据库连接器和基于摄像机视频流的目标轨迹识别预测算法。每一个中断视场的物体都由软件分析。要做出准确的预测，只要追踪卫星的视运动范围在1-2度之内就足够了。

结论

近地轨道上的天体数量正在迅速增加。截至2021年4月底，不包括空间碎片在内，太空中约有8000颗卫星，其数量每年至少增长30%。这一增长的主要贡献者是SpaceX和OneWeb，亚马逊柯伊伯(Amazon Kuiper)和Telesat也将很快加入其中。未来几年，仅与这些公司相关的新卫星总数就将超过8万[3]。这意味着卫星对天文学和天文图像的问题影响越来越严重。图7显示了在1小时的观测期间，可见卫星轨道穿过天空10度区域的密度。

图7。卫星轨道的密度，在1小时的观测间隔内，用肉眼在狮子座直径为10度的星空区域上可见。

背景图片来源:吉姆·康梅尔

StealthTransit系统是为数不多的可以帮助减轻卫星对天文观测影响的工具之一。由联合国外层空间事务厅(UNOOSA)、国际天文学联合会(IAU)、AAS和NOIRLab[4]提出的减轻低轨道卫星影响的建议清单中包括了StealthTransit技术基础上的主动快门方法。

2021年7月，成功测试了软件、算法和隐身自动快门系统。2021年8月，该系统将安装在ASA600望远镜上，并与安道尔iKON 936 L相机相连，以进行更详细的全尺寸测试。测试将在斯滕伯格天文研究所拥有和运营的高加索山天文台（俄罗斯基斯洛沃茨克）进行。

参考文献

1. 诉Pashkovsky(15.08.2020)。用于捕捉长曝光图像的设备(WO2021045652)。03.09.2019优先日期。https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=WO2021045652
2. J.A.Tyson等人，《降低低轨卫星亮度和轨道对鲁宾天文台LSST的影响》，天文杂志，第160卷，第5期，id.226（2020年）；和https://arxiv.org/abs/2006.12417
3. “卫星星座对光学天文学的影响和缓解建议”附录，2020年，美国原子能机构，诺伊尔实验室；和https://aas.org/sites/default/files/2020-08/SATCON1-WG-Tech-Reports.pdf
4. 科学与社会在线研讨会的黑暗与宁静天空。报告和建议，2020年，联合国外层空间事务厅（UNOOSA），https://noirlab.edu/public/media/archives/techdocs/pdf/techdoc021.pdf

链接

• https://www.stealthtransit.com/
• https://www.space.com/space-tech-filters-starlink-satellites-astronomical-observations