[论文解读] Concerns about ground based astronomical observations: quantifying satellites' constellations damages

S. Gallozzi, D. Paris+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Space exploration and regulation参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文量化了卫星巨型星座对地基天文观测在光学、射电和切伦科夫波段的负面影响。估计近地轨道中多达50,000颗卫星将严重降低图像质量，造成射频干扰，并损害主要天文台的科学与经济价值，呼吁通过法律与监管手段保护天文设施及夜空作为全球遗产。

ABSTRACT

This article is a second analysis step from the descriptive arXiv:2001.10952 preprint. This work is aimed to arise awareness to the scientific astronomical community about the negative impact of satellites' mega-constellations and put in place an approximated estimations about loss of scientific contents expected for ground based astronomical observations when about 50,000 satellites will be displaced in LEO orbit. The first analysis regards the impact on professional astronomical images in optical windows. Then the study is expanded to other wavelengths and astronomical ground based facilities (radio and higher energies) to better understand which kind of effects are expected. Authors also try to perform a quantitative economic estimation related to the loss of value for public finances committed to the ground based astronomical facilities armed by satellites' constellations. These evaluations are intended for general purposes, can be improved and better estimated, but in this first phase they could be useful as evidentiary material to quantify the damage in subsequent legal actions against further satellites deployments.

研究动机与目标

• 量化部署多达50,000颗近地轨道（LEO）卫星对地基天文观测造成的科学与经济损失。
• 评估卫星星座在多个电磁波段（包括光学、射电和切伦科夫天文）的影响。
• 评估射频干扰（RFI）对射电天文设施的风险，以铱星星座为历史参照。
• 估算由于卫星干扰导致的地基天文台科学价值与公共投资损失。
• 提供潜在法律行动的证据材料，基于国际法与空间条约，针对卫星星座提出主张。

提出的方法

• 利用轨道力学分析卫星角大小与运动，基于高度与地球引力参数计算角速度（ω）与径向速度。
• 使用公式 θ ∝ tan⁻¹(9.1 m / altitude) 估算不同轨道层（340 km、550 km、1150 km）中星链卫星的最大角直径。
• 应用星等标度定律：L(ω) ∝ ω⁻² 用于追踪目标，L(ω) ∝ ω⁻¹.⁵ 用于拖曳目标，估算探测器图像中的有效星等。
• 基于太阳高度与轨道层评估照明因子，利用图2建模卫星在黄昏与夜间飞越时的亮度。
• 通过建模射电干扰风险并参考铱星系统在阿雷西博天文台造成的既往干扰，将分析扩展至射电天文领域。
• 通过考察大型实验（如HAWC与CTA）评估切伦科夫天文的影响，考虑卫星轨迹对天区巡天的干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在夜空中仰角高于30度的可见卫星数量预期是多少？该数量如何随地理纬度变化？
• RQ2 卫星轨迹在光学天文探测器中造成饱和或数据退化程度如何？这与卫星角速度及探测器像素尺度有何关系？
• RQ3 卫星星座如何干扰射电天文设施？从铱星星座引发的既往射频干扰事件中可汲取哪些经验教训？
• RQ4 巨型星座对切伦科夫天文观测可能造成何种影响，特别是对大型地基伽马射线天文台？
• RQ5 在卫星星座日益增多且可能存在条约违规的背景下，如何依法保护地基天文设施的科学与经济价值？

主要发现

• 根据地理纬度与轨道层不同，夜空中仰角高于30度的可见卫星最多可达500颗，显著加剧天空污染。
• 在340 km高度的星链卫星角直径约为0.0015度，使其在高分辨率光学成像中可被识别为扩展源。
• 星链卫星的轨道速度在1150 km高度约为7.3 km/s，在340 km高度约为7.7 km/s，导致在1150 km高度的角速度分别为0.055 deg/s（ERS）与0.3 deg/s（LRS）。
• 低高度（如340 km）的卫星在天空中移动更快，单像素曝光时间更短，降低完全饱和的可能性，但仍会产生长条状拖影。
• 星链卫星的照明因子在黄昏时段最高，当太阳位于地平线下10–15度时亮度显著，增加干扰风险。
• 本文认为，其他研究（如欧洲南方天文台与哈佛-史密松森天体物理中心）的估算低估了计划中的卫星总数，且未考虑VISTA与VST等大型望远镜，导致对实际影响的低估。