[论文解读] Space Debris detection and tracking with the techniques of cosmic ray physics

H. Miyamoto, Matteo Battisti+46 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2019

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出利用宇宙射线探测技术，特别是空间站搭载的荧光望远镜（如Mini-EUSO），通过观测空间碎片（SD）表面反射的阳光来探测和跟踪空间碎片。模拟与实际测试结果证实，可探测到一个火箭体，表明该方法在反射率约0.5、距离达100公里时，可实现对厘米级碎片的探测，预计每年可探测约45个空间碎片。

ABSTRACT

Space Debris (SD) consist of non-operational artificial objects orbiting around the Earth, which could possibly damage space vehicles, such as the International Space Station (ISS) or other manned spacecrafts. The vast majority of such objects are cm-sized, not catalogued and usually the tracking data are not precise enough. Here we present the feasibility study of SD detection and tracking with techniques usually employed in cosmic-ray physics. For this purpose, we have evaluated the possibility of using Mini-EUSO, a space-borne fluorescence telescope to be deployed on the ISS, to track SD illuminated by the Sun. By means of ESAF (EUSO Simulation and analysis Framework) simulation and by developing the trigger algorithms, we estimated the minimum size and maximum distances of detectable SD. We then studied the number of possible SD detections using an ESA software called MASTER (Meteoroid and SD Terrestrial Environment Reference). With the Mini-EUSO Engineering Model (Mini-EUSO EM), we performed some measurements to estimate the reflectance of the most common SD materials and to demonstrate the ability of Mini-EUSO to detect SD events. We also performed some tests in open-sky conditions, identifying and tracking fast-moving objects. In particular, the detection of a rocket body allowed us to confirm the simulation outcomes predictions and the expected performance of the detector.

研究动机与目标

• 评估利用宇宙射线物理技术探测和跟踪空间碎片（SD）的可行性。
• 评估类似Mini-EUSO的望远镜在日出/日落期间探测被阳光照亮的空间碎片时的性能。
• 通过实验室和户外实测验证碎片反射率及可探测物体的模拟结果。
• 开发并测试用于实时探测高速运动空间碎片的触发算法。
• 估算空间碎片的年探测率，并利用ESAF和MASTER模拟评估追踪精度。

提出的方法

• 利用ESAF（EUSO模拟与分析框架）模拟光传播、探测器响应及SD反射的重建。
• 设计了一种触发算法，扫描光电探测模块（PDM）上的25个虚拟基本单元（EC），检测连续5次L3_GTU（40.96 ms）中像素超出背景3σ的信号。
• 使用Mini-EUSO工程模型（EM）测量常见SD材料的反射率，平均反射率约为0.5，抛光铝的反射率为0.92。
• 在Pino-Torinese天文台开展户外观测，探测高速运动物体，包括一个火箭体。
• 将探测到的物体参数（尺寸、距离、亮度）进行缩放，以估算在不同反射率和距离条件下对SD探测的性能。
• 结合ESAF模拟与MASTER软件，估算年探测率并验证追踪预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 类似Mini-EUSO的望远镜能否通过观测其表面反射的阳光来探测空间碎片？
• RQ2 使用该方法可探测到的最小空间碎片尺寸和最大探测距离是多少？
• RQ3 该触发算法在实时识别高速、微弱碎片轨迹方面准确度如何？
• RQ4 实验室测得的SD材料反射率与模拟假设的一致性如何？
• RQ5 该方法预计每年可探测到多少空间碎片？

主要发现

• Mini-EUSO EM在户外观测中成功探测到一个火箭体，证实了该探测方法的可行性。
• 探测到的火箭体，其在530公里轨道上的尺寸估算为2.8米×2.6米，对应于距离望远镜100公里处的5.6厘米半径物体，或50公里处的2.8厘米半径物体，与模拟预测一致。
• 反射率测量结果显示，从0.17（电子线路板）到0.92（抛光铝）不等，模拟中采用的平均值约0.5，与探测结果一致。
• 使用ESAF框架和触发算法的模拟预测，反射率为0.5时每年可探测约45个空间碎片。
• 即使在反射率为0.1时，探测性能仍具可行性，但更高的反射率更符合观测数据。
• 触发算法成功识别并跟踪了火箭体，验证了其在实时碎片探测与追踪中的潜力。