太空活动的指数级增长导致绕地球运行的物体数量急剧增加，超出了确保近地空间长期可持续性的监管和技术框架的应对能力。值得注意的是，低地球轨道（LEO）卫星星座的大规模部署彻底改变了太空活动的范式。截至2022年，大约80%的已编入目录的太空物体位于LEO轨道[1]。尽管像Starlink或OneWeb这样的巨型星座对社会有益，但它们也可能影响天文观测和在轨航天器的安全[1]，显著增加了废弃卫星与在轨卫星发生碰撞的风险[2]。然而，对轨道可持续性的威胁不仅限于在轨卫星。非功能性航天器、由意外碰撞[3]、[4]和碎片化[4]产生的太空垃圾，以及不幸通过反卫星（ASAT）试验[5]、[6]故意破坏的太空垃圾，其数量远远超过功能性载荷。截至2022年12月，仅由碎裂事件产生的垃圾就占所有编入目录的太空物体的近47%[4]。此外，一些卫星在完成服役期后由于失控旋转或与微流星体和太空垃圾的碰撞而自我毁灭[7]。
尽管GEO轨道的物体密度低于LEO轨道，但它对长期可持续性提出了特殊挑战。位于GEO轨道的物体不会自然脱离轨道，因此任何失控情况都可能是永久性的。欧洲航天局（ESA）的一份报告指出，截至2017年，在已知的1523颗GEO轨道物体中，超过一半（53%）处于漂移轨道，只有34%受到主动控制[8]。光度观测进一步显示，超过50%的GEO轨道物体存在旋转运动，表明该区域存在显著的非合作行为[9]。ESA的2025年太空环境报告进一步强调了GEO轨道发射的载荷重量持续偏重的现象，尽管有向更小载荷（≤100公斤）发展的趋势，但这使动态环境更加复杂[10]。GEO轨道的拥堵问题因许多低倾角物体在百年时间尺度上的轨道演变有限而加剧[11]。这种轨道稳定性凸显了精确掌握每个物体位置和自转状态的需求，因为姿态动态的变化可能是碎片化或碰撞事件的早期迹象。
虽然GEO轨道的物体密度低于LEO轨道，但它对长期可持续性提出了特殊挑战。位于GEO轨道的物体不会自然脱离轨道，因此任何失控情况都可能是永久性的。欧洲航天局的一份报告指出，截至2017年，在1523颗已知GEO轨道物体中，超过一半处于漂移轨道，只有34%受到主动控制[8]。光度观测还显示，超过50%的GEO轨道物体存在旋转运动，表明该区域存在显著的非合作行为[9]。ESA的2025年太空环境报告进一步强调了GEO轨道发射载荷重量持续偏重的现象，尽管有向更小载荷发展的趋势，但这使动态环境更加复杂[10]。GEO轨道的拥堵问题因许多低倾角物体在百年时间尺度上的轨道演变有限而加剧[11]。这种轨道稳定性凸显了精确掌握每个物体位置和自转状态的需求，因为姿态动态的变化可能是碎片化或碰撞事件的早期迹象。
光度测量方法，特别是光变曲线反演，能够提供有关物体形状、自转轴和姿态的宝贵信息[17]、[18]。尽管这是一种推断这些参数的强大方法，但许多研究仅基于模拟数据，且在实际条件下使用单光变曲线重建物体的真实形状具有挑战性，尤其是在存在观测噪声的情况下[19]。此外，随着物体几何结构的复杂性增加，即使增加更多数据，模拟也难以恢复正确的形状[19]。以往的光度测量研究使用配备CCD传感器的大口径望远镜对人造卫星进行光学观测，虽然分辨率高，但视场（FOV）小，导致数据采样率低，尤其是对于快速旋转的物体。
一项针对几颗非活动GEO卫星为期一个月的光度测量研究[13]发现，尽管这些卫星的构造和轨道特性相似，但它们的光变曲线特征各不相同。作者强调了进行长期连续监测的必要性，以跟踪其动态演变。他们还指出了观测设置的局限性，即即使使用合并图像的大口径望远镜和CCD相机，其时间分辨率仍然较低，无法充分采样快速旋转物体的光变曲线。
伯尔尼大学天文研究所（AIUB）建立了一个长达十年的光变曲线数据库，涵盖了所有轨道类型的400多颗物体[9]。他们使用了一台配备CCD相机的1米望远镜，通过采集子帧将读出时间缩短至1秒。参数化和非参数化分析均表明，虽然大多数物体是自转体，自转周期从几秒到15分钟不等，但也发现了一些没有明显周期性的稳定物体。
与以往的研究类似，对四颗非活动GEO卫星的长期光度监测显示，它们的自转周期在100到150秒之间[20]。在某些卫星中观察到了准周期性的自转周期变化，这主要归因于太阳辐射压力。其中一颗卫星的自转周期变化时间超过了研究持续时间（520天），从而强调了持续长期监测同一物体的重要性。同一组作者分析了11颗卫星近四年的光度数据，发现了短期周期变化（时间尺度从200天到超过一年）和长期演变[21]。他们强调了这些数据对于太阳辐射压力（SRP）扭矩动态建模的重要性，强调了长期监测先前研究过的卫星和新选卫星的必要性。
另一项为期几周的光学调查证实了GEO轨道中存在翻滚的非活动卫星[16]。通过使用大口径望远镜和CCD传感器进行数据采集，并结合多种频率分析工具，研究了退役卫星的姿态运动。所有观测到的物体都表现出翻滚运动，其中大多数物体的角速度低于1°/s。
首次对一颗非活动箱翼形GEO卫星的自转轴方向进行估计时，发现了自转轴在恒星年时间尺度上的进动现象[22]。然而，作者指出自转轴的赤道坐标存在较大不确定性，这可能是由于采样率造成的，因此需要更高频率的图像和补充观测来减少方向不确定性。
Papushev等人[15]在1995年至2003年间对不受控制的GEO卫星进行了光度监测，确定这些卫星的自转周期范围为20至430秒[15]。根据长期观测，他们将非活动卫星分为三类：（1）多年逐渐变化的卫星；（2）短期间歇性变化的卫星；（3）几天内短暂异常增加的卫星。
本文介绍了APSIS，这是一个自动化地面光学系统，专为GEO和MEO轨道卫星的长期高频率光度监测而设计。虽然之前的研究已经展示了基于光变曲线的卫星自转估计方法，但目前尚缺乏一个能够自主数据采集、校准光度数据并近乎实时提供精确光变曲线以进行后续旋转和形状建模的端到端操作系统。尽管该系统支持MEO和GEO轨道目标，但在本文中我们专注于GEO轨道的非活动卫星，因为它们的轨道几何结构允许从单一天文台进行连续观测和多时期监测，这是解决自转周期长期变化所需的条件。与大多数使用CCD探测器的现有光学系统不同[13]、[16]、[23]，我们的数据采用sCMOS传感器采集，该传感器具有更低的读出噪声和更高的帧率，特别适合解析人造卫星的快速光度变化。APSIS集成了实时数据采集、自动处理以及基于物理原理的一阶模型的连续光变曲线和天体测量生成，我们证明了该系统能够恢复物体的姿态和主要物理特性。本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了系统架构、数据采集策略、天体测量和光度分析流程；第3节概述了在非活动GEO卫星上验证的旋转和反演建模结果；第4节总结了关键发现和未来工作计划。
