近地小行星Apophis的天体测量试验观测

王晓雯，曹锦，彭青玉

(1.暨南大学计算机科学系，广东 广州 510632；2.暨南大学中法天体测量、动力学与空间科学联合实验室，广东 广州 510632)

近地小行星Apophis的天体测量试验观测

王晓雯1，2，曹锦1，2，彭青玉1，2

(1.暨南大学计算机科学系，广东 广州 510632；2.暨南大学中法天体测量、动力学与空间科学联合实验室，广东 广州 510632)

Apophis是一颗对地球具有高潜在威胁的小行星(Potentially Hazardous Asteroid，PHA)，对其开展高精度定位观测可为精确计算其轨道提供基本数据。2013年2月4～7日，使用云南天文台2.4 m望远镜云南暗弱天体光谱及成像仪(Yunnan Faint-Object Spectrograph and Camera，YFOSC)对Apophis进行观测，采用天体测量软件Astrometrica处理原始CCD图像，获得了一批定位结果，并与JPL历表和IMCCE历表进行了外部比较，结果表明，当与JPL历表比较时，赤经、赤纬两个方向的观测位置减去计算位置(O－C)不大于0.1 arcsec，每个方向单次测量精度约为0.1 arcsec。

PHA；Apophis；天体测量

CN53－1189/P ISSN1672－7673

小行星(99942)Apophis于2004年6月9日被发现(Minor Planet Supplement 109613)。根据以后几年的观测和分析，它被认为是一颗对地球具有高潜在威胁的小行星，其峰值冲击几率(Impact Probability，IP)为2.7%，预计碰撞发生在2029年4月(http://neo.jpl.nasa.gov/risk/；http://newton.dm.unipi.it/neodys/)，这被视为天文界的重大事件。在以后的精确定位观测中(包括使用Doppler和延时观测)，其轨道得到了改进[1]，结果表明，2029年的撞击危险已被排除，但未来几十年间的其他撞击危险仍然存在。因此，高精度获取该小行星的位置资料并进行相关轨道理论的研究与分析依然非常重要。

根据国际Gaia-FUN-SSO网(https://www.imcce.fr/gaia-fun-sso/start)的预报，于2013年2月4～7日，使用云南天文台丽江2.4 m望远镜进行了试验观测，应用了国际上流行的天文图像处理软件Astrometrica[2]进行CCD图像的处理。为了与理论预报进行比较，分别采用了美国JPL历表和法国IMCCE的历表。最后还分析了获取高精度资料的改进办法。

1 观测资料

2013年2月4～7日晚，在云南天文台2.4 m望远镜上实施了Apophis的观测，观测过程中分别采用了I和B滤光片(根据预报，其星等为16.7)，共计得到了76帧CCD图像。表1给出了使用望远镜/CCD的参数说明。表2是每晚获得的图像帧数分布。

表1 望远镜和CCD参数说明Table 1 Specifications of the telescope and CCD chip

2 图像的预处理与测量

2.1 预处理

因为YFOSC图像的四周有黑框(视场大小比成像区稍大)，对原始图像进行了适当的裁剪。裁剪后的图像大小为1 900×1 900。图1和图2 (对原始图像灰度进行了取反色操作)分别表示了裁剪前后图像的变化情况，并在图2中标注了目标星Apophis。

表2 Apophis的CCD图像帧数和滤光片说明Table 2 Exposure time and filters used in the apophis observations

图1 原始图像裁剪前Fig.1 An original CCD frame before clipping

图2 原始图像裁剪并放大后Fig.2 The CCD frame clipped and magnified

2.2 Astrometrica处理

Astrometrica是由奥地利学者开发的一款非常方便处理小行星CCD图像并进行天体测量工作的软件(http://www.astrometrica.at/)，也应用于天然卫星的高精度天体测量[3－4]。在具体使用中根据望远镜和CCD参数设置了软件中一些重要参数见表3(其余采用缺省值)。

表3 部分重要参数设置Table 3 Vital equipment parameters

从上述参数设置中不难推测，该软件采用了传统的底片常数模型进行天体测量的归算。由于视场中参考星较多(图1、图2)，此处采用了4阶底片模型。因为观测天区在赤纬以南，所以可采用UCAC3参考星表[5]。

当图像经Astrometrica进行星像搜索并和星表匹配正确后，可用鼠标点击观测对象进行测量(由功能Blink识别运动目标Apophis)。测量后，所有测量数据存在该软件设置的文件中。表4给出了部分测定后由Astrometrica生成的数据文件。

表4 测量Apophis的数据文件Table 4 Observation Log

按上述方法共计处理了4个晚上当Apophis处于视场中心附近的图像(共计76个测量位置)。

2.3 处理结果

表4给出了第1个晚上观测的部分图像资料的结果(Apophis的站心天体测量位置)。为了分析结果的测量精度，分别下载了法国IMCCE(http://www.imcce.fr/)和美国JPL(http://ssd.jpl.nasa.gov/)的历表。其中，历表位置设置为观测站站心的天体测量位置。然后，根据CCD图像曝光的终点时刻，从历表中内插得到相应时刻的计算位置。进一步就可以方便求解观测(Observed)位置减去计算(Computed)位置(O－C)。图3和图4给出了对应于不同观测时刻的(O－C)分布情况。

图3 4～7日赤经方向的(O－C)分布Fig.3 The(O－C)distribution in RA

图4 4～7日赤纬方向的(O－C)分布Fig.4 The(O－C)distribution in Dec

从两图中可以看出，2月4日晚的资料比较集中，内部符合最好。这是因为，观测时取样比较密集(而且星像在视场中移动的范围也不大)。表5给出了相对于JPL和IMCCE两个历表的平均(O－C)及标准差。平均而言，(O－C)在两个方向更接近于JPL历表(绝对偏差不超过0.1 arcsec)，每个方向的单次测量精度约为±0.1 arcsec。

3 结果分析

从测量的误差来看，测量误差来源包括如下几个方面。第一，量度坐标的测量。这里我们发现Astrometrica采用高斯拟合的方法，因为目标相对较亮(图2)，信噪比有保证。虽然目标运动较快，但曝光时间一般在20～30 s，从图像中未见明显的拖长。第二，底片模型的选取。这项误差影响可能是最大的。根据文[6]的分析，2.4 m望远镜因为安装了有缩焦功能的接收终端YFOSC，视场的扭曲非常明显。但这次观测前，整个望远镜因为镀膜进行了重新安装，光学系统发生了很大的改变，因而不能武断地使用从前的扭曲模型进行改正。此外，此处也因为Astrometrica软件的“黑箱”性，只能尽量选取底片模型阶数最高的四阶模型进行求解。第三，参考星理论位置的误差。虽然UCAC3具有较好的内部符合[5]，对于10～14 mag精度误差为20～25 mas，14～16 mag精度误差为25～70 mas，但该星表中的自行被认为有较大的系统误差[7]。不过因观测天区在南天区，其自行的精度相对较好。

表5 参考JPL和IMCCE历表的观测资料Table 5 Observed positions with respect to the ephemerides from JPL and IMCCE

综合上述分析，此处目标星的精度在±0.1 arcsec可以接受。但将来采用独立分析系统对目标星进行实际测量和几何扭曲的求解，从而提高位置测量精度是必要的。

4 与其他资料的比较

表6给出了本次Apophis的位置测量(采用JPL历表)与其他作者位置测量的比较。可以看出，在赤经和赤纬两个方向上观测得到的Apophis的测量精度较同类观测有了较大的改善。

表6 与其他Apophis观测资料的比较Table 6 Comparison with other observations

5 结 论

使用云南天文台2.4 m望远镜于2013年2月4～7日观测了近地小行星Apophis采用Astrometrica软件处理归算，获得的观测位置与美国JPL历表给出的位置绝对偏差小于0.1 arcsec，测量精度约为0.1 arcsec。通过进一步深入分析观测资料误差来源，考虑视场扭曲以便提高位置测量精度仍然是必要的。

参考文献:

[1] Jon D Giorgini，Lance A M Benner，J Ostro，et al.Predicting the Earth encounters of(99942) Apophis[J].Icarus，2008，193(1):1－19.

[2] Raab H.Astrometrica Software[ED/OL].[2013-05-12].http://www.astrometrica.at.

[3] Qiao R C，Xi X J，Dourneau G，et al.CCD astrometric observations of Phoebe in 2005－2008 [J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2011，413(2):1079－1082.

[4] Qiao R C，Cheng X，Dourneau G，et al.CCD astrometric observations of the five major Uranian satellites made in 1998－2007 and comparison with theory[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2013，428(3):2755－2764.

[5] Zacharias N，Finch C，Girard T，et al.The third US Naval Observatory CCD Astrograph Catalog (UCAC3)[J].The Astronomical Journal，2010，139(6):2184－2199.

[6] Zhang Q F，Peng Q Y，Zhu Z.Preliminary results of solving the problem of geometric distortion for the 2.4m telescope at Yunnan Observatory[J].Research in Astronomy and Astrophysics，2012，12(10):1451－1456.

[7] Roeser S，Demleitner M，Schilbach E.The PPMXL catalog of positions and proper motions on the ICRS.combining USNO-B1.0 and the two micron all sky survey(2MASS)[J].The Astronomical Journal，2010，139(6):2440－2447.

[8] Bancelin D，Colas F，Thuillot W，et al.Asteroid(99942)Apophis:new predictions of Earth encounters for this potentially hazardous asteroid[J].Astronomy＆Astrophysics，2012，544: A15－A20.

Preliminarily Astrometric Observations of NEO Apophis

Wang Xiaowen1，2，Cao Jin1，2，Peng Qingyu1，2
(1.Department of Compute Science，Jinan University，Guangzhou 510632，China，Email:328926814＠qq.com；2.Sino-French Joint Laboratory for Astrometry，Dynamics and Space Science，Jinan University，Guangzhou 510632，China)

The Near-Earth Asteroid Apophis is a potentially hazardous asteroid(PHA)，thus it is crucial to develop high precision astrometry that can provide basic data for the accurate calculation of its orbit.The original CCD frames were taken by the YFOSC(the Yunnan Faint Object Spectrograph and Camera)attached to the 2.4m telescope at Yunnan Observatories during February 4－7，2013.After we used the astrometry image reduction software“Astrometrica”to process the CCD frames，76 observational positions of Apophis were obtained.When compared with JPL and IMCCE ephemerides，the absolute mean difference between our results and that of JPL is less than 0.1 arcsec in both right ascension and declination.This is consistent with what is expected.

PHA；Apophis；Astrometry

P123

A

1672－7673(2014)01－0034－05

2013－04－28；修定日期:2013－05－12

王晓雯，女，硕士研究生.研究方向:图像、图像处理.Email:328926814＠qq.com