2022-10-01
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text: '流星探测理论',
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items: [
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{ text: '前言', link: 'meteor/motivation' },
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# getting starrted
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# 澳大利亚沙漠火流星监测网
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澳大利亚沙漠火流星监测网是一个非常独特的流星网络，不是使用视频摄像头而是用普通单反来监控火流星。其中采取了一些有趣的技术，也获得了很好的成果，成功找到了好几颗陨石。本文就详细解读一下这个网络。
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澳大利亚沙漠火流星监测网[^1]是一个非常独特的流星网络，不是使用视频摄像头而是用普通单反来监控火流星。其中采取了一些有趣的技术，也获得了很好的成果，成功找到了好几颗陨石。本文就详细解读一下这个网络。
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本文的内容主要来自论文[How to build a continental scale fireball camera network](https://link.springer.com/article/10.1007/s10686-017-9532-7)。
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@ -48,8 +48,12 @@ DFN的观测设备主体由一台尼康D810和一个鱼眼镜头组成。单反
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2016年，DFN找到了第二颗陨石，1.15千克的[Dingle Dell](https://en.wikipedia.org/wiki/Dingle_Dell_meteorite)。这一次，预报的落点和实际的落点只相差130m。
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2016年，DFN找到了第二颗陨石，1.15千克的[Dingle Dell](https://en.wikipedia.org/wiki/Dingle_Dell_meteorite)[^2]。这一次，预报的落点和实际的落点只相差130m。
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[^1]:[How to build a continental scale fireball camera network](https://link.springer.com/article/10.1007/s10686-017-9532-7)
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[^2]:[The Dingle Dell meteorite: a Halloween treat from the Main Belt](https://arxiv.org/abs/1803.02557)
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在射电波段，主要观测的是流星和余迹反射的无线电波。无线电波可以是观测者主动发射的（通常称作“流星雷达”），也可以是远处的其他发射源发射的，通常是广播电台或者其他的信标台。而靠流星余迹反射，甚至可以进行远距离通信，有其特定的应用场景。
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射电观测的突出优点是可以昼夜运行。很多流星群的辐射点接近太阳，只在白天升起，不可能在光学波段观测到。也就是说，这些流星雨只发生在白天。雷达观测就发现了很多这样的流星群。另外，射电波段能观测到很暗的流星。例如2012年天龙座流星雨，雷达观测到了ZHR1000的爆发，而可见光的观测到的流星数目却没有什么增加。
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射电观测的突出优点是可以昼夜运行。很多流星群的辐射点接近太阳，只在白天升起，不可能在光学波段观测到。也就是说，这些流星雨只发生在白天。雷达观测就发现了很多这样的流星群。另外，射电波段能观测到很暗的流星。例如2012年天龙座流星雨，雷达观测到了ZHR达到9000的爆发，而可见光的观测到的流星ZHR只有200左右[^1]。
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但是，流星雷达对流星的测量不如光学观测精确。由于波长较长等原因，流星雷达只能将流星的位置精确到1km左右的精度，而光学波段可以达到10米。而依赖广播电台的“听”流星，就完全无法测量流星的方位，只能进行计数。此外，射电流星和光学流星的对应关系也并不是很确切。并不是所有光学流星都有无线电回波，这可能与流星轨迹得到朝向有关系；同时，根据一些研究，流星的亮度与雷达反射面积（RCS）有正相关的关系，但残差比较大。
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但是，流星雷达对流星的测量不如光学观测精确。由于波长较长等原因，流星雷达只能将流星的位置精确到千米量级，而光学波段可以达到10米。而依赖广播电台的“听”流星，就完全无法测量流星的方位，只能进行计数。此外，射电流星和光学流星的对应关系也并不是很确切。并不是所有光学流星都有无线电回波，这可能与流星轨迹得到朝向有关系；同时，根据一些研究[^2]，流星的亮度与雷达反射面积（RCS）有正相关的关系，但残差比较大。
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因为流星雷达技术难度较大，再加上无线电法规的限制，基本没有爱好者涉足。
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有的人以为确定流星位置需要3个站点的数据，其实两个站点就够了。因为单站观测可以获取两个维度（比如赤经赤纬）的数据，两个站点就有4个已知量，因此可以解出空间位置的3个未知量。
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因此，对流星的光学观测主要方式就是：大视场、视频、多站。大视场可以确保尽可能多的拍到流星；视频观测可以获取流星的速度和光变信息；而多站观测才可以获取流星的三维轨迹。同时，观测站点越多，覆盖的范围越大，观测到的流星也就越多。这就要求我们以适当的间隔布置大量的流星相机，这是一个耗费时间精力的工作，所以爱好者在其中的参与至关重要。
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[^1]:[The Unexpected 2012 Draconid Meteor Storm](https://arxiv.org/abs/1311.1733)
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[^2]:[FRIPON: A worldwide network to track incoming meteoroids](https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/12/aa38649-20/aa38649-20.html)
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一条流星的轨迹包含很多个点，如果我们对每个点都进行三位定位，就可以得出一条折线，这是各种误差造成的。而如果我们假设流星轨迹大致是一条直线，流星在这条直线上逐渐减速，这样就可以对整条轨迹进行拟合，得出的轨迹的误差就比单独每个点的误差小，因此持续时间长、数据点多的流星，定轨精度就更高。而此时，流星轨迹模型的选择就非常重要：近几年有一些文章指出，之前经常采用的一个模型并不非常合理。也有模型无关的定轨程序发布，在之后的文章中我们来详细解读。
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一条流星的轨迹包含很多个点，如果我们对每个点都进行三位定位，就可以得出一条折线，这是各种误差造成的。而如果我们假设流星轨迹大致是一条直线，流星在这条直线上逐渐减速，这样就可以对整条轨迹进行拟合，得出的轨迹的误差就比单独每个点的误差小，因此持续时间长、数据点多的流星，定轨精度就更高。而此时，流星轨迹模型的选择就非常重要：近几年有一些文章[^1]指出，之前经常采用的一个模型并不非常合理。也有模型无关的定轨程序发布，在之后的文章中我们来详细解读。
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[^1]:[Estimating trajectories of meteors: an observational Monte Carlo approach – I. Theory](https://academic.oup.com/mnras/article/491/2/2688/5626361)
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# 前言
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话说天下大势，合久必分，分久必合。6500万年前，一次陨石撞击导致了恐龙的灭绝；100多年前，发生在通古斯的神秘爆炸成了绵延几十年的未解之谜；差不多10年前，坠落在车里雅宾斯克的陨石也登上了新闻的头条。小天体撞击地球的危险是真实存在的，这也是为什么各国都在关注小行星的搜寻甚至防御：最近美国的Dart飞行器就演练了一次对小行星的改道。
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话说天上大势，合久必分，分久必合。6500万年前，一次陨石撞击导致了恐龙的灭绝；100多年前，发生在通古斯的神秘爆炸夷平了2000平方公里的森林；差不多10年前，坠落在车里雅宾斯克的陨石也造成了几千人受伤。可见，小天体撞击地球的危险是真实存在的。
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得益于这些投入，我们对地球周围的小行星有了越来越深刻的认识。科学家发现了大量的近地小行星，并对他们的轨道进行了推算。结果还算是乐观：未来几十年地球受到小行星撞击的概率不算大。有几个原本认为几十年后会撞地球的小行星，例如著名的“阿波菲斯”，它撞击的可能性也逐渐被排除。
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<!-- 这也是各国都在关注小行星搜寻和防御的原因：最近美国的Dart飞行器就演练了一次对小行星的撞击改道。 -->
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近地小行星的研究让大家暂时松了一口气，但还有一个概率低一些但是更可怕的危险源——长周期彗星。彗星撞地球的可能性也不算大，但彗星撞地球的危险性比小行星撞地球更严重一些。因为小行星可以通过巡天发现，然后预测到几十年后的撞击；但是撞击地球的彗星，因为远离太阳的时候无法观测到，从发现到撞击就只有一两年了，以现在的科技水平很可能来不及反应。
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小行星是广受各国关注的危险源。得益于大量投入，我们对地球周围的小行星有了越来越深刻的认识。科学家发现了大量近地小行星，并对它们的轨道进行了推算。结果还算是乐观：未来几十年地球受到小行星撞击的概率不算大。有几个原本认为几十年后会撞地球的小行星，例如著名的“阿波菲斯”，撞击的可能性也逐渐被排除[^1]。
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那有什么办法可以提前发现这些彗星呢？流星。彗星上一次回归的时候会在轨道上散落一些碎屑，这些碎屑在彗星轨道上与本体逐渐拉开距离，于是就会有一些碎屑提前一段时间撞上地球。从地球上看，就是出现了一场从来没见过的流星雨。这种不寻常的流星雨，就可以提供杀手彗星的一些蛛丝马迹。
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上面这些研究让大家暂时松了一口气，但还有一个概率低一些但是更可怕的危险源——长周期彗星。彗星撞地球的可能性也不算大，但危险性比小行星更严重。因为小行星可以通过巡天发现，然后预测到几十年后的撞击；但是撞击地球的彗星，因为远离太阳的时候无法观测到，被观测到的时候已经离地球很近了，可能只有一两年的预警时间，以现在的科技水平很可能来不及反应。
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那有什么办法可以提前发现这些彗星呢？流星！彗星上一次回归的时候会在轨道上散落一些碎屑，这些碎屑在彗星轨道上与本体逐渐拉开距离，于是就会有一些碎屑提前一段时间撞上地球。从地球上看，就是出现了一场从来没见过的流星雨。这种不寻常的流星雨，就可以提供杀手彗星蛛丝马迹。
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于是，在地球表面建立流星监测网，就可以发现这样的流星雨，然后就可以发现杀手彗星，就可以完成从世界末日中拯救全人类的壮举——这份荣耀既属于运行设备的科学家，也属于听信了这个故事的金主。
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上面这些论证基本来自于我前几天看到的一篇论文的绪论部分[^1]。是的，我能想象到你现在皱着眉头将信将疑的表情，因为我也是这样。不过我得承认，这个故事的质量远超过我之前各种ppt的开头几页，所以接下来我打算经常给别人讲这个。
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上面这些论证基本来自于我前几天看到的一篇论文[^2]。是的，我能想象到你现在皱着眉头将信将疑的表情，因为我当时也是这样。不过我得承认，这个故事的质量远超过我之前各种ppt，所以接下来我打算经常给别人讲这个故事。
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我从很早就开始对流星监控感兴趣。本科的时候我就有一个流星摄像头放在教学楼的楼顶，那时候跟大家一样使用UFOCapture这个软件，运行的很不错，中间还搞了流星雨直播和日常的慢直播。上了研究生之后，机缘巧合，兜兜转转，又继续做流星了。
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我从很早就开始对流星监控感兴趣。本科的时候我就在教学楼顶安装了一个流星摄像头，那时候跟大家一样使用UFOCapture这个软件，运行得很不错，中间还搞了流星雨直播和日常的慢直播。上了研究生之后，机缘巧合，兜兜转转，又继续做流星了。
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当年国内做流星监控的爱好者非常多，大家的设备基本都是watec-902h和它的变种，720×576的分辨率。后面几年，逐步发展成网络摄像头。这种一般来自于安保摄像头，对弱光的敏感度也不错，并且这种摄像头用到的CMOS芯片其实跟更贵的天文CMOS相机是同款，画质有保障。最开始还有人自己买裸板组装，后面比如海康威视等品牌的摄像头占领视场之后，大家的设备慢慢就转换成了这种。网络摄像头的功能比之前丰富得多，但很可惜，有些遭到了滥用。
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当年国内做流星监控的爱好者非常多，大家的设备基本都是WATEC-902H摄像头和它的变种，720×576的分辨率。后面几年，逐步更换成网络摄像头。这些摄像头原本用于安保，但对弱光的敏感度很不错，并且这种摄像头用到的CMOS芯片其实跟更贵的天文CMOS相机是同款，画质有保障。最开始有人自己买裸板组装网络摄像头，后面比如海康威视等品牌的摄像头占领市场之后，大家的设备慢慢就转换成了这种。网络摄像头的功能比之前丰富得多，但很可惜，有些功能遭到了误用。
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我刚来到国家天文台的时候，跟老师请教一些技术细节，逐渐发现了一些UFOCapture的一些缺点。最明显的是，老师直接跟我说，天文领域用的文件格式是fits，你发给我这个avi是怎么回事？UFOCapture保存的只是适合肉眼观看的视频，并不能保存各种天文工具需要的fits。但另一方面，各个领域的科研对数据的渴求是无止境的，大家经常提到流星检测网可以做各种各样的研究，这是非常大的激励。
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我刚来到国家天文台的时候，跟老师请教一些技术细节，当我把手上的数据发给老师看的时候，老师立刻就问我，天文领域用的文件格式是fits，你发给我这个avi是怎么回事？原来，UFOCapture保存的只是适合肉眼观看的视频，并不能保存各种天文工具需要的fits。专业的天文学家不喜欢UFOCapture这个软件，但他们对数据的渴求是无止境的，大家经常提到流星监测网可以做各种各样的研究，这是非常大的激励。
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我尝试总结一下，对于爱好者来说，现在的流星监测技术栈还存在以下这些问题：
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* UFOCapture对摄像头的兼容依然不算好，网络摄像头需要用rtsp-OBS插件-UFO这样的转接方式，这个过程也会消耗很大的cpu算力；
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* 真正会用UFOAnalyzer和UFoOrbiter对流星进行多站定轨的人还是很少，这两个软件汉化不完全、操作很复杂；
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* 这就导致，收集全国的流星数据，对流星进行常态化的定轨，还是非常的困难，积累的数据只是以视频的形式分散在各自的电脑中。
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* 这就导致，收集全国的流星数据，对流星进行常态化的定轨，还是非常困难，积累的数据只是以视频形式分散在各自的电脑中。
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另一方面，从科学研究的视角，也提出了这些问题：
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* 文件格式无法兼容，avi视频只能在UFO系列软件中使用，而不能进入天文学现有的工具链中进行深度处理；
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* 时间精度没有得到足够的重视，在定轨时也会造成很大的误差。
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所以，我们不要忘记，UFOCapture是一个将近20年前的软件，它的很多设计，已经无法适应现在的技术水平和天文学生态圈了。我们观察世界上其他流星监测网，最近几年规模比较大的网络，无一例外都是采用了自研的软件，有些甚至是开源的。所以开发一套适应时代的流星软件是很有必要的。
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所以，我们不要忘记，UFOCapture是一个将近20年前的软件，它的很多设计，已经无法适应现在的技术水平和天文学生态圈了。我们观察世界上其他流星监测网，最近几年规模比较大的网络，无一例外都是采用了自研的软件，有些甚至是开源的。所以开发一套适应时代的流星软件很有必要。
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这就是我研究生期间大部分时间做的事情。与UFO类似，我的软件也分成三部分，对应流星观测中的三个步骤：观测，测量和定轨。我们的硬件采用的是天文CMOS相机，叶建荣网络摄像头，从发现流星开始，到最后得到流星体轨道，都可以自动完成。在2020年和2021年的双子座流星雨期间，我们的几套设备拍到了上千颗流星，对流星轨迹的测量精度也达到了很高的水平，可以精确到几十米。这些工作就构成了我正在写的一篇论文。
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这就是我研究生期间大部分时间做的事情。与UFO类似，我的软件也分成三部分，对应流星观测中的三个步骤：观测，测量和定轨。我们的硬件采用天文CMOS相机，也兼容网络摄像头，从发现流星开始，到最后得到流星体轨道，都可以自动完成。在2020年和2021年的双子座流星雨期间，我们的几套设备拍到了上千颗流星，对流星轨迹的测量精度也达到了很高水平，可以精确到几十米。这些工作就构成了我正在写的一篇论文。
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但是做到这还不够。如果用论文画上句点的话，我写的软件，还是会成为下一个UFO，这些东西会被束之高阁、最后无人问津。要把软件推广开，产生真正的科学数据，完成之前所有的画饼，还差最后一步。**这一步是一大步。**
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在强悍的技术大佬的加持下，流星监控软件不再是一个单独的软件，而是跟云端的服务器形成的一个有机整体，数据和指令可以自由流动。这一切，就是因为流星监测的核心——多站。其实就是前几年比较时髦的SaaS架构。
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在强悍的技术大佬的加持下，流星监控软件不再是一个单独的软件，而是跟云端的服务器形成一个有机整体，数据和指令可以自由流动。这一切，就是因为流星监测的核心——多站。其实就是前几年比较时髦的SaaS架构。
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* 所有的流星监测站都是一个远程天文台。不用在电脑上设置，在手机和其他电脑上登陆网页，就可以远程控制流星相机观测。还可以把自己的设备授权给朋友互相管理。
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* 主要面向天文CMOS相机，也兼容现在的网络摄像头。我们希望给大家使用更专业的设备，它们产生的数据质量更高。
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* 有丰富的可视化小工具，可以生成“增强现实”的流星视频，可以直接导出竖屏视频；还有流星照片叠加成全景图，就像[这样](http://demo.meteoroid.fit/pano/album.html)。甚至还可以制作流星的[3D视频](https://www.bilibili.com/video/BV1QP4y177V2)。
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* 主要面向天文CMOS相机，也兼容现在的网络摄像头。我们希望大家使用更专业的设备，它们产生的数据质量更高。
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* 有丰富的可视化工具，可以生成“增强现实”的流星视频，可以直接导出竖屏视频；还有流星照片叠加成全景图，就像[这样](http://demo.meteoroid.fit/pano/album.html)。甚至还可以制作流星的[3D视频](https://www.bilibili.com/video/BV1QP4y177V2)。
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* 流星数据可以自动、实时地上传到服务器，与其他人的结果一起做多站定轨。这样，流星体的轨道、来源，还有未来预测陨石的落点，就都可以实现了。
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* 不只是流星，其他有趣的现象，比如人造卫星、飞机，以及精灵闪电，都可以得到兼顾。
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<iframe src="//player.bilibili.com/player.html?aid=856138716&bvid=BV19V4y1J7sa&cid=779800466&page=1" scrolling="no" border="0" frameborder="no" framespacing="0" allowfullscreen="true" width="100%" height="450px"> </iframe>
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[^1]:测试
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[^1]:[NASA Analysis: Earth Is Safe From Asteroid Apophis for 100-Plus Years](https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-analysis-earth-is-safe-from-asteroid-apophis-for-100-plus-years)
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[^2]:[Artificial intelligence techniques for automating the CAMS processing pipeline to direct the search for long-period comets](https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018pimo.conf...65D/abstract)
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这篇文章来自于我粗浅的文献调研，显然并不完整，对每个流星监测网络的描述也不一定是最新的，请不吝指出。其中有比较有趣的网络，例如澳大利亚沙漠火流星监测网，会单独写一遍文章来介绍。
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## GMN
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## GMN[^1]
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GMN（Global meteor network）是现在规模最大的流星监测网络。项目2018年由Croatian Meteor Network为前身发起。项目的核心是使用开源硬件和软件建设低成本的流星监测站。网络使用树莓派和IMX290、IMX255等芯片的网络摄像头，配合为之开发的开源软件（RMS），可以实现低成本和快速推广。软件同时也输出兼容CAMS和UFO Orbit的数据。至2021年，网络包含20个国家的共450个站点，共获得220000条流星轨道。
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## CAMS
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## CAMS[^2]
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CAMS（California All-sky Meteor Surveillance System）是一个历史较为悠久的流星监测网，开始于2000年前后。在2010年，CAMS推出了新的相机硬件设计，使用多个模拟信号摄像头组成阵列覆盖全天，每个摄像头的分辨率为22°×29°。数据格式使用Croatian Meteor Network开发的压缩格式。观测时将整夜的数据进行压缩存盘，再一同处理。
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## FRIPON
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## FRIPON[^3]
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FRIPON（Fireball Recovery and InterPlanetary Observation Network）是主要活跃于欧洲的流星监测网络。至2020年，已经有105个光学站点和25个无线电站点。硬件方面也使用低成本计算机和网络摄像头，使用鱼眼相机覆盖全天。软件方面使用单独开发的Freeture探测流星。由于硬件限制，极限星等不高，专注于较亮的火流星。至2020年，探测到4000颗流星。
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## UFOCAPTURE
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## UFOCAPTURE[^4]
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SonotaCo是一个日本的资深爱好者，开发了著名的UFOCapture软件，被诸多小型流星监测网和爱好者使用。但这个软件是闭源收费软件，因此也造成大型流星监测网都使用独立开发的开源软件。这些软件的性能经常与UFO软件相对比。配套的UFOOrbit软件是免费的，因此更广泛地应用于流星定轨，很多流星监测网也提供兼容的数据产品。
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## DFN
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## DFN[^5]
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澳大利亚沙漠火流星监测网（Australian Desert Fireball Network）是专注于寻找陨石的火流星监测网络，与其他使用视频摄像头的网络不通，DFN使用单反相机和液晶快门进行流星监测。虽然无法探测暗流星，但足够进行火流星和陨石轨迹的观测。2015和2016年各找到一颗1公斤级的陨石。
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@ -51,3 +51,12 @@ SonotaCo是一个日本的资深爱好者，开发了著名的UFOCapture软件
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* Sri Lanka Meteor Network：没有成果发表
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* ASGARD All-Sky Camera Network：加拿大的5个站点，使用模拟信号摄像头，极限星等+1
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[^1]:[The Global Meteor Network -- Methodology and First Results](https://arxiv.org/abs/2107.12335)
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[^2]:[CAMS: Cameras for Allsky Meteor Surveillance to establish minor meteor showers](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103511003290)
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||||
[^3]:[FRIPON: A worldwide network to track incoming meteoroids](https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/12/aa38649-20/aa38649-20.html)
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||||
[^4]:[SonotaCo - UFOCapture](http://sonotaco.com/soft/e_index.html)
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||||
[^5]:[How to build a continental scale fireball camera network](https://link.springer.com/article/10.1007/s10686-017-9532-7)
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