中国空间站工程巡天望远镜和哈勃相比有什么优势和劣势？ 第1页

中国空间站工程巡天望远镜，“巡天”光学舱平台，设计于2024年前后^[1]由长征五号B运载火箭从海南文昌航天发射场发射入轨，计划在轨运行10年，作为“国家级空间光学实验室”支持开展更多、更先进的空间光学技术试验，填补我国空间天文观测领域的空白。

为避免空间站遮挡视野^[2]、空间站震动影响望远镜成像，“巡天”光学舱平台将与空间站共轨飞行而不连接在空间站上，支持多功能光学设施开展巡天观测；尾部有对接口，可定期与空间站对接，通过空间站有人参与展开在轨维修维护、补加推进剂等活动，提高使用效率和寿命，并能进行升级与扩展；多种后端功能模块集成设计，兼具对地观测能力。在可维护性、可扩展性方面，“巡天”光学舱平台优于没有空间站支持、在航天飞机退役后难以进行维护与升级的哈勃望远镜。

“巡天”光学舱平台搭载的望远镜主镜口径2米，离轴三反，配备31个9k×9k CCD、8个4k×6k CMOS GS、8个2k×2k CMOS WFS，25亿+2亿像素，观测波长范围255~1000纳米，g波段模拟像质0.13~0.15角秒^[3]，轨道高度393千米时对地极限分辨率0.132米，有效视场1.1平方度，带有7个滤光片，具有光谱能力。

• “巡天”光学舱平台搭载的望远镜的有效视场为哈勃望远镜的300倍以上，这是离轴三反光路的结果。哈勃望远镜是R-C卡塞格林望远镜（两块反射镜组成的反射望远镜），视场范围小。
• 在角分辨率、光轴长期指向稳定性（天文观测极限星等的关键指标）方面，此望远镜的性能仍不及哈勃望远镜。
• 如果你要问“为什么我们比它新这么多年还会这样”，原因倾巢而出：航天和光学缺钱，科研缺人，现场缺技术，这个光路导致望远镜形状不好塞到火箭里，这个火箭还小。

按照计划，“巡天”光学舱平台将用约3年时间进行深度多色成像巡天，每次曝光时间100秒，使用至少6个滤光片，整体覆盖约17500平方度^[4]，极限星等平均大于等于25.5等^[5]（五西格玛）；用约3年时间进行无缝光谱巡天，每次曝光时间400秒，R不低于200，覆盖约17500平方度；用约2年时间进行极深度成像与光谱巡天，累计曝光4000秒^[6]，比大面积观测深1星等以上，覆盖约400平方度；可以通过弱引力透镜^[7]寻找暗物质与暗能量的痕迹。

以上是过去的公开资料，多有不准确之处，修正可以看：https://www.zhihu.com/answer/1815683872

哈勃望远镜有大规模的团队进行数据处理和分析，涉及天文、图像、数据处理、人工智能等多个方面。“巡天”光学舱平台的支持团队相对而言缺少这些经验，一些领域要从头开始整合。

“巡天”光学舱平台积累的经验可以活用于将来。我们还会发射更好的空间望远镜。

参考

1. ^ 从2022年推迟。
2. ^ 天宫早期设计让实验舱II的舱体留有巨大的开口来满足观测视野的要求，但空间站遮挡的影响仍然不小。
3. ^ 哈勃望远镜为0.1角秒，此数值越小越好。
4. ^ 整个天空是41253平方度，17500平方度是整个天空的42.42%
5. ^现代地面观测能达到的最高极限星等约25等到28等。此数值越大，说明可观测到的最暗的星光越暗、可观测的最远天体越远。哈勃望远镜极限星等为31等，詹姆斯韦伯望远镜预计将达到34等。 http://www.jaymaron.com/telescopes.html
6. ^ 哈勃极深空于2012年9月25日公布，曝光时间达200万秒（约23天）。影像中最暗星系的光度是肉眼可分辨光度下限的一百亿分之一，拍摄到了132亿年前的星系。
7. ^ 在时空歪曲的影响下遥远星系的微弱变形效应。

关键是模式

空间站伴飞这个模式一旦做成了。巡天望远镜和哈勃就不是一个物种了。

这是人类第一个真正意义的太空天文台。而不是空间望远镜卫星。这是两码事。

要知道伴飞，那就不止一台了，以后如果向深里做，同时来个四五台有没有可能？这是完全有可能的。

这个模式的关键点，是验证太空天文台的长期运营成本和任务效率是不是符合预期。如果答案是，是的话。围绕空间站，伴飞一系列科学卫星。这个模式就厉害。简而言之，就是“空间站+”计划了。

须知道，太空实验总有做到边际效益递减的时候，但是，这种伴飞科学卫星，将在很长时间内，成为最重要的空间站资产，说不定，玩到最后，天宫空间站退了，还得换个新空间站过去顶替位置。

一文让你对中国巡天望远镜了然于胸

略长，所以太长不看版的回答是：空间站工程巡天望远镜和哈勃并不是一个类型的空间望远镜，它们的优劣主要是两种不同的类型带来的，不能有效反应中国的望远镜技术。中国的确在大型光学设备上落后但不意味着我们不能在一些新领域弯道超车，巡天就是一个非常典型的例证。

首先简要的介绍一下中国空间站工程巡天望远镜，其主镜口径2米，在大型光学空间望远镜中首次采用二次成像离轴三反射镜系统，焦距28米，焦比F/14，视场约1.32平方度，设计寿命10年，和中国空间站共轨飞行方便维护。科学目标是观测17500平方度天区的多色成像数据以及同样天区的无缝光谱数据和深场。感光元件像素25亿，导星像素6亿，观测波长覆盖255~1000 nm。

首先要介绍的就是“巡天”这个概念，巡天不仅仅是这一台空间望远镜的名字，它其实是一种观测类型，是“针对天空中或其中一个区域，以某种欠缺资料的特定天体为目标进行的搜寻工作”，也就是所谓的普查型观测。要达到这种目标，就必须保证每次观测需要覆盖足够大的天区，不然如果你观测区域过于小的话，很可能你寿命都结束了都无法完成天空中的普查。

1948年开始的帕洛马巡天，以及2000年开始的斯隆数字巡天都为天文界提供了极为重要的数据，打开了用天文观测精确检验和探索基础物理理论的新篇章。专用的空间巡天望远镜的需求也被提了上来，中国空间站望远镜（曾用名，我们简称CSST，以区别“巡天”这个概念）是在这一细分领域，设计理念和落实时间上都丝毫不落后于国外最先进的同期装备的。

专用巡天望远镜，不论是空间的还是坐落于地球表面的，最大的特点是具有相当大的视场。斯隆数字巡天采用的阿帕奇天文台2.5米RC望远镜，视场高达3度。焦比达到了变态的f/5（焦比越短，则在同样口径，同样曝光时间下的信噪比越高），为了达到这一点，其焦平面甚至是放在反射镜主焦点上的。

国内著名的业余天文台，高兴老师创立的星明天文台自建的HMT半米口径巡天望远镜也采用了类似的主焦点成像设计，以加快望远镜，请注意下图红圈处，那是一台QHY11 CCD制冷相机。

很多不玩天文的童鞋估计对望远镜“视场”没有概念，视场即Field of View（FOV），把一圈分成360度，一度等于60角分，一角分等于60角秒。光说数字毫无头绪，我小虎鲸从来不堆砌概念，从来不用公式来吓读者，请放心，我会用一个非常具体的例子给大家感受一下：

上面这张图是我于2018年7月21日晚拍摄的星野，器材是尼康D810，镜头是适马14mm F1.8，很美的星空不是么？ 在广角镜和全画幅传感器的加持下，这张图的FOV达到了146.8° x 97.97°，非常宽广，如果用这种视角来巡天，拍几张照片即可覆盖整个天区。

我们放大这张图的银河，仔细看看：

这里放大以后，用红圈画出的是梅西耶星表中排号16的星云，老鹰星云，这是一个相当亮的发射星云，也是很多深空摄影初学者喜爱的目标。

这张照片是我在2017年6月28日晚拍摄的M16星云，单张曝光，无任何裁剪，无任何校正场。器材是一具口径203mm，焦距800mm（即焦比f/4.0左右）的牛顿反射式望远镜，相机是QHY168C，靶面是APS-C大小。虽然这张图拍的很烂，但从视场上要比上面的广角小很多倍。我算出来的视场大小为1.7° x 1.13°。大家可以脑补一下，用这个视场大小，需要拍多少张才能填满天空。

接下来我们继续放大，或者用我更加关注的指标：继续缩小视场。在M16星云中央的位置，有一个看起来有点像脚掌的结构，只是只有三根脚趾，这里是一个充满了星际尘埃的恒星形成区。1995年4月1日，哈勃空间望远镜，利用其最核心的第二代广域和行星照相机（WFPC2）对这个区域进行了成像

这张照片就是著名的“创生之柱”，之所以右上角缺一块，是因为WFPC2的感光元件是长这个样子的：

通过和上面我拍的图片的对比，可以对哈勃的视场角度之小，有一个非常直观的感受。这个视场只有4.7角分，相当于0.0783°，视场面积我们平方一下就知道是0.00613平方度。如果要用哈勃去进行CSST的预定巡天观测目标，即17500平方度，那么假设每次只曝光150秒，曝光4个频段，即便哈勃自升空起就无时无刻不停地拍摄，它需要54年才能完成CSST的巡天任务。

作为对比，CSST的视场面积，根据公开资料是大于等于1.1平方度，也就是按照最低标准，CSST的视场面积为哈勃的180倍，实际可能在300倍左右，这样的巨大视场不比我前面放的我的天文望远镜拍摄的小多少了。

了解了这个基本事实，感受了一下视场的大小后，我们来看看这两款望远镜的设计。

哈勃空间望远镜的设计采用了和美国军用侦察卫星相似的设计，采用了地面天文台非常常用的里奇-克莱琴光学系统（Ritchey-Chrétien telescope），光线通过主镜、副镜两道反射汇聚于焦平面。不过这里有个有意思的地方，就是WFPC的靶面并非放置于光轴上，而是通过一个反射镜送入一个模块中。

这种设计显然加强了望远镜的模块化设计，方便航天员上天整体更换相机部件。哈勃望远镜的主镜口径为2.4米，焦距为57.6米，焦比为f/24。

而CSST采用了一个叫做“Cook型离轴三镜消像散光学设计”（这个所谓的cook型指的是二次成像，相对于一次成像的Wetherell型），听着是不是一头雾水？其实这个构型你听着可能不是很熟悉，但它其实是我们中国航天玩的最六的一个光学设计之一。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所首席科学家韩昌元早在1998年就装调成功国内第一台离轴三反镜光学系统，且这一系统很快就被应用到了航天之中。长春光机所的离轴三反系统已成功应用于六个航天型号任务、十余台空间光学载荷。

某世界第一颗（可能）地球同步轨道光学监视卫星，用的就是这玩意，图是人家公众号上的图，请保密侠高抬贵手

再说一个大家非常熟悉的应用：

这张火星表面照片是天问一号高分辨率相机的杰作，而天问一号高分辨率相机就是离轴三反系统，而且也是由长春光机所研制的。

这相机焦距4640mm，全视场角2°×0.7，分辨率很高，成像质量优秀，全系统只有43千克！

在中国之外，老牌的光学强国美国也有很多应用离轴三反系统的例子，比如2000年发射的地球观察1号卫星（Earth Observing-1）

那么问题来了，离轴三反系统有啥好的，为啥很多新型卫星要使用呢？

1、全反射镜系统，无折射，这样就没有色差，别小看了色差，在业余天文里，无色差只是让目标照片没有紫边，而在CSST这种科学目的的望远镜中，没有色差意味着可以观测的频段宽很多。

2、光路折转较多，这样可以有效地缩减全系统体积（参见下图，可以后上面发的哈勃的RC光路对比一下）

3、三反系统的视场比两反要大，这点对于普查相机来说很重要。

4、离轴三反，离轴三反，除了三反还有这个离轴。为啥要离轴呢？原因就是为了完全消除镜子之间遮挡，这点对成像质量的影响也很重要，下面我们详细地说。

望远镜一个极为重要的指标叫做解析力，它是指能够分辨视场角多么小的目标的一个能力。学过物理的人大概率听说过瑞利衍射极限或者瑞利判据，用通俗的语言说就是望远镜的口径有多大，它分辨两个非常近的小点的能力越强。哈勃的口径为2.4米，CSST口径为2米^[1]，这样哈勃的理论角分辨率就要高于CSST，极限情况下，哈勃能分辨的目标，CSST不一定能分辨。但哈勃的RC系统，和无数卡塞格林系统一样，同轴设置的副镜要遮挡掉一部分主镜的面积，这样就造成了有效孔径的下降。

哈勃为了获得良好的杂光抑制效应，在副镜周围设置了一个巨大的光阑（baffle），如上图红框所示。这个光阑占据了主镜30%的直径，我们可以简单地进行一下计算，哈勃的主镜面积为4.52平方米，去除掉遮挡，只剩下4.12平方米，而CSST的主镜无任何遮挡物，等效孔径基本上就是主镜尺寸，即3.14平方米。CSST在主镜口径劣势的情况下做到了包含光学系统和后端模块所有静态误差以及姿态控制、稳像、微振动等动态因素的PSF 80%能量集中度半径REE80这一核心成像质量指标和哈勃相同，均为0.15秒。这就是为什么有宣传说“CSST有哈勃的精度，却同时拥有300倍视场”的原因。不过要理性的指出，这一指标达到哈勃水平并非CSST角分辨率超过哈勃，哈勃的解析力还是更强的。

PS：这张图来源于以下文章，我竭尽全力用通俗化语言来解释概念，不过如果你觉得过于简单的话，那么推荐你看一篇这个文章，解释的非常清楚

但是别忘了，CSST和哈勃干的事情不太一样，它是针对巡天优化的，而哈勃则明显针对单个天体长时间曝光优化的，路线有所不同。能在精度接近哈勃的同时，单位时间内覆盖远高于哈勃的天区面积，这已经是红裤衩的不能再红裤衩了。

至于 @赵泠 说的那个指向精度，哈勃是0.007角秒，我们0.05角秒，哈勃精度确实高，但对于巡天这点曝光时间来说0.05角秒已经低于本镜的衍射极限，足够足够用了，纠结这玩意干啥...... 在某些技术指标上做到极致，然后整体时间、经费大幅超标.......是不是本末倒置？

介绍完了光学系统，还得唠一两句传感器，CSST的传感器阵列硕大无比。光感光原件的尺寸，就达到了半米！总感光面积为234000平方毫米！全画幅相机的尺寸是36X24mm，已经贵的不要不要的了，贵上天的中画幅的相机也不超过50X50mm，CSST好家伙直接半米X半米！跨2个数量级。。。

与之对比，哈勃现在正在用的第三代广域和行星照相机（WFPC3）的CCD感光元件的面积大概是。。

额

这么大。。。

中间红色虚线的框里安装了30块拼接的传感器，其中你看到的GV GU GI为测光部件，传感器上面盖着光栅。其它为成像部件，这些r、g、i、u等等都对应着不同的频段的滤镜。四周黄色的框中是一些光学素质要求不高的辅助传感器。

这样巨大的传感器，辅以较为高效的光学系统，目标其实就很明确了：在望远镜的10年服役周期内，对尽可能广大的天区进行普查式成像，每次曝光150秒，对于一些暗区曝光250秒，获得广大天区从紫外到红外多个波段的信息。这种工作方式和哈勃在天上的绝大部分时间，是有明显差异的。

听说CSST这次用的全是中国科学院上海技术物理研究所研发的国产传感器，看了一下性能数据，确实和国外先进水平是有一定差距的，

这是和大法的IMX455背照式对比一下，人家仅仅零下10度、20度的读出噪音和暗电流都比我们零下85度的表现好。

不过那又怎么样呢？只要能用，只要敢用，国产器件就会越来越好，没人用就永远起不来。没人要求你所有指标都要世界第一，能用一堆不错的东西，通过系统工程组建一个世界一流的最终产品，这才是王道。

事实上，题主的问题问错了，你不应该问和哈勃比有什么优势和劣势，因为哈勃是不同类别的产品，你应该问和美欧同时期的巡天空间望远镜，我们的CSST是什么水平？那我们就来看一看：

真正CSST的counterparts是美国预计2025年以后发射的南希·罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）和欧空局预计于2022年发射的欧几里得太空望远镜（Euclid）

这台以哈勃空间望远镜之母命名的，既詹姆斯·韦伯超级鸽王之后，美国最先进的巡天空间望远镜采用的是同轴三反光学系统，口径大，但和哈勃望远镜一样是有遮挡的

南希·罗曼太空望远镜不但发射日期很可能要比我们的CSST要晚，而且它的视场角度，前面提到的REE80光学质量指标，巡天面积，像素数量，光谱数量等关键指标全部落后于我们的CSST。

但是。。仅仅从光学系统的角度，南希·罗曼还是甩开了CSST，其口径于哈勃相同，采用同轴三反系统，但其焦比可以做到f/7.9，要知道这类复杂光学系统能做到这么快的焦比，还是体现了极为深厚的功力的。同时，南希·罗曼2.4米口径，发射质量却只有区区4吨多，这比我们的15.5吨CSST轻便了不知道多少。所以，南希·罗曼预定发射到地日L2点，它将和人类航天史上最大的鸽王JWST（顺便说一句，JWST是类似于哈勃那样的详查望远镜，也同样采用同轴三反光学系统，配合罗曼可以获得极好的效果）一道，在远离地球大气干扰和红外信号的地方探索我们的宇宙。

你们想想，10年前你敢想象中国拥有一台和哈勃同样级别的空间望远镜嘛？现在这个目标就在眼前，那么未来我们的航天的高度能达到多高呢？看完了我这篇冗长的文章，你是不是多了一些信心或者说是从容呢？

参考

1. ^ 詹虎 载人航天工程巡天空间望远镜大视场多色成像 与无缝光谱巡天