Привести в порядок… Вселенную: в ЛЭТИ предложили обнаруживать космический мусор с помощью мультиспектральной системы видеомониторинга

Привести в порядок… Вселенную: в ЛЭТИ предложили обнаруживать космический мусор с помощью мультиспектральной системы видеомониторинга

Мультиспектральная система сможет обнаружить и классифицировать космические объекты естественного и искусственного происхождения и оценить их потенциальную угрозу для космического аппарата.

31.07.2020 47

«Встал поутру, умылся, привел себя в порядок – и сразу же приведи в порядок свою планету», – такое твердое правило было у Маленького Принца в сказке Антуана де Сент-Экзюпери. Ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ» озабочены идеей очистить от мусора не только нашу планету, но и космическое пространство.

Тысячи частиц спутников и ступеней ракет сегодня находятся на околоземной орбите. Все они несут в себе огромную опасность. Космический мусор может содержать на борту ядерные или токсичные материалы, что представляет угрозу для людей в виде неконтролируемого схода таких объектов с орбиты, их неполного сгорания при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадения обломков на населенные пункты, транспортные коммуникации, промышленные объекты. Двигаясь с большой скоростью, такие искусственные объекты могут столкнуться с действующими пилотируемыми космическими аппаратами, что приведет к их последующей разгерметизации и гибели астронавтов.

Решить проблему контроля движения искусственных объектов на околоземной орбите, безопасности людей и техники при работе в открытом космосе призван проект ученых Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». В основе разработки лежит мультиспектральная система для видеомониторинга. Ее главное предназначение – обнаружение и классификация объектов естественного и искусственного происхождения на фоне космического пространства. О том, как использовать мультиспектральную телевизионную систему для оценки спектральных параметров точечных объектов, ученые рассказали на конференции молодых ученых в области электротехники и электроники ElConRus 2020 IEEE.

Над научным проектом работают аспиранты и студенты старших курсов кафедры телевидения и видеотехники (ТВ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Научный руководитель – кандидат технических наук, заместитель заведующего кафедрой по научной работе Павел Сергеевич Баранов.

Сегодня существует несколько способов обнаружения космического мусора, рассказывают разработчики. В большинстве случаев используются наземные станции видеомониторинга, работающие как в радио-, так и в оптическом диапазоне длин волн. Но каждый из таких методов имеет свои недостатки. Например, для радиотелескопов характерны большое энергопотребление и способность обнаруживать лишь объекты размером более 10 см, которые приобретают фатальный характер при попадании в космический аппарат. Наземные оптические телескопы способны обнаруживать космический мусор только в ночное время суток при хорошей погоде.

«Основными проблемами при решении задачи различения объектов искусственного и естественного происхождения являются низкая яркость, большая скорость движения – до несколько км/с и то, что форма оптического сигнала неотличима от сигнала звезд. Эти проблемы становятся особенно критичными в ситуации, когда угловые размеры объекта становятся меньше углового размера пиксела фотоприемника, что характерно для удаленной звезды или малогабаритного космического мусора».

Заместитель заведующего кафедрой ТВ по научной работе Павел Сергеевич Баранов

Для решения вышеперечисленных проблем ученые ЛЭТИ предлагают устанавливать на вновь выводимые космические аппараты мультиспектральную систему для видеомониторинга. Это дает возможность проводить видеомониторинг непрерывно, при этом относительная скорость наблюдаемых объектов значительно ниже по сравнению с наземными наблюдениями, а использование нескольких спектральных диапазонов позволяет разделить космические объекты на два класса – естественные и искусственные.

 

Решать задачу классификации космических объектов ученые предлагают по их спектральным характеристикам.

Все космические аппараты в целях корректной работы в условиях солнечной радиации покрываются электровакуумной изоляцией. Как показали недавние эксперименты по оценке коэффициентов отражения различных покрытий, проведенные в АО «НИИ телевидения», материалы значительно отличаются друг от друга. Кроме того, имеется существенное различие между спектральными отражениями покрытий и спектрами звезд различного класса. На базе этой информации становится возможным классифицировать регистрируемые точечные объекты телевизионной системой.

«Подавляющее большинство космических объектов являются звездами. Все они, в определенной степени, подчиняются закону абсолютного черного тела. Это один из главных признаков, по которому, построив результирующую n-мерную диаграмму показателей цвета всех полученных в кадре объектов, имеется возможность «отсечь» большую часть звезд. Однако наши недавние исследования показали, что этого недостаточно, чтобы явно классифицировать точечные объекты. Наиболее вероятно, что потребуются дополнительные признаки, по которым мы сможем «отсекать» оставшиеся объекты естественного происхождения. Таковыми могут являться траекторные характеристики, показатели блеска, поляризации. На данный момент мы движемся в этом направлении».

Заместитель заведующего кафедрой ТВ по научной работе Павел Сергеевич Баранов

После классификации каждой точки в очищенном от артефактов мультиспектральном кадре имеется возможность дальнейшего сопровождения космического объекта, его анализ и оценка потенциальной угрозы для космического аппарата. При этом система должна не только передавать собранную информацию на Землю, но часть ее обрабатывать на борту.

При построении новых перспективных телевизионных систем важным определяющим фактором являются параметры фотоприемников. По словам ученых, современное состояние электронной компонентной базы позволяет разрабатывать малогабаритные мультиспектральные системы компьютерного зрения высокого разрешения, которые устанавливаются на беспилотные летательные аппараты. Массогабаритные параметры в несколько раз меньше по отношению к телевизионным системам, которые на данный момент активно применяются в задачах бортовой астронавигации, при сопоставимом разрешении и чувствительности в монохромном канале.

Суперсовременная многокамерная мультиспектральная система поможет решить  задачу селекции и классификации точечных объектов естественного и искусственного происхождения, а также дальнейшего сопровождения космического объекта, анализа его траекторных параметров и оценки потенциальной угрозы для космического аппарата. Решение данной проблемы может найти применение как для задач астроориентации и видеомониторинга, так и для обеспечения безопасности космических аппаратов. 

Научное направление, связанное с разработкой мультиспектральных телевизионных систем, на кафедре телевидения и видеотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» активно развивается уже более десяти лет. Здесь уже успешно реализованы проекты по разработке мультиспектрального медицинского комплекса для диагностики онкологических заболеваний, а также гиперспектрального комплекса для анализа местности в интересах сельского хозяйства.

Научный проект молодых ученых логично вписывается в национальный проект «Наука» и соответствует приоритету научно-технологического развития «переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта».