Коллектив ученых из МФТИ разработал компьютерную программу, которая позволяет получать изображения космических объектов на основе данных телескопов с высокой точностью. Для этого им потребовалось решить ряд задач компьютерного моделирования. Работа опубликована в Journal of Physics: Conference Series.
Космический мониторинг представляет собой систематический подход к наблюдению и отслеживанию объектов, находящихся в космосе. Сюда относятся как естественные тела — планеты, звезды, галактики, так и созданные человеком — спутники, ракеты и даже мусор, оставшийся после запуска космических аппаратов.
Космический мониторинг важен в самых разных областях: от астрономии до национальной безопасности. Например, с помощью таких систем учёные могут собирать данные о космосе, исследовать различные явления, предотвращать потенциальные столкновения между объектами и поддерживать безопасность всех космических операций. Количество объектов в космосе постоянно растёт, что делает их отслеживание необходимостью. Важно знать координаты этих объектов, чтобы поддерживать актуальные каталоги и уметь оценивать возможные риски.
В последние годы наблюдение за космосом стало важной задачей, связанной как с исследованием природных явлений, так и с отслеживанием искусственных объектов, таких как спутники и космический мусор. Системы космического мониторинга разрабатываются для точно наблюдения и анализа таких объектов, чтобы упростить их отслеживание и понять, как они движутся в пространстве.
Авторы исследования решили сосредоточиться на процессах формирования изображений на фотодетекторах, исследуя, как именно эта информация может быть собрана в различных условиях наблюдений. Эти процессы включают в себя захват и интерпретацию визуальной информации о небесных телах. Чтобы воспроизвести эти наблюдения и создать изображения, учёные разработали математическую модель, учитывающую характеристики оптических устройств и специфические условия окружающей среды.
Задача генерации изображений разбивается на 4 этапа. На первом этапе необходимо создать входное интенсивное поле, в котором будут представлены все объекты, находящиеся в поле зрения системы наблюдения — это звезды, спутники и космический мусор. Для этого имеется каталог всех объектов, которые будут наблюдаться. К примеру, перед тем как запустить симуляцию, требуется узнать траекторию каждого объекта. Затем на основе заданных математических моделей и баллистических расчетов можно сформировать представление о том, где и когда именно аппараты смогут обнаружить эти объекты.
На втором этапе нужно промоделировать, каким образом излучение преобразуется при прохождении через атмосферу. Волны, проходящие через атмосферу Земли, преломляются, а значит, координаты объектов в изображении также должны быть скорректированы. Это делается с учетом высоты объекта над горизонтом, что позволит учесть, как именно свет изменяется при прохождении сквозь атмосферные слои.
На третьем этапе нужно учесть преобразование излучения при прохождении через оптическую систему, учесть искажения и энергетические потери. На четвертом этапе необходимо рассчитать количество фотонов, которые будут попадать на каждый пиксель матричного детектора. Переведя интенсивность света в количество фотонов, можно оценить, сколько информации смогло бы «захватить» устройство. Это важно для получения финального изображения.
Авторы исследования разработали программу, которая реализует описанные процессы. Результаты работы этой программы позволяют получить изображение космоса при заданных условиях. Например, на одном из изображений видно, как телескоп остается неподвижным относительно Земли, а спутники на геостационарной орбите, соответственно, остаются в тех же положениях на экране. Движущиеся звезды становятся видимыми в виде небольших линий, отражая их траектории на небе.
Рисунок 1. Неподвижный телескоп. Источник: Journal of Physics: Conference Series
На другом изображении показан режим отслеживания определенного космического объекта, который находится в центре кадра, что позволяет увидеть, как телескоп следует за его перемещением.
Рисунок 2. Режим трекинга. Источник: Journal of Physics: Conference Series
Моделирование, предложенное авторами исследования, поможет в оптимизации работы существующих оптико-электронных устройств путем улучшения их размещения и повышения их эффективности. Это имеет значение не только для научных исследований, но также для обеспечения безопасности космических операций и повышения устойчивости к столкновениям.
«Навигация в космосе требует не только точности, но и прогрессивных технологий. Моделирование играет ключевую роль в достижении наших целей. Мы уверены, что наше исследование не только укрепит текущие системы мониторинга, но и заложит основу для новых идей в области оптимизации космических наблюдений», — рассказала Наталья Завьялова, заведующий лабораторией исследования радиолокационных алгоритмов МФТИ.
Работа выполнена коллективом лаборатории моделирования механических систем и процессов МФТИ совместно с кандидатом технических наук, начальником отдела акционерного общества Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения», Юрасовым Василием Степановичем.
