Спосіб спостереження низькоорбітальних супутників землі і опорних зірок

Реферат: Спосіб спостереження низькоорбітальних штучних супутників Землі та опорних зірок включає одержання їх зображень на нерухомому телескопі з використанням цифрової камери та об'єктива з фокусною відстанню, яка забезпечує поле зору 2-4°, при якому під час прольоту супутника через поле зору телескопа роблять серію кадрів з коротким часом експозиції, в якому використовують відеокамеру з ПЗЗ-матрицею з рядковим переносом або КМОП-матрицею, формують усереднений кадр підсумовуванням вихідних кадрів і розподілом на кількість кадрів у серії, формують кадри з вилученою загальною складовою вирахуванням з вихідних кадрів усередненого кадру, зображення кадрів з вилученою загальною складовою зсувають на відстань, яку супутник проходить по матриці за проміжок часу між моментом часу даного кадру і середнім моментом часу всіх кадрів, кадри із зсунутим зображенням підсумовують для одержання зображення супутника з підвищеним в n разів співвідношенням сигнал/шум, зображення вихідних кадрів зсувають на відстань, яку зірки проходять по матриці за проміжок часу між моментом часу даного кадру і середнім моментом часу всіх кадрів, кадри із зсунутим зображенням підсумовують для одержання кадру із зображенням опорних зірок з підвищеним в n разів співвідношенням сигнал/шум. UA 118001 U (12) UA 118001 U UA 118001 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до оптичної та оптико-електронної техніки і може бути використана в спостережній астрономії для одержання зображень низькоорбітальних штучних супутників Землі та опорних зірок. Штучні супутники Землі відіграють значну роль в діяльності людства. Для успішного застосування супутника потрібно знання точних параметрів його орбіти. У навколоземному космічному просторі, крім функціонуючих супутників, знаходиться велика кількість об'єктів космічного сміття: вже не функціонуючі супутники, останні ступені ракет, елементи запуску, фрагменти руйнувань. Для запобігання зіткненням функціонуючих супутників з об'єктами космічного сміття потрібне знання точних параметрів орбіти супутників і об'єктів космічного сміття. Найбільша кількість функціонуючих супутників і космічного сміття знаходиться на низьких навколоземних орбітах (більше 10000 об'єктів) [1]. Для пошуку об'єктів у навколоземному космічному просторі, визначення та уточнення параметрів їх орбіти використовуються різні оптичні та радіолокаційні засоби спостереження. Оптичні засоби спостереження супутників на порядки дешевші, ніж радіолокаційні, однак мають ряд обмежень їх застосування: спостережуваний супутник повинен бути освітлений Сонцем (знаходитись поза тінню Землі); телескоп повинен знаходитися на нічній стороні Землі; над телескопом повинно бути ясне небо. Наведені обмеження особливо критичні для спостереження низькоорбітальних супутників. Тому масові систематичні спостереження низькоорбітальних супутників здійснюється із застосуванням дуже дорогих радіолокаційних засобів [2]. Для подолання обмежень оптичних засобів спостереження потрібна мережа з великої кількості оптичних пунктів спостереження, розподілених по всій Земній кулі. Для одночасного спостереження мережею навіть декількох сотень об'єктів, що становлять інтерес, в одному спостережному пункті повинно знаходитися кілька оптичних телескопів. Застосування простої і дешевої конструкції оптичного телескопа для спостереження низькоорбітальних супутників зробило б створення такої мережі більш доступним. Для визначення точних кутових небесних координат космічних об'єктів оптичним телескопом потрібна одночасна фіксація на кадрі спостережуваного об'єкта та опорних зірок. На першому етапі визначаються координати об'єкта та зірок в системі координат кадру (у пікселях матриці), потім координати об'єкта перераховуються в небесну систему координат, спираючись на відомі з каталогу небесні координати зірок [3]. Ще один спосіб визначення координат космічного об'єкта розкрито в [4]. Підвищення яскравості зображень спостережуваних об'єктів досягається збільшенням часу експозиції. Якщо об'єкт рухається в полі зору телескопа, то за час експозиції його зображення розтягується, і ефективний час експозиції є обернено пропорційним швидкості руху об'єкта в полі зору. Розтягування зображення спостережуваного об'єкта знижує його яскравість, а також знижує точність визначення його координат. Для забезпечення нерухомості спостережуваного об'єкта в полі зору телескопа застосовується механічне супроводження. Один із способів підвищення ймовірності реєстрації малоконтрастних точкових об'єктів розкрито в [5]. Складність спостереження низькоорбітальних супутників полягає в їхній високій видимій кутовій швидкості в середньому (0,1-1,0 /с). При спостереженні на нерухомому телескопі ефективний час експозиції супутника не перевищує 0,1 с Механічне супроводження супутника дозволяє збільшити час експозиції до декількох секунд, однак для рівномірного переміщення телескопа на такій швидкості потрібне дороге монтування. На одержуваному в такий спосіб кадрі зображення супутника буде невидовженим, в той час як зображення зірок будуть надмірно видовжені, що дуже ускладнює визначення їх координат. Розповсюдженим є спосіб спостереження низькоорбітальних штучних супутників Землі та опорних зірок шляхом одержання їх зображень на нерухомому телескопі з використанням цифрової камери та об'єктива з фокусною відстанню, що забезпечує поле зору 2-4, при якому під час прольоту супутника через поле зору телескопа встановлюють максимальний час експозиції кадрів обернено пропорційним швидкості супутника в полі зору і роблять серію кадрів. Як цифрову камеру в цьому способі використовують камери з повнокадровою ПЗЗматрицею (full-frame CCD камери) [6]. Застосування цього типу камер обумовлено тим, що вони мають найбільшу чутливість, а також широко застосовуються для спостережень астероїдів і високоорбітальних супутників. Недоліки способу із застосуванням камер з повнокадровими ПЗЗ-матрицями для спостереження низькоорбітальних супутників: використовувана експозиція приблизно на 2-3 порядки менше тієї, з якою звичайно використовуються ці камери в астрономії; 1 UA 118001 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 час читання кадру як мінімум у 10 разів більше часу експозиції - понад 90 % часу прольоту супутника через поле зору телескопа йде не на експозицію, а на читання кадрів; негативний ефект від використання механічного затвора (або від не використання механічного затвора). Альтернативою камерам з повнокадровими ПЗЗ-матрицями, вільною від наведених недоліків, є відеокамери з ПЗЗ-матрицею з рядковим переносом ("interline-transfer" CCD матрицею) або КМОП-матрицею (CMOS-матрицею). Такі камери в середньому значно дешевші, а також менші та легші. Відеокамери завдяки своїй швидкості застосовуються для спостережень швидкоплинних явищ (наприклад, метеорів), а завдяки невеликим розмірам і доступній ціні широко поширені в аматорській астрономії. Для завдання спостереження низькоорбітальних супутників єдиним недоліком відеокамер, який перекриває всі їх переваги, є їх значно менша чутливість у порівнянні з камерами з повнокадровими ПЗЗ-матрицями. При використанні відеокамер звичайним способом підвищення яскравості слабких астрономічних об'єктів є додавання декількох десятків/сотень кадрів (stack). Додавання кадрів зменшує рівень випадкової складової шуму в n разів. При роботі відеокамери в режимі максимальної чутливості рівень випадкової складової шуму дуже високий, тому додавання кадрів значно підвищує контрастність об'єктів (відношення сигнал/шум). Цей спосіб широко застосовується в аматорській астрономії для збільшення ефективної експозиції, для цих цілей існує вільно поширюване програмне забезпечення [7]. При спостереженні астероїдів, що мають істотну швидкість відносно зірок (у період зближення з Землею) часто використовується спосіб додавання кадрів з попереднім зсувом у напрямку руху спостережуваного об'єкта (track and stack, synthetic tracking, digital tracking) [8]. Для більш ефективного детектування астероїда з вихідних кадрів віднімається усереднений кадр зоряного фону [9], що видаляє зображення зірок. Спосіб спостереження з додаванням кадрів з попереднім зсувом у напрямку руху спостережуваного об'єкта можна застосовувати при спостереженні супутників на нерухомому телескопі з використанням відеокамер. Додаткове віднімання з вихідних кадрів кадру усередненого без зсуву частково пригнічує зображення зірок, а також практично повністю прибирає постійну складову шуму, внесену нерівномірністю матриці. Схематична ілюстрація способу додавання кадрів з попереднім зсувом у напрямку руху спостережуваного об'єкта наведена на Фіг. 1, де: а) одиничний кадр; б) результат додавання кадрів без зсуву; в) результат додавання кадрів з попереднім зсувом. За отриманим таким способом кадром із супутником неможливо визначити координати зірок, які необхідні для точного визначення координат супутника в системі зоряного каталогу. Для одержання кадру із зірками використовується той самий спосіб додавання кадрів, але з іншою швидкістю попереднього зсуву. В основу Корисної моделі поставлена задача розробити спосіб спостереження низькоорбітальних штучних супутників Землі масою від 100 кг та опорних зірок, який забезпечить одержання їх зображень з підвищеним співвідношенням сигнал/шум при використанні найпростіших відеокамер з аналоговим сигналом і фотографічних об'єктивів. В способі спостереження низькоорбітальних штучних супутників Землі та опорних зірок включає одержання їх зображень на нерухомому телескопі з використанням цифрової камери та об'єктива з фокусною відстанню, що забезпечує поле зору 2-4°, при якому під час прольоту супутника через поле зору телескопа робиться серія кадрів з коротким часом експозиції, в якому відповідно корисної моделі: використовують відеокамеру з ПЗЗ-матрицею з рядковим переносом або КМОП-матрицею, формують усереднений кадр підсумовуванням вихідних кадрів і розподілом на кількість кадрів, у серії, формують кадри з вилученою загальною складовою вирахуванням з вихідних кадрів усередненого кадру, зображення кадрів з вилученою загальною складовою зсувають на відстань, яку супутник проходить по матриці за проміжок часу між моментом часу даного кадру та середнім моментом часу всіх кадрів, кадри з зсунутим зображенням підсумовують для одержання зображення супутника, зображення вихідних кадрів зсувають на відстань, яку зірки проходять по матриці за проміжок часу між моментом часу даного кадру та середнім моментом часу всіх кадрів, кадри із зсунутим зображенням підсумовують для одержання кадру із зображенням опорних зірок. 2 UA 118001 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб здійснювався в НДІ "Миколаївська астрономічна обсерваторія" на автоматизованому телескопі, оснащеному фотографічним об'єктивом "Таир 11А" з фокусною відстанню 135 мм і діаметром 48,2 мм (світлосила f/2,8) і аналоговою відеокамерою "WAT-902H". Телескоп знаходився близько до центру міста. Апаратура, що використовувалася, не є найоптимальнішою для здійснення описуваного способу. Для досягнення максимальної ефективності здійснення описуваного способу слід використовувати світлосильний об'єктив (f/1,4), цифрову відеокамеру з охолодженням, а також розташовувати телескоп на спостережній станції далеко від межі міста. Апаратура, що використовувалася, і місце розташування телескопа дозволили заявленим способом упевнено проводити спостереження низькоорбітальних супутників Землі масою від 100 кг. Величиною, що визначає ймовірність детектування об'єкта на кадрі і точність визначення його координат, є співвідношення сигнал/шум. При нормальному розподілі шуму додавання n кадрів збільшує співвідношення сигнал/шум в n разів. Приклади зображення супутника (фрагмент кадру) представлені на Фіг. 2: а) одиничний кадр, б) додавання 100 кадрів. Інтенсивності пікселів рядка зображення, що проходить через центр супутника, представлені на Фіг. 3: а) одиничний кадр а) додавання 100 кадрів. На одиничному кадрі максимальна інтенсивність об'єкта (сигнал) становить 1538, стандартне відхилення (шум) становить 282,2, співвідношення сигнал/шум становить 5,45. При додаванні 100 кадрів максимальна інтенсивність об'єкта (сигнал) становить 1829, стандартне відхилення (шум) становить 33,7, співвідношення сигнал/шум становить 54,27. При додаванні 100 кадрів підвищення співвідношення сигнал/шум становить 9,95, що дуже близько до теоретичної величини n. Точність визначення кутових небесних координат супутника залежить від кількості та співвідношення сигнал/шум зображень опорних зірок. Для збільшення кількості зображень зірок, які детектовано на кадрі, і їх співвідношення сигнал/шум застосовувався спосіб додавання кадрів з попереднім зсувом у напрямку руху зірок. Приклад зображень опорних зірок на одному кадрі наведено на Фіг. 4. Приклад зображень опорних зірок після додавання 470 кадрів наведено на Фіг. 5. Оцінка якості опорної системи зірок проведена по 650 кадрах. Середня кількість зірок на кадрі склала 90. Результати проілюстровані на Фіг. 6: а) залежність відносної кількості зірок від зоряної величини, б) залежність середньоквадратичного відхилення положення зірок від зоряної величини. Оцінка величини випадкової помилки визначення кутових небесних координат супутника проведена по 30000 положеннях. Результати проілюстровані на Фіг. 7: а) залежність відносної кількості спостережень від зоряної величини, б) залежність випадкової помилки від зоряної величини. Джерела інформації: 1. NASA Orbital Debris. Quarterly News. Volume 16, Issue 1, January 2012. [Електронний документ] Режим доступу до документа: http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv16і1.pdf. 2. Space Surveillance Sensors: The FPS-85 Radar (April 12, 2012) [Електронний ресурс]. Режим доступу до документа: http://mostlymissiledcfense.com/2012/04/12/the-fps-85-radar-april-122012/. 3. Guide to Minor Body Astrometry (Minor Planet Center) [Електронний ресурс]. - Режим доступу до сторінки: http://www.minorplanetcenter.net/iau/info/Astrometry.html 4. Патент RU 2 319 172, МПК G01S 13/66, G01S 17/66, G05D 3/12, опубл. 27.01.2014. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА. 5. Патент RU 2 574 522, МПК G06T 7/60, H04N 5/30. опубл. 10.02.2016. СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ МАЛОКОНТРАСТНЫХ ТОЧЕЧНЫХ ОБЪЕКТОВ. 6. О применении широкопольных линзовых объективов для задач ККП [Електронний ресурс]. - Режим доступу до документа: http://lfvn.astronomer.ru/report/0000016/р000016.htm 7. Registax Free image processing software [Електронний ресурс]. Режим доступу до сторінки: http://www.astronomie.be/registax/. 8. Finding Very Small Near-Earth Asteroids using Synthetic Tracking [Електронний ресурс]. Режим доступу до документа: https://arxiv.org/pdf/1309.3248.pdf 9. The Detection of Faint Asteroids by the Shifting and Stacking of Difference Image [Електронний ресурс]. Режим доступу до документа: https://ir.canterburv.ac.nz/bitstream/handle/10092/1081S/Edward Ashton_MSc.pdf 3 UA 118001 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Спосіб спостереження низькоорбітальних штучних супутників Землі та опорних зірок, що включає одержання їх зображень на нерухомому телескопі з використанням цифрової камери та об'єктива з фокусною відстанню, яка забезпечує поле зору 2-4°, при якому під час прольоту супутника через поле зору телескопа роблять серію кадрів з коротким часом експозиції, який відрізняється тим, що: використовують відеокамеру з ПЗЗ-матрицею з рядковим переносом або КМОП-матрицею, формують усереднений кадр підсумовуванням вихідних кадрів і розподілом на кількість кадрів у серії, формують кадри з вилученою загальною складовою вирахуванням з вихідних кадрів усередненого кадру, зображення кадрів з вилученою загальною складовою зсувають на відстань, яку супутник проходить по матриці за проміжок часу між моментом часу даного кадру і середнім моментом часу всіх кадрів, кадри із зсунутим зображенням підсумовують для одержання зображення супутника з підвищеним в n разів співвідношенням сигнал/шум, зображення вихідних кадрів зсувають на відстань, яку зірки проходять по матриці за проміжок часу між моментом часу даного кадру і середнім моментом часу всіх кадрів, кадри із зсунутим зображенням підсумовують для одержання кадру із зображенням опорних зірок з підвищеним в n разів співвідношенням сигнал/шум. 4 UA 118001 U 5 UA 118001 U 6 UA 118001 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7