Наблюдение за Землей из космоса дает возможность решить огромное количество важнейших прикладных и научных задач. Вести такое наблюдение позволяет аппаратура дистанционного зондирования Земли, установленная на специальных спутниках. Для разработки таких приборов в МФТИ в 2015 году была создана лаборатория космической оптико-электронной аппаратуры «ЭЛФОКС».
Один из первых проектов лаборатории— многоканальный гиперспектральный комплекс, предназначенный для съемки наземных объектов в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. В проекте наряду с МФТИ участвует давний партнер института — АО «НПО «Лептон», возглавляемое выпускником Физтеха Олегом Казанцевым. За короткое время учёным удалось пройти путь от эскизного проектирования до комплексных испытаний на макете МКС, которые запланированы на ближайшее лето. По словам заведующего лабораторией Сергея Шибанова, при таком темпе ведения работ есть все основания надеяться, что уже в декабре 2021 года первый для МКС отечественный гиперспектрометр займет место на 9-ом иллюминаторе российского сегмента станции. МФТИ получил возможность использовать МКС в качестве лаборатории для отработки новых решений для аппаратуры дистанционного зондирования Земли в реальных условиях эксплуатации.
Коллектив, принимающий участие в разработке
Больше спектров
Цифровые камеры или камеры наших смартфонов фотографируют в трех цветах — красном, зеленом и синем. Именно такой состав цветов соответствует человеческому восприятию. Если сравнить фотоинформацию с книгой, то получится буклет из трех страниц. Однако бабочкам, чьи глаза содержат пять видов светочувствительных клеток, вряд ли понравится качество такого изображения.
Чем больше составляющих используется при разложении спектра, тем больше информации можно извлечь из получаемых изображений. При гиперспектральной съемке излучение регистрируется в большом числе узких спектральных зон (каналов) — не только в видимой области, но и в инфракрасном диапазоне. Мы получаем уже не буклет, а книгу объемом с «Войну и мир», где каждая длина волны представлена страницей. Объединяя различные страницы, можно на новом уровне решать задачи классификации и определения свойств исследуемых объектов.
Аппаратурный модуль компании «Лептон»
«Гиперспектральную информацию можно условно сравнить с электронным микроскопом, позволяющим проникнуть в тонкую структуру объекта. Например, если с помощью классической видовой информации можно в идеале получить изображение листа дерева, то с помощью гиперспектрометра можно понять тип и структуру этого листа, степень его поражения», — рассказывает Сергей Шибанов.
Благодаря своим характеристикам и возможностям гиперспектрометр может не просто показать границы лесных массивов, а сообщить информацию о составе пород деревьев в лесу. Однако, большое количество спектральных каналов приводит к увеличению объема получаемой информации и ее избыточности. Последняя возникает из-за малого различия между данными соседних каналов, поэтому необходимо в рамках каждой тематической задачи выделять каналы, данные с которых несут наиболее важную информацию и подлежат последующей обработке.
Сергей Негодяев, директор Физтех-школы аэрокосмических технологий МФТИ:
Для получения информации о Земле можно чёрно-белые фотографии с орбиты делать, а можно цветные или еще гораздо более детальные в смысле цветовых оттенков. Такая аппаратура называется гиперспектральной. Информативность фотографий поверхности планеты многократно повышается и позволяет делать более детальные предсказания для рационального природопользования. Где сухостой? Где можно ожидать пожара? Каков прогноз урожайности (а этот прогноз надо учитывать в международной торговле сельхозпродукции)? Космическая информатика — огромная область человеческой деятельности: рынки услуг с данными дистанционного зондирования Земли развиваются во всем мире сейчас очень интенсивно и в нашей стране мы должны быть готовы к конкуренции с другими космическими державами. И для этого нам нужны приборы, основанные на самых современных технологиях оптико-электронного наблюдения Земли из космоса.
Иллюминаторный кронштейн
Установка на МКС
Гиперспектрометр состоит из трех основных частей: производящего съемку аппаратурный модуля, кронштейн для крепления на иллюминатор МКС и программного обеспечения для управления научной аппаратурой. Последние два элемента были разработаны в МФТИ, а аппаратурный модуль — в компании «Лептон».
Для спутников дистанционного зондирования в основном выбираются солнечно-синхронные орбиты, на которых угол освещения земной поверхности приблизительно одинаков на всех проходах спутника. Орбита МКС не обладает такими свойствами, поэтому на ней возрастает ожидаемое время сбора информации —так называемый показатель оперативности. Этот показатель — важная характеристика систем дистанционного зондирования. Он дает представление о вероятности выполнения задачи за определенное время и, соответственно, о целесообразности ее включения в полетное задание. Для повышения оперативности в будущем ученые предлагают такие решения как использование космических аппаратов на солнечно-синхронных орбитах, так и увеличение космической группировки спутников с гиперспектральной аппаратурой.
Сергей Шибанов, заведующий лабораторией «ЭЛФОКС»:
Мы устанавливаем наш прибор на МКС не потому, что она хороша как носитель. Напротив, ее расположение неоптимально для решения задач дистанционного зондирования. Но зато мы можем испытать в реальных условиях — «на орбите», заложенные в конструкцию гиперспектрометра оригинальные технические и технологические решения. В дальнейшем их можно будет применить при создании орбитальной группировки автоматических космических аппаратов, оснащенных такого рода оборудованием. Это позволит существенно расширить круг решаемых с помощью наших приборов задач в интересах как российских, так и зарубежных заказчиков.
