Австралийские гиперспектральные аппараты на орбите

Гиперспектральная визуализация обладает способностью различать мельчайшие несоответствия в цвете различных типов горных пород, результатом чего становятся более подробные геологические знания. Гиперспектр позволяет лучше прогнозировать местоположение экономически интересных месторождений руды. Кроме этого изображения находят применение в управлении земельными ресурсами и сельском хозяйстве, где способность точно различать почвенный покров является критически важной информацией для фермеров и других землепользователей.

Интерес к космическим технологиям в Австралии появился в 1990-х годах, поскольку стало возможным создавать датчики с достаточно высоким спектральным разрешением. Спектральные датчики применялись на самолетах таких фирм, как Hyvista Corporation, клиентами которых являются крупные горнодобывающие компании. Но поместить этот датчик на спутнике долго не удавалось. Слишком рискованно, слишком дорого для частного предприятия и, безусловно, слишком неопределенно для правительства.

Гиперспектральная технология действительно была слишком рискованной и дорогой. Самый старый австралийский космический гиперспектральный проект - Австралийский информационный и экологический спутник исследования ресурсов (ARIES) - был спроектирован в конце 1990-х годов. Это вызвало значительный интерес, однако производство и запуск 480-килограммового космического аппарата требовало многомиллионного бюджета. Команда так и не смогла найти технико-экономические обоснования для проекта.

Маленькая революция

В последнее время отношение австралийцев к космосу изменилось. Новое Австралийское космическое агентство и лучшее понимание жизнеспособности космической отрасли позволили высвободить государственные средства для развития.

Соотношение цены и производительности космических аппаратов позитивно влияет на развитие отрасли. Теперь можно делать больше спутников с меньшими затратами. Краеугольным камнем новой технологии является CubeSat – спутник, состоящий из модулей, каждый из которых представляет собой куб со стороной 100 мм. Одной из характеристик спутников CubeSat является количество используемых кубов, например, спутник 3U состоит из трех кубов.

Как правило, выведенные из эксплуатации спутники CubeSat сводят с орбиты после нескольких лет эксплуатации, после чего они сгорают в атмосфере Земли. Это минимизирует проблему с космическим мусором.

Многие из основных составных частей спутников, таких как двигатели, источники питания, контроллеры ориентации и системы связи, можно легко приобрести в готовом виде и подготовить космическую платформу. В космическую платформу входят все служебные системы спутника кроме модуля полезной нагрузки. Таким образом разработчики могут сосредоточить свой бюджет на исследованиях и разработке самой полезной нагрузки.

Преимущества не заканчиваются на экономической составляющей. Используя стандартные компоненты космической платформы, инженеры могут совершенствовать свои конструкции, тем самым производя более надежные спутники.

В настоящее время по всему миру объявлено о 3200 проектах CubeSats, но не все спутники выходят на орбиту. Кристофер Капон, исполнительный директор Space Services Australia, отметил, что 10% «карманных» спутников выходят из строя до того, как достигнут орбиты. Еще в 40% спутников замечена частичная неисправность на орбите. Капон утверждает, что если оставить развитие космической отрасли миссиям, проводимым университетами и новыми участниками рынка, то только 16% миссий будут полностью успешными. Это неудивительно — космос сложен; опыт имеет значение.

Добавление гиперспектра

Именно понимание важности опыта послужило толчком к созданию учебного центра ARC для CubeSats, беспилотных летательных аппаратов и их применений. Одной из основных задач миссии CUAVA является подготовка кадров инженеров, обладающих реальным практическим опытом в создании спутников. С этой целью Центр начал производство трех спутников и планирует их запустить до конца 2022 года. Миссия включает в себя разработку революционного гиперспектрального тепловизора, который до конца десятилетия можно будет производить в больших количествах и массово запускать в космос.

Директором Центра стал Айвер Кэрнс из Сиднейского университета. Он является главным исследователем миссий вместе с Эндрю Демпстером из Университета Нового Южного Уэльса.

Первый из серии спутников, CUAVA-1, был запущен в октябре с Международной космической станции. Это 3U CubeSat с кубами, уложенными один на другой, с четырьмя штыревыми антеннами у основания. Стороны спутника покрыты девятью солнечными панелями. С одной стороны выступает малоразмерный телескоп.

Большинство систем управления для спутника были приобретены в готовом виде. Он оснащен системой электроснабжения от GomSpace, системой управления и обработки данных и системой связи от Innovative Solutions in Space, а также системой управления ориентацией на основе гироскопа от CubeSpace. Эти системы также будут использоваться для CUAVA-2. Однако CUAVA -3, скорее всего, будет оснащен новой космической платформой и, возможно, плазменным двигателем.

CUAVA-1 имеет полезную нагрузку из четырех приборов, из которых тепловизор, спектрограф и прибор TinyTol (ISTI) представляют наибольший интерес. ISTI состоит из новой RGB-камеры и встроенного спектрометра. Это еще один шаг к гиперспектральному тепловизору, который достаточно мал, чтобы поместиться в CubeSat.

Программное обеспечение ISTI работает на одноплатном компьютере Raspberry Pi. Pi встроен в плату контроллера ISTI, которая обеспечивает питание, отладку и коммуникационные услуги. В стандартной комплектации у Pi два интерфейса камеры: один предназначен для гиперспектрального прибора, другой - для телескопа Tinytol.

Текущая концепция прибора заключается в использовании CCD-матрицы и оптоволоконного пучка для одновременного получения RGB и гиперспектрального изображений.

ISTI-2, который будет запущен в 2022 году, будет обеспечивать пространственное разрешение 20 метров и спектральное разрешение от 1 нм до 20 нм.

Заглядывая в будущее

Выпускники проекта ISTI помимо работы в самом ISTI могут участвовать в интересных совместных проектах. Например, SmartSatCRC совместно с CSIRO и Университетом Канберры разрабатывает спутник дистанционного зондирования под названием Aquawatch с целью мониторинга качества воды во внутренних и прибрежных водоемах.

В Квинсленде компания Fireball International планирует запустить группировку из 24 спутников, оснащенных инфракрасными датчиками. Fireball предлагает использовать данные со спутников в сочетании с наземной инфраструктурой для обеспечения пожарных почти мгновенным предупреждением о лесных пожарах.

Еще один проект по наблюдению Земли будет финансироваться в рамках программы космического моста между Великобританией и Австралией. Финансирование составит 500 000 долларов США. IceCube будет выполнять мониторинг морского льда Антарктики с помощью небольшого спутника. Проект представляет собой сотрудничество между университетами Нового Южного Уэльса, Сиднея и Тасмании, а также Spire Global и Британской антарктической службой.

Ранние австралийские инновации

Нынешнее поколение космических аппаратов дистанционного зондирования земли ни в коем случае не является первым, вышедшим на орбиту. На самом деле австралийские исследователи сыграли важную роль в ряде миссий, проводимых другими странами, в частности Великобританией.

Наиболее значительным из них был сканирующий радиометр (ATSR - Along Track Scanning Radiometer), который стал частью европейского спутника ERS-1, запущенного в 1991 году. Программа продолжалась до 2011 года, недееспособный аппарат ERS-2 был оставлен на орбите, радиометр ATSR-2 был отключен в 2008 году из-за механических проблем со сканирующим зеркалом.

Разработка ATSR принадлежала Яну Бартону, работавшему в то время в Отделе атмосферных исследований CSIRO. В 1982 году Бартон предположил, что инфракрасное измерение поверхности земли можно улучшить, дважды измерив излучение в точке на поверхности — один раз в прямом направлении (вдоль трассы) под углом 47 градусов, а затем, две минуты спустя, непосредственно над той же точкой. Таким образом, удалось устранить атмосферные искажения, которые создавали шум более ранним инфракрасным измерениям из космоса.

Это привело к значительному улучшению показаний температуры поверхности моря и, следовательно, к расчетам скорости теплопередачи между океаном и атмосферой. Это, в свою очередь, привело к более глубокому пониманию климатических изменений, таких как цикл Эль-Ниньо /Ла-Нинья, которые имеют глубокие последствия для сельского хозяйства Австралии.

Строительство STAR было осуществлено в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Великобритании. Кен Маккракен, впоследствии возглавивший фонд Управления космической науки и применений CSIRO, и Стэн Шетцель, в то время технический директор Hawker de Havilland в Сиднее, получили финансирование от федерального правительства для строительства блока цифровой электроники ATSR и наземной станции для приема данных со спутника.