Аспирантке факультета радиофизики и компьютерных технологий БГУ
Василине Барановой присуждена стипендия Президента за разработку
мобильного аппаратно-программного комплекса наблюдения за космическими
объектами оптического диапазона, который позволяет обнаруживать
действующие спутники и космический мусор, определять их орбитальные
параметры и идентифицировать независимо от международных баз данных и
систем контроля космического пространства. Проект может применяться в
аэрокосмической отрасли Беларуси. Молодой ученый рассказала
корреспонденту БЕЛТА о своем пути в большую науку, "неземной" профессии и
проблеме космического мусора.
- Василина, расскажите о своем проекте, что он собой представляет и какие задачи решает?
- Мобильный аппаратно-программный комплекс наблюдения за космическими объектами оптического диапазона мы разрабатывали в рамках другого глобального образовательного проекта от Министерства образования. Если по-простому, это оптическая система наблюдения, причем мобильная. Мобильная - это значит, что я могу перевозить ее в любую точку страны, что иногда необходимо для исследований. Эта оптическая система позволяет обнаруживать как активные спутники, так и объекты космического мусора, что также для нас немаловажно.
Мы начинали с проблемы космического мусора, его мониторинга, предсказания распространения и увеличения количества осколков на орбите. Ну и, конечно, были интересны предсказания о столкновении действующих объектов с космическим мусором, так как БГУ уже запустил второй спутник, в планах еще запуск. Поэтому предупреждения столкновений нам тоже были очень важны. Когда мы начинали заниматься проблемой космического мусора, встал вопрос о получении реальных данных. Его наблюдают либо радиолокационными системами - радарами, либо оптическими. Для исследования нам были нужны реальные данные, моделировать неинтересно. И мы решили пойти более сложным путем: сначала построить у себя систему, которая была бы способна решать задачу обнаружения и исследования движения космических объектов. Мы начали с небольшой, мобильной системы для получения данных, сейчас уже есть наработки более крупномасштабной системы - стационарной обсерватории, в которой будут использованы все отработанные на мобильной версии технологии.
С помощью нашего комплекса мы, не зная ничего о космическом объекте, который движется в поле зрения камеры, можем узнать, что это за объект, присутствует ли он в общеизвестных каталогах или нет, мы можем исследовать его орбитальные параметры, разобраться в характеристиках его движения. Здесь решается достаточно много научных задач в области орбитальной баллистики, т.е. в области исследования орбитального движения космических объектов. Сейчас запускается очень много космических объектов, базы не успевают обновляться. И многим интересно, какая обстановка по части космических аппаратов имеется над их страной, какие спутники там висят, сколько их пролетает за сутки, какие именно, они известны или нет. По опыту могу сказать (я третий год этим занимаюсь), что очень много космических объектов отсутствуют в каталоге, и они не всегда являются объектами космического мусора. Это те спутники, которые просто не занесены никуда. И вот тут мы поднимаем еще одну проблему - проблему несанкционированных запусков, когда на ракетоносителе запускается много незарегистрированных спутников. Это неизвестные спутники, которые могут заниматься абсолютно разными задачами.
- Как выглядит ваш комплекс и из чего состоит?
- Знаете, как выглядит телескоп? Представьте себе этот телескоп, стоящий на более мощной треноге, которой мы можем управлять. Управление необходимо для того, чтобы наблюдать за нашими объектами, держать их в поле зрения камеры. Для работы мы используем разного рода объективы, у нас система по аппаратной части меняется. Если нам нужно снимать более крупные объекты, мы используем один вид объективов, если нам нужно снимать более мелкие объекты, нам необходимы длиннофокусные объективы. Все зависит от объекта, который мы ищем.
Сам комплекс небольшой,
так как система изначально задумывалась как мобильная. Его габариты 1,7
м на 0,6 м. Так удобнее его перевозить в легковом автомобиле. Он
состоит из треноги, объектива, камеры. Самое ценное в комплексе - это
компьютер, на котором, собственно, располагается ядро всей обработки,
всего управления этой системой.
Факультет радиофизики находится на окраине города, рядом лес. Недалеко находится Пятигорье, туда я выезжаю со своей аппаратурой. Снимать получается летом после работы, иногда зимой. Ночью не спишь, а потом рано утром на работу, но это интересно и занимательно. Очень много времени уходит на то, чтобы разложить комплекс, а потом его сложить. Где-то полтора часа уходит на одну процедуру.
- Кто в итоге занимается анализом полученных данных - машина или все-таки человек?
- В рамках своей диссертационной работы я как-раз и занимаюсь автоматизацией процесса. Система работает в автоматическом режиме, но с выбросами, так сказать, потому что это все-таки прототип. Сейчас я работаю над тем, чтобы независимо от объекта, всяческих шумов, система могла без ложных выбросов детектировать объект в поле зрения и определять его орбитальные параметры. На выходе мы получаем информацию о том, известен объект в общем каталоге или нет. Если неизвестен, то он просто заносится в тот каталог, который мы здесь ведем.
- Что при этом видит человеческий глаз? Или это только работа оптики и компьютера?
- Если космические объекты яркие, то человеческий глаз их видит. Человек может наблюдать объекты с яркостью до шестой звездной величины - это такая относительная единица измерения яркости всех космических объектов. Например, значение яркости Юпитера может быть минус три - это значит, что он очень яркий, а человек может воспринимать яркость объекта до плюс шести. Когда такие объекты движутся в кадре, это заметно. Когда яркость равняется семи, восьми и дальше, то объект уже неразличим для человеческого глаза, и тогда происходит обработка, - это то, чем я занимаюсь. Такая задача называется обнаружением объекта на уровне шума, когда шум превышает сигнал. Для этого существуют разные методы, в них углубляться не буду. Я использую видеопоток, беру тысячу кадров и комбинирую их определенным образом. И вот этим волшебством комбинирования и корреляционным алгоритмом обнаружения построения модели шума можно определить, что объект, который мы глазом не видим, на самом деле двигался в поле зрения камеры, он на самом деле там есть, и у него есть конкретные орбитальные параметры. Это становится возможным после определенной процедуры обработки данных, это не очень просто.
- Какое оборудование и детали вы использовали в своем комплексе? В нем есть что-то белорусское?
- Пока, к сожалению, нет, но это только прототип. Для него мы покупали, на наш взгляд, составляющие с наиболее оптимальным соотношением цена-качество. Это зарекомендовавшие себя тайваньские объективы, китайские камеры, китайское поворотное устройство. Это все популярные производители, астрономы, и астрофотографы-любители обычно используют что-то подобное. Но мы думали о возможности сделать чертеж оптической схемы объектива и заказать у белорусской компании "Пеленг", которая запросто это может сделать, главное - надо продумать, чего мы хотим. Но так как нашей основной задачей была разработка технологии, мы покупали готовые компоненты, которые можно было сложить и отработать эти самые технологии. Сейчас уже, зная, как это все работает, мы действительно подумываем заказать все необходимое у нашего предприятия.
- А существуют ли в мире аналоги вашей системы?
- Аналоги, конечно же, есть. Я упоминала астрофотографов, которые используют подобные системы, но на базе уже реализованных программных обеспечений. Дело в том, что по компонентам наши системы будут одинаковые, но люди в основном используют готовое программное обеспечение - то, что уже разработано. При этом в общей сложности не учитывается очень много моментов по части автономного обнаружения, по части обнаружения неизвестных объектов, определения их орбитальных параметров, ведения каких-то собственных каталогов. Не многие работающие в этой области любители и специалисты ориентируются на спутники. Таких по миру очень мало. Все в основном снимают объекты глубокого космоса, это красиво, интересно. Но все расширяется, появляются сети оптических станций, которые тоже занимаются слежением за спутниками. Я думаю, что в мире подхватывается такая тенденция.
- Какую практическую пользу для государства несет созданный комплекс?
- Беларусь - это космическая держава. И поддерживать развитие сетей наблюдения и мониторинга за космическим пространством в эру, когда запускается много спутников, очень важно. Мы должны владеть независимой информацией о количестве запускаемых спутников, информацией о космическом мусоре. Поэтому важно развивать не только радиометоды, но и оптические методы, которые позволяют видеть как функциональные так и нефункциональные космические объекты. Это развивает тенденцию наблюдения не только за искусственными, но и другими объектами нашей вселенной, например метеорами.
- Как вы вообще пришли в эту сферу деятельности, почему возникла идея заниматься именно космическим мусором?
- Я заканчивала специальность "аэрокосмические, радиоэлектронные и информационные системы и технологии". Мне всегда хотелось решать какие-то сложные задачи. И когда я заканчивала школу, мне показалось, что именно в области космических технологий есть развитие, именно в этой области есть задачи, которые нужно решить, и было интересно работать в этой области. Было актуальным и увлечение звездами, планетами, это ведь все безумно интересно, но у меня скорее были мысли о том, что за технологиями, которые есть в аэрокосмической отрасли, будущее, что разработки, которые есть в этой отрасли, будут двигать прогресс. И я не ошиблась, потому что, когда я поступала, такой популярности по запуску спутников еще не было.
Почему именно космический мусор? Я всегда искала какие-то проблемы, которые кем-то еще не решены. У меня тогда было наивное мнение: вдруг я что-нибудь придумаю такое, что позволило бы решить эту проблему. Действительно, мусора становится с каждым годом все больше и больше, спутников запускается тоже все больше. Мне бы не хотелось, чтобы в один прекрасный момент из-за эффекта каскадного столкновения астрономы перестали видеть, что происходит в нашей вселенной, или люди перестали видеть настоящие звезды, а вместо них - только летающие обломки. В интернете есть визуализация нашей планеты и космического мусора. Там видно, сколько сейчас вокруг нас действующих спутников и мусора, это катастрофически много, увидев, можно испугаться. Создается ощущение, что мы уже находимся под завесой. Отсюда пришла идея создать свою оптическую систему, которая помогла бы нам владеть необходимой информацией о динамике изменения количества действующих спутников, космического мусора и характеристиках его движения.
Немаловажно, что наш комплекс - это один из образовательных проектов. И помимо реализации каких-то своих научных идей, мы закладывали потенциал обучения студентов - тех людей, которым захочется не только послушать сухие лекции, но и погрузится в процесс оптических наблюдений и обработки. В этом случае студент проводит наблюдения, получает свои данные, проводит все этапы обработки и в результате получает информацию о том, что за космический объект он наблюдал. Сложно? Очень сложно, но он это сделает. А этим занимаются очень многие институты и обсерватории. Зная фундаментальные вещи и способы их практического применения, студент будет двигаться дальше, как это произошло со мной.
Наш проект закончен, но мы сделали гораздо больше, чем планировали, потому что увлеклись. Мы уже задумываем более серьезную систему - стационарную. Там будет более серьезная оптика, с помощью которой можно детектировать меньшие объекты. Располагаться она будет где-то за городом, потому что нам мешает засветка. Но экспериментировать мы, вероятно, будем в черте города.
Светлана Пекарь,
БЕЛТА.-0-
- Василина, расскажите о своем проекте, что он собой представляет и какие задачи решает?
- Мобильный аппаратно-программный комплекс наблюдения за космическими объектами оптического диапазона мы разрабатывали в рамках другого глобального образовательного проекта от Министерства образования. Если по-простому, это оптическая система наблюдения, причем мобильная. Мобильная - это значит, что я могу перевозить ее в любую точку страны, что иногда необходимо для исследований. Эта оптическая система позволяет обнаруживать как активные спутники, так и объекты космического мусора, что также для нас немаловажно.
Мы начинали с проблемы космического мусора, его мониторинга, предсказания распространения и увеличения количества осколков на орбите. Ну и, конечно, были интересны предсказания о столкновении действующих объектов с космическим мусором, так как БГУ уже запустил второй спутник, в планах еще запуск. Поэтому предупреждения столкновений нам тоже были очень важны. Когда мы начинали заниматься проблемой космического мусора, встал вопрос о получении реальных данных. Его наблюдают либо радиолокационными системами - радарами, либо оптическими. Для исследования нам были нужны реальные данные, моделировать неинтересно. И мы решили пойти более сложным путем: сначала построить у себя систему, которая была бы способна решать задачу обнаружения и исследования движения космических объектов. Мы начали с небольшой, мобильной системы для получения данных, сейчас уже есть наработки более крупномасштабной системы - стационарной обсерватории, в которой будут использованы все отработанные на мобильной версии технологии.
С помощью нашего комплекса мы, не зная ничего о космическом объекте, который движется в поле зрения камеры, можем узнать, что это за объект, присутствует ли он в общеизвестных каталогах или нет, мы можем исследовать его орбитальные параметры, разобраться в характеристиках его движения. Здесь решается достаточно много научных задач в области орбитальной баллистики, т.е. в области исследования орбитального движения космических объектов. Сейчас запускается очень много космических объектов, базы не успевают обновляться. И многим интересно, какая обстановка по части космических аппаратов имеется над их страной, какие спутники там висят, сколько их пролетает за сутки, какие именно, они известны или нет. По опыту могу сказать (я третий год этим занимаюсь), что очень много космических объектов отсутствуют в каталоге, и они не всегда являются объектами космического мусора. Это те спутники, которые просто не занесены никуда. И вот тут мы поднимаем еще одну проблему - проблему несанкционированных запусков, когда на ракетоносителе запускается много незарегистрированных спутников. Это неизвестные спутники, которые могут заниматься абсолютно разными задачами.
- Как выглядит ваш комплекс и из чего состоит?
- Знаете, как выглядит телескоп? Представьте себе этот телескоп, стоящий на более мощной треноге, которой мы можем управлять. Управление необходимо для того, чтобы наблюдать за нашими объектами, держать их в поле зрения камеры. Для работы мы используем разного рода объективы, у нас система по аппаратной части меняется. Если нам нужно снимать более крупные объекты, мы используем один вид объективов, если нам нужно снимать более мелкие объекты, нам необходимы длиннофокусные объективы. Все зависит от объекта, который мы ищем.
Сам комплекс небольшой,
так как система изначально задумывалась как мобильная. Его габариты 1,7
м на 0,6 м. Так удобнее его перевозить в легковом автомобиле. Он
состоит из треноги, объектива, камеры. Самое ценное в комплексе - это
компьютер, на котором, собственно, располагается ядро всей обработки,
всего управления этой системой. Факультет радиофизики находится на окраине города, рядом лес. Недалеко находится Пятигорье, туда я выезжаю со своей аппаратурой. Снимать получается летом после работы, иногда зимой. Ночью не спишь, а потом рано утром на работу, но это интересно и занимательно. Очень много времени уходит на то, чтобы разложить комплекс, а потом его сложить. Где-то полтора часа уходит на одну процедуру.
- Кто в итоге занимается анализом полученных данных - машина или все-таки человек?
- В рамках своей диссертационной работы я как-раз и занимаюсь автоматизацией процесса. Система работает в автоматическом режиме, но с выбросами, так сказать, потому что это все-таки прототип. Сейчас я работаю над тем, чтобы независимо от объекта, всяческих шумов, система могла без ложных выбросов детектировать объект в поле зрения и определять его орбитальные параметры. На выходе мы получаем информацию о том, известен объект в общем каталоге или нет. Если неизвестен, то он просто заносится в тот каталог, который мы здесь ведем.
- Что при этом видит человеческий глаз? Или это только работа оптики и компьютера?
- Если космические объекты яркие, то человеческий глаз их видит. Человек может наблюдать объекты с яркостью до шестой звездной величины - это такая относительная единица измерения яркости всех космических объектов. Например, значение яркости Юпитера может быть минус три - это значит, что он очень яркий, а человек может воспринимать яркость объекта до плюс шести. Когда такие объекты движутся в кадре, это заметно. Когда яркость равняется семи, восьми и дальше, то объект уже неразличим для человеческого глаза, и тогда происходит обработка, - это то, чем я занимаюсь. Такая задача называется обнаружением объекта на уровне шума, когда шум превышает сигнал. Для этого существуют разные методы, в них углубляться не буду. Я использую видеопоток, беру тысячу кадров и комбинирую их определенным образом. И вот этим волшебством комбинирования и корреляционным алгоритмом обнаружения построения модели шума можно определить, что объект, который мы глазом не видим, на самом деле двигался в поле зрения камеры, он на самом деле там есть, и у него есть конкретные орбитальные параметры. Это становится возможным после определенной процедуры обработки данных, это не очень просто.
- Какое оборудование и детали вы использовали в своем комплексе? В нем есть что-то белорусское?
- Пока, к сожалению, нет, но это только прототип. Для него мы покупали, на наш взгляд, составляющие с наиболее оптимальным соотношением цена-качество. Это зарекомендовавшие себя тайваньские объективы, китайские камеры, китайское поворотное устройство. Это все популярные производители, астрономы, и астрофотографы-любители обычно используют что-то подобное. Но мы думали о возможности сделать чертеж оптической схемы объектива и заказать у белорусской компании "Пеленг", которая запросто это может сделать, главное - надо продумать, чего мы хотим. Но так как нашей основной задачей была разработка технологии, мы покупали готовые компоненты, которые можно было сложить и отработать эти самые технологии. Сейчас уже, зная, как это все работает, мы действительно подумываем заказать все необходимое у нашего предприятия.
- А существуют ли в мире аналоги вашей системы?
- Аналоги, конечно же, есть. Я упоминала астрофотографов, которые используют подобные системы, но на базе уже реализованных программных обеспечений. Дело в том, что по компонентам наши системы будут одинаковые, но люди в основном используют готовое программное обеспечение - то, что уже разработано. При этом в общей сложности не учитывается очень много моментов по части автономного обнаружения, по части обнаружения неизвестных объектов, определения их орбитальных параметров, ведения каких-то собственных каталогов. Не многие работающие в этой области любители и специалисты ориентируются на спутники. Таких по миру очень мало. Все в основном снимают объекты глубокого космоса, это красиво, интересно. Но все расширяется, появляются сети оптических станций, которые тоже занимаются слежением за спутниками. Я думаю, что в мире подхватывается такая тенденция.
- Какую практическую пользу для государства несет созданный комплекс?
- Беларусь - это космическая держава. И поддерживать развитие сетей наблюдения и мониторинга за космическим пространством в эру, когда запускается много спутников, очень важно. Мы должны владеть независимой информацией о количестве запускаемых спутников, информацией о космическом мусоре. Поэтому важно развивать не только радиометоды, но и оптические методы, которые позволяют видеть как функциональные так и нефункциональные космические объекты. Это развивает тенденцию наблюдения не только за искусственными, но и другими объектами нашей вселенной, например метеорами.
- Как вы вообще пришли в эту сферу деятельности, почему возникла идея заниматься именно космическим мусором?
- Я заканчивала специальность "аэрокосмические, радиоэлектронные и информационные системы и технологии". Мне всегда хотелось решать какие-то сложные задачи. И когда я заканчивала школу, мне показалось, что именно в области космических технологий есть развитие, именно в этой области есть задачи, которые нужно решить, и было интересно работать в этой области. Было актуальным и увлечение звездами, планетами, это ведь все безумно интересно, но у меня скорее были мысли о том, что за технологиями, которые есть в аэрокосмической отрасли, будущее, что разработки, которые есть в этой отрасли, будут двигать прогресс. И я не ошиблась, потому что, когда я поступала, такой популярности по запуску спутников еще не было.
Почему именно космический мусор? Я всегда искала какие-то проблемы, которые кем-то еще не решены. У меня тогда было наивное мнение: вдруг я что-нибудь придумаю такое, что позволило бы решить эту проблему. Действительно, мусора становится с каждым годом все больше и больше, спутников запускается тоже все больше. Мне бы не хотелось, чтобы в один прекрасный момент из-за эффекта каскадного столкновения астрономы перестали видеть, что происходит в нашей вселенной, или люди перестали видеть настоящие звезды, а вместо них - только летающие обломки. В интернете есть визуализация нашей планеты и космического мусора. Там видно, сколько сейчас вокруг нас действующих спутников и мусора, это катастрофически много, увидев, можно испугаться. Создается ощущение, что мы уже находимся под завесой. Отсюда пришла идея создать свою оптическую систему, которая помогла бы нам владеть необходимой информацией о динамике изменения количества действующих спутников, космического мусора и характеристиках его движения.
Немаловажно, что наш комплекс - это один из образовательных проектов. И помимо реализации каких-то своих научных идей, мы закладывали потенциал обучения студентов - тех людей, которым захочется не только послушать сухие лекции, но и погрузится в процесс оптических наблюдений и обработки. В этом случае студент проводит наблюдения, получает свои данные, проводит все этапы обработки и в результате получает информацию о том, что за космический объект он наблюдал. Сложно? Очень сложно, но он это сделает. А этим занимаются очень многие институты и обсерватории. Зная фундаментальные вещи и способы их практического применения, студент будет двигаться дальше, как это произошло со мной.
Наш проект закончен, но мы сделали гораздо больше, чем планировали, потому что увлеклись. Мы уже задумываем более серьезную систему - стационарную. Там будет более серьезная оптика, с помощью которой можно детектировать меньшие объекты. Располагаться она будет где-то за городом, потому что нам мешает засветка. Но экспериментировать мы, вероятно, будем в черте города.
Светлана Пекарь,
БЕЛТА.-0-
- размещаются материалы рекламно-информационного характера.