Первый отечественный гиперспектрометр для наноспутников формата CubeSat (кубсат), разработанный учеными Самарского университета им. Королева и Института систем обработки изображений (ИСОИ) РАН, успешно прошел летные испытания в космосе, подтвердив работоспособность своей инновационной конструкции.

Компактный научно-исследовательский прибор позволяет наблюдать за поверхностью Земли в многоканальном спектральном отображении, выявляя на планете объекты и их свойства, которые невидимы для обычных средств наблюдения. Гиперспектрометры помогают более эффективно вести экологический мониторинг, следить за состоянием лесов и сельскохозяйственных посевов, отслеживать возникновение лесных пожаров и выполнять другие задачи.

Самарская разработка установлена на борту наноспутника SXC3-219 ИСОИ, выведенного на орбиту в августе 2022 года в рамках запуска с космодрома Байконур ракеты-носителя "Союз-2.1б" с разгонным блоком "Фрегат" с 16 российскими спутниками и иранским спутником "Хайям". Ранее гиперспектрометры на отечественных космических аппаратах подобного класса - стандартных наноспутниках CubeSat 3U (состоящих из трех "кубиков", каждый размерами 10×10×10 см) - не устанавливались из-за сложностей создания достаточно компактного прибора с характеристиками, необходимыми для гиперспектральной съемки из космоса.

"Наш гиперспектрометр для кубсатов прошел программу летных испытаний, успешно выполнив поставленные перед ним задачи. За время полета были получены качественные гиперспектральные снимки различных территорий Евразии, Австралии, Африки, Северной Америки. За пределами объектива остались только два континента - Южная Америка и Антарктида. Однако главный итог этих испытаний - не количество сделанных и переданных снимков, а то, что на практике подтверждена работоспособность придуманной нами в 2020 году схемы внутреннего крепления элементов такого гиперспектрометра. В отличие от зарубежной схемы компоновки элементов наша позволяет добиться большей четкости изображения при меньшей сложности конструкции и меньшем энергопотреблении", - рассказал профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета им. Королева, доктор физико-математических наук Роман Скиданов.

Работающий на орбите гиперспектрометр постоянно подвергается значительным изменениям температуры - спутник то нагревается, освещаясь Солнцем, то охлаждается в тени Земли. Колебания температуры вызывают деформацию материала линз и других элементов конструкции, что приводит к искажениям и нечеткости получаемой "картинки". Обычно, чтобы избежать таких искажений, космический гиперспектрометр снабжают специальной системой термостабилизации - неким подобием "термоса" или "холодильника". Однако этот "холодильник", мало того что занимает на спутнике много места, так он еще и электричества много потребляет.

Самарские ученые в 2020 году предложили инновационный подход - изменить традиционную схему расположения крепежных элементов оптики гиперспектрометра. Проведенные тогда эксперименты показали, что если крепежные элементы разместить радиально, то оптическую систему можно будет регулировать - подстраивать, наводить резкость изображения - с помощью всего двух компактных шаговых двигателей. Эти двигатели примерно на порядок легче обычной системы термостабилизации (без которой теперь можно обойтись), кроме того, им нужно меньше места (значит, на борту можно установить еще и другую полезную нагрузку) и у них минимальное энергопотребление, они включаются только в момент регулировки.

"Полученные тогда результаты экспериментов позволили нам сделать обоснованное предположение о том, что такой гиперспектрометр сможет работать с высокой эффективностью в широком диапазоне температур без использования системы термостабилизации для поддержания определенной температуры. Летные испытания нашего гиперспектрометра полностью подтвердили эту идею, и сейчас можно уверенно сказать, что предложенный нами подход является весьма перспективным для использования в космосе и стратосфере", - отметил Роман Скиданов.

О потенциале такой технологии зримо говорит и разница между качеством снимков самарского прибора и его "одноклассников" - сопоставимых по размеру и классу гиперспектрометров, устанавливаемых на зарубежных наноспутниках по традиционной схеме с системой термостабилизации, например, на запущенных в том же 2022 году наноспутниках НАСА NACHOS. Хотя в открытом доступе снимков с таких наноспутников не очень много, но и по тому, что есть, можно увидеть, что качество нашей "гиперкартинки" значительно лучше.

На Землю первый российский гиперспектрометр для кубсатов, к сожалению, не вернется. Орбита спутника, на борту которого он находится, медленно, но верно снижается, и примерно через год-полтора, как считают ученые, спутник сгорит в атмосфере. Однако останутся результаты испытаний и проверенная космосом технология, на основе которой будут создаваться новые, более совершенные компактные гиперспектрометры для решения самых различных задач.

"Данная оптическая схема позволяет уменьшать конструкцию без существенного ухудшения качества, поскольку все происходящие изменения там практически линейны, поэтому можно будет спроектировать еще более компактный гиперспектрометр", - подчеркнул Роман Скиданов.

О гиперспектрометре

Гиперспектрометр разработан на основе схемы Оффнера. Снимает прибор в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Количество спектральных каналов - от 150 до 300, спектральное разрешение от 2 до 4 нм. Масса гиперспектрометра - 1,6 кг, размеры - 13×9,4×9,4 см, то есть он занимает менее половины внутреннего пространства наноспутника формата кубсат 3U размерами 10×10×30 см.

Несмотря на то что спутник был запущен в рамках научно-образовательного проекта Space-Pi ("Space π"), установленный на нем гиперспектрометр является полноценным исследовательским прибором, позволяющим проводить гиперспектральное дистанционное зондирование Земли. Так, в ходе испытаний в космосе гиперспектрометр продемонстрировал свои возможности по получению данных для определения спектральных вегетационных индексов, применяемых в сельском хозяйстве для решения задач умного земледелия.

Вегетационные индексы - всего их более 150 - высчитываются на основе спектральных данных и показывают самые различные параметры и свойства растений, необходимые сельхозпроизводителю для правильного ухода за посевами культур. В зависимости от своего состояния, количества витаминов и влаги, температуры окружающей среды и других факторов растения по-разному поглощают и отражают электромагнитные волны в разных диапазонах, в разных спектрах. Сопоставляя эти данные в едином комплексе с помощью мульти- или гиперспектральной съемки, можно дистанционно, оперативно и более точно оценивать состояние посевов той или иной культуры, не отправляя выборочно на лабораторный анализ отдельные растения или образцы почвы.

Снимки с самарского гиперспектрометра позволили, например, определить участки озимых посевов с наибольшей зеленой массой, с высоким количеством хлорофилла, а также проверить сельхозугодья, попавшие в объектив гиперспектрометра, на наличие проблемных посевов. Данные показали уровень запасов влаги в растениях и помогли рассчитать вегетационный индекс, моделирующий будущую продуктивность растений, то есть дающий предварительный прогноз урожайности.

Еще один рассчитанный индекс оценил физиологическое состояние растений с точки зрения наличия у них стресса. Как известно, стресс бывает и у растений, его вызывают неблагоприятные явления - засуха или переизбыток влаги, сильный ветер, перепады температур, внезапные заморозки, нашествие насекомых-вредителей. Из-за стресса в растениях происходят метаболические изменения, которые с помощью гиперспектрометра можно выявить и из космоса.