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新的成像算法可以发现快速移动和旋转的太空垃圾
发布:WD114EVA
阅读:570
时间:2021-04-02 20:45

新的成像算法可以发现快速移动和旋转的太空垃圾

太空垃圾:计算机生成关于地球轨道上物体的图像被追踪到。大约95%的物体是轨道碎片,而不是正常工作的卫星。(NASA供图)

美国研究人员设计的一种新的成像算法可以提高我们跟踪环绕地球太空垃圾的能力。通过模拟测试,研究小组展示了如何利用碎片反射的信号的交叉相关性来提取物体在太空中自旋的高分辨率、无扭曲图像,从而更准确地跟踪物体。他们的算法可能很快证明在保护卫星系统免受太空垃圾碰撞方面具有重要的意义。

在过去几十年中,数百万件快速移动的太空碎片堆积在近地轨道上,其中大多数是废弃的卫星和航天器。这种太空垃圾对运行中的卫星构成越来越大的威胁,使得研究人员迫切需要精确监测碎片的速度和轨迹。目前,研究人员通过向太空发射微波脉冲和测量从太空垃圾中反射的信号来满足这种迫切的需要。然而,碎片的快速移动和旋转使得绘制太空垃圾的高分辨率地图变得困难。分辨率可以使用高频微波信号进行改进,但这些信号更容易受到地球大气层湍流造成的失真。在某种程度上,这个问题可以通过交叉关联多个接收器接收的信号来创建一个大口径来解决。然而,碎片也可以在广泛的时间段上旋转,从短短几秒钟到几分钟不等。为了计算旋转的影响,与旋转相关的参数是研究人员通过反复试错来估计的,这是一个耗时的过程。

旋转轴

为了克服这个问题,纽约大学的Matan Leibovich、斯坦福大学的George Papanicolaou和加州大学的Chrysoula Tsogka设计了一种算法,可以同时估计碎片旋转的角速度和轴。他们使用的计算方法与前两种算法的计算方法类似,其中一种算法受低分辨率影响,另一种算法受较高程度的大气失真的影响。基于这些系统的优势,该团队使用太空成像系统的理论模型构建并测试了他们的算法。真正的碎片,如一颗旧卫星,通常会以反射物体群(如它的太阳能电池板)出现,这些物体围绕固定轴旋转。因此,该小组的模拟将碎片描述为以固定排列移动和旋转的小型、高度反射物体群。模拟星团反射的信号由分布在约200千米的孔径区域的模拟接收器接收:在相互关联之前来提取集群的旋转参数。

更加精确

通过将结果与之前两种算法的结果进行比较,Leibovich及其同事确认他们的图像更加准确和精确。通过进一步的模拟,他们表明他们旋转参数的估计值比之前的方法更不容易受到错误的影响。此外,如果接收器能够查看集群的全程旋转,那么图像就可以完全优化。研究小组现在希望该算法能成为成像旋转太空碎片广泛使用的一种方法。如果实现,这可能会促使对近地轨道卫星采取可靠的新保护措施,确保重要的导航和通信系统能够安全启动和运行。

这项研究发表在 《SIAM Journal on Imaging Sciences》。

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