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Título: Máscara para detecção de detritos espaciais em imagens de telescópio adquiridas em modo estático
Autor(es): Giraldo, William Humberto Úsuga
Orientador: Nascimento Júnior, José Dias do
Palavras-chave: Detritos espaciais;Limpeza do espaço;Órbitas terrestres;Mitigação do risco dos detritos espaciais;Detecção de detritos espaciais
Data do documento: 31-Jan-2022
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Referência: GIRALDO, William Humberto Úsuga. Máscara para detecção de detritos espaciais em imagens de telescópio adquiridas em modo estático. 2022. 98f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciências Aeroespaciais) - Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022.
Resumo: Detritos orbitais com aproximadamente 10 cm de tamanho podem ser medidos com telescópios terrestres. Estes detritos ameaçam o funcionamento de satélites e trazem impacto na economia e na segurança global das atividades espaciais. Na orbita GEO, onde está a maioria dos satélites com atividade económica, são aproximadamente 842 detritos catalogados. Já em orbita LEO são aproximadamente 13485 detritos catalogados. No entanto, estudos da ESA mostram que centenas de milhões de pequenos objetos acima de 1 mm estão neste momento nas duas orbitas GEO e LEO acima da Terra e ainda não foram catalogados. Neste trabalho criamos um procedimento computacional para detectar detritos espaciais em orbita GEO com imagens obtidas a partir de telescópios em terra e em modo estático, onde as estrelas do fundo do céu aparecem em forma de linhas nas imagens das câmeras CCD (charge-coupled device) e o lixo em forma de pontos. Imagens CCD de 2992 x 2092 pixels (alta resolução) e com 5 graus de campo de visão (FOV) e com 7 segundos de exposição utilizadas neste trabalho foram obtidas com o telescópio (Panoramic Electro-Optical System) PanEOS, de 750 mm de abertura e instalado no observatório do Picos dos Dias do Laboratório Nacional de Astrofísica (LNA). Este é um telescópio russo, robotizado e com foco no mapeamento de detritos espaciais e é resultado de um acordo entre a Agência Espacial Brasileira (AEB) e a agência espacial russa Roscosmos para monitoramento do céu. Para esta pesquisa adaptamos os pacotes “photoutils” escrito em Python para construir uma máscara e separar estrelas de candidatos a detritos espaciais. Nossa metodologia consistiu em primeiramente suavizar as imagens usando um filtro do tipo Gaussian Kernel em seguida cada elemento foi categorizado em dois grupos e finalmente as estrelas foram apagadas das imagens e resultando assim somente os candidatos de detritos espaciais. Testamos combinações de fluxo para estabelecer o limite de detecção e utilizamos diferentes valos nas PSF’s (points spread function) para determinar o limite da elongação dos objetos. Nossa metodologia trabalha com uma única imagem por vez de forma rápida e eficiente e permite detectar objetos com diferentes PSF, e desta forma requer baixa capacidade de hardware. Nossos resultados nesta fase de validação identificaram 100% dos lixos artificiais de treino e nas imagens reais do telescópio PanEOS, detectamos detritos reais e consistentes com um possível detrito espacial. Este é formalmente o primeiro resultado na pesquisa sobre da detecção, modelagem e monitoramento de Lixo Espacial liderado na UFRN (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Aeroespacial - PPGEA) e um trabalho de vanguarda no Brasil com relação ao uso das imagens deste telescópio com este objetivo.
Abstract: Orbital debris approximately 10 cm in size and larger can be monitored with ground-based telescopes and radar. These debris threaten the operation of satellites and impact the economy and global security of space activities. In the geoestatiory orbit (GEO), where most of the highest economic value satellites are located, there are approximately 842 cataloged debris. In the Low Earth Orbit (LEO) there are approximately 13485 cataloged debris. However, European Space Agency (ESA) studies show that hundreds of millions of small objects above 1 mm are currently in the two GEO and LEO orbits above Earth and have not yet been catalogued. In this work we created a computational procedure to detect possible space debris in GEO orbits with images obtained from telescopes on land and in Tracking Rate Mode, where the stars in the sky background appear in the form of lines in the CCD images and the garbage in the form of points. CCD images of 2092 x 2092 pixels (high resolution), with 5 degrees of field of view (FOV) and 7 seconds of exposure, used in this work, were obtained with the PanEOS telescope (Panoramic Electro-Optical System), 750 mm of opening, installed in the observatory of Picos dos Dias of the National Laboratory of Astrophysics (LNA). For this research we adapted the Photutils packages written in Python to build a mask and separate stars from candidate space debris. Our methodology consisted of first smoothing the images using a Gaussian filter, then each element was tagged in different categories and finally the stars were erased, resulting in only the space debris candidates. We test flux combinations to establish the detection limit and use different points spread function (PSF) to determine the elongation limit of objects. Our methodology works with a single image at a time quickly and efficiently and allows detecting objects with different PSF and thus requires low hardware capacity. Our results in this validation phase identified 76% of the artificial training debris and in the real images of the PanEOS telescope we detected real objects and consistent with a possible space debris. Finally, it is concluded that the algorithm allows the reading of a database of real images like the ones we have from the PanEOS telescope and is the first step to catalog space debris and find the size.
URI: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/48479
Aparece nas coleções:PPGEA - Mestrado em Engenharia e Ciências Aeroespaciais

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