Разработка и оптимизация оптической полезной нагрузки для наноспутников при строгих ограничениях.
DOI:
https://doi.org/10.31489/2025N3/111-119Ключевые слова:
Дистанционного зондирования Земли, функции модуляции переноса (MTF), полезная нагрузка, наноспутник, космический аппаратАннотация
В данной статье представлены проектирование и оптимизация компактной высокопроизводительной оптической полезной нагрузки для наноспутников дистанционного зондирования Земли. Полезная нагрузка основана на телескопе Ричи-Кретьена с корректирующими линзами, обеспечивает пространственное разрешение 6 метров на пиксель (GSD) с орбиты на высоте 600 км, соответствуя жестким ограничениям по массе, габаритам, энергопотреблению и условиям эксплуатации в космической среде. Процесс проектирования, выполненный с использованием программного обеспечения Zemax 2024, ориентирован на достижение высокого качества изображений в рамках ограничений, характерных для CubeSat 12U. Результаты подтверждают осуществимость проекта, обеспечивая значение функции модуляции переноса более 0,26 на частоте Найквиста. Оценивались несколько ключевых показателей производительности, включая системную функцию передачи модуляции. После достижения требуемых параметров была добавлена система линзовых корректоров и оптимизированы углы поля. В качестве материалов линз были выбраны BK7 и Fused Silica. Результаты симуляций подтверждают, что разработанная оптическая полезная нагрузка соответствует требованиям для использования в условиях космоса, включая устойчивость к вибрационным нагрузкам при запуске ракеты-носителя.
Библиографические ссылки
Simon Jones, Karin Reinke (2009) Innovations in remote sensing and photogrammetry. Springer Science & Business Media, 468. https://doi.org/10.1007/978-3-540-93962-7 DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-93962-7
Li C.R., Tang L.L., Ma L.L., Zhou Y.S., Gao C.X., Wang N., Zhu X.H. (2015) Comprehensive calibration and validation site for information remote sensing. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XL-7/W3, 1233-1240. https://doi.org/10.5194/isprsarchives-XL-7-W3-1233-2015 DOI: https://doi.org/10.5194/isprsarchives-XL-7-W3-1233-2015
Xing K., Cao S. X., Yue C.Y., Zhou N. (2017) Optimization design method of optical remote sensor based on imaging chain simulation. MATEC Web of Conf., 114, 04013. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711404013 DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201711404013
Kramer H. J. (2002) Observation of the Earth and Its Environment: Survey of Missions and Sensors, Heidelberg, Berlin, New York Berlin: Springer, 1509. https://doi.org/10.1007/978-3-642-97678-0 DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-97678-0
Musabayev T.A., Moldabekov M.M., Nurguzhin M.R., Dyussenev S.T., Murushkin S.A., Albazarov B.S., Ten V.V. (2013) Earth observation system of the Republic of Kazkahstan. Proceedings of the Intern. Astronautical Congress, IAC, 2738-2740. Available at: https://www.eoportal.org/satellite-missions/kazeosat-2#eop-quick-facts-section
Fiete R.D., Tantalo T. (2001) Comparison of SNR image quality metrics for remote sensing systems. Optical Engineering, 40(4), 574-585. https://doi.org/10.1117/1.1355251 DOI: https://doi.org/10.1117/1.1355251
Citroen M., Raz G., Berger M. (2008) Noise equivalent reflectance difference (NERD) vs. spatial resolution (SR) as a good measure for system performances. Remote Sensing System Engineering, 7087, 66-76. https://doi.org/10.1117/12.794632 DOI: https://doi.org/10.1117/12.794632
Attia W.A., Eltohamy F., Bazan T.M. (2020) Design of very high resolution satellite telescopes part II: comprehensive performance assessment. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 56(5), 4049-4055. https://doi.org/10.1109/TAES.2020.2991622 DOI: https://doi.org/10.1109/TAES.2020.2991622
Wong S. (2014) Predicting image quality of surveillance sensors. Defence Research and Development Canada, 38. Available at: https://publications.gc.ca/site/archivee-archived.html?url=https://publications.gc.ca /collections/collection_2015/rddc-drdc/D68-2-97-2014-eng.pdf
Mengali A., Ginesi A., D'Addio, S. (2020) Computer-aided payload architecture optimization for HTS satellites. Proceedings of the 10th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 16th Signal Processing for Space Communications Workshop (ASMS/SPSC), 1-8. https://doi.org/10.1109/ASMS/SPSC48805.2020.9268888 DOI: https://doi.org/10.1109/ASMS/SPSC48805.2020.9268888
Jafarsalehi A., Asl E. P., Mirshams M. (2014) Satellite imaging payload design optimization. Aerospace Science and Technology, 39, 145-152. https://doi.org/10.1016/j.ast.2014.09.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2014.09.003
Abolghasemi M., Abbasi-Moghadam D. (2012) Design and performance evaluation of the imaging payload for a remote sensing satellite. Optics & Laser Technology, 44(8), 2418 - 2426. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.04.006 DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.04.006
Şanlı A., Erkeç T.Y. (2024) Design and Analysis of Optical Telescope Subsystem. Journal of Aeronautics and Space Technologies, 17(Special Issue), 92-101. Available at: jast.hho.msu.edu.tr
Jallad A.H., Marpu P., Abdul Aziz Z., Al Marar A., Awad M. (2019) MeznSat—A 3U CubeSat for monitoring greenhouse gases using short wave infra-red spectrometry: Mission concept and analysis. Aerospace, 6(11), 118. https://doi.org/10.3390/aerospace6110118 DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace6110118
Dunwoody R., Reilly J., Murphy D., Doyle M., Thompson J., Finneran G., McBreen S. (2022) Thermal vacuum test campaign of the EIRSAT-1 engineering qualification model. Aerospace, 9(2), 99. https://doi.org/10.3390/aerospace9020099 DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace9020099
Jung J., Sy N. V., Lee D., Joe S., Hwang J., Kim B. (2020) A single motor-driven focusing mechanism with flexure hinges for small satellite optical systems. Applied Sciences, 10(20), 7087. 10. https://doi.org/10.3390/app10207087 DOI: https://doi.org/10.3390/app10207087
Azami M.H.B., Orger N.C., Schulz V.H., Oshiro T., Alarcon J.R.C., Maskey A., KITSUNE Team Members. (2022) Design and environmental testing of imaging payload for a 6 U CubeSat at low Earth orbit: KITSUNE mission. Frontiers in Space Technologies, 3, 1000219. https://doi.org/10.3389/frspt.2022.1000219 DOI: https://doi.org/10.3389/frspt.2022.1000219
Guentchev G. N., Bayer M.M., Li X., Boyraz O. (2021) Mechanical design and thermal analysis of a 12U CubeSat MTCW lidar based optical measurement system for littoral ocean dynamics. CubeSats and SmallSats for Remote Sensing V ,11832, 71-98. https://doi.org/10.1117/12.2597709 DOI: https://doi.org/10.1117/12.2597709
Geismayra L., Schummera F., Langer M., Binder M., Schlick G. (2020). Thermo-Mechanical Design and Analysis of a Multispectral Imaging Payload using Phase Change Material. Proceeding of the Intern. Astronautical Congress (IAC) – The CyberSpace Edition, 1-17, IAC-20-C2.5.13 Available at: https://www.researchgate.net/publication/348603407
Woodruff R.A., Hull T., Heap S.R., Danchi W., Kendrick S.E., Purves L. (2017) Optical design for CETUS: a wide-field 1.5 m aperture UV payload being studied for a NASA probe class mission study. Astronomical Optics: Design, Manufacture, and Test of Space and Ground Systems, 10401, 400 - 408. https://doi.org/10.48550/arXiv.1912.06763 DOI: https://doi.org/10.1117/1.JATIS.5.2.024006
Contreras J.W., Lightsey P.A. (2004). Optical design and analysis of the James Webb Space Telescope: optical telescope element. Novel Optical Systems Design and Optimization VII 5524, 30 - 41. https://doi.org/10.1117/12.559871 DOI: https://doi.org/10.1117/12.559871
Devilliers C., Du Jeu C., Costes V., Suau A., Girault N., Cornillon L. (2017) New design and new challenge for space large ultralightweight and stable Zerodur mirror for future high resolution observation instruments. Proceedings of the Intern. Conf. on Space Optics—ICSO 2014, 10563, 442-450. https://doi.org/10.1117/12.2304187 DOI: https://doi.org/10.1117/12.2304187
Wang X., Guo C., Liu Y., Chen J., Wang Y., Hu Y. (2019) Design and manufacture of 1.3 meter large caliber light-weighted Space optical components. Proceedings of the Intern. Conf. on Space Optics—ICSO 2018, 11180, 304-321. https://doi.org/10.1117/12.2535947 DOI: https://doi.org/10.1117/12.2535947
