Kosmiczna kontrola ruchu

Materiał powstał we współpracy z firmą Sybilla Technologies

W grudniu 2019 roku polski satelita naukowy BritePL-Heweliusz uniknął zderzenia z pozostałością rakiety Pegasus. Odległość między obiektami wyniosła zaledwie cztery i pół metra. Kolizja oznaczałaby utratę Heweliusza oraz wzrost ilości śmieci kosmicznych, które zagrażałyby pozostałym satelitom.

Śmieci kosmiczne to nie tylko człony rakiet czy nieaktywne satelity. To również efekt wcześniejszych zderzeń czy fragmentacji satelitów. Spośród około 23 tysięcy śledzonych obiektów o rozmiarze powyżej 10cm, niecałe 3000 to aktywne satelity, m.in. wykorzystywane na co dzień systemy nawigacji satelitarnej, satelity telekomunikacyjne czy meteorologiczne. Eksperci szacują, że na orbicie krąży nawet 130 milionów obiektów zagrażających sprawnej infrastrukturze w kosmosie. 70% aplikacji mobilnych dostępnych na rynku wykorzystuje dane satelitarne i według Komisji Europejskiej, potencjalne straty wynikające w przerwie w dostępie do nich są obecnie nie do oszacowania.

Jedynym sposobem na uniknięcie kolizji w kosmosie jest wykonanie manewru zmiany orbity – tłumaczy Mariusz Słonina, ekspert ds. nadzoru kosmicznego (Space Surveillance and Tracking, SST) w firmie Sybilla Technologies. Przy prędkościach względnych sięgających nawet 15 kilometrów na sekundę, manewr taki trzeba zaplanować i przeprowadzić z co najmniej kilkudniowym wyprzedzeniem. Monitorowanie i śledzenie satelitów i śmieci kosmicznych jest więc kluczowe z punktu widzenia utrzymania sprawnej infrastruktury w kosmosie. Potrzebna jest do tego jednak globalna sieć sensorów: teleskopów optycznych, laserów, radarów. — Obserwacje są tutaj niezbędne żeby móc precyzyjnie wyznaczać pozycje śmieci kosmicznych i przekazywać te informacje do operatorów satelitów na tyle wcześnie, aby zdążyli wykonać manewr — podkreśla Mariusz Słonina.

Konsorcjum EU SST

Zagadnienie bezpieczeństwa i ruchu kosmicznego jest istotnym elementem działalności Polskiej Agencji Kosmicznej (POLSA). Agencja aktywnie włącza się w projekty międzynarodowe, takie jak prowadzony od 2009 roku program świadomości sytuacyjnej (Space Situational Awareness) Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Oprócz monitorowania pogody kosmicznej oraz planetoid zagrażających Ziemi skupia się on na ochronie infrastruktury orbitalnej. Ponadto, w 2019 roku Polska, reprezentowana przez POLSA, przystąpiła do Europejskiego Konsorcjum SST (EU SST). Jego zadaniem jest ochrona europejskich satelitów, w szczególności niezależnego od GPS systemu nawigacji satelitarnej Galileo i satelitów obrazowania Ziemi Copernicus.

Eksperci ESA zwracają uwagę na wielkość zagrożenia — w 2016 roku europejski satelita obserwacyjny Sentinel-1A, służący m.in. obserwacjom meteorologicznym został uszkodzony odłamkiem wielkości 1cm. Średnica uszkodzenia panelu fotowoltaicznego wynosi 40cm i ogranicza możliwości satelity. Już teraz dochodzi do 170 takich kolizji rocznie, a europejscy operatorzy wykonują jeden manewr zmiany orbity miesięcznie w celu uniknięcia podobnych zdarzeń. Według szacunków ESA i Komisji Europejskiej, w ciągu najbliższej dekady koszty takich operacji przekroczą 210 mln EUR.

Polska sieć teleskopów

W ramach EU SST, Polska zabezpiecza pięć krajowych i ok. 120 zagranicznych satelitów. Nasz wkład do programu to obecnie 14 obserwatoriów astronomicznych rozlokowanych na całym świecie. To największa sieć sensorów w konsorcjum. W jej skład wchodzą robotyczne teleskopy międzynarodowej sieci Panoptes-Solaris, powstałej na bazie programu poszukiwania planet pozasłonecznych Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk (CAMK PAN), obserwatoriów naukowo-edukacyjnych The Open University oraz obserwatorium Instytutu Maxa Plancka (MPE). Ich operatorem jest bydgoska firma Sybilla Technologies. Teleskopy Solaris stanowią filar sieci na półkuli południowej.

Polską sieć EU SST współtworzą również teleskopy firmy 6ROADS, sensor projektu PST2 Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Adama Mickiewicza (OA UAM) oraz stacja laserowa Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CBK PAN) w Borówcu pod Poznaniem.

Uzupełnieniem polskich sensorów jest zespół kamer OmniSky toruńskiej firmy Cilium Engineering, które służą do rejestracji obiektów wpadających w ziemską atmosferę.

POLSA planuje również modernizację istniejących teleskopów oraz rozbudowę sieci w najbliższych latach. Ma to zapewnić wyższą niezawodność systemu oraz umożliwić obserwacje większej liczby obiektów.

Centymetrowa dokładność

Szczególnym elementem sieci jest stacja laserowa w Obserwatorium CBK PAN w Borówcu, która od kilkudziesięciu lat wykonuje pomiary odległości do aktywnych satelitów. — Największą zaletą laserowych obserwacji śmieci kosmicznych jest wysoka dokładność pomiaru odległości. Dzięki zastosowaniu lasera o ultrakrótkim impulsie możliwe jest określenie odległości z dokładnością do centymetrów. Przekłada się to na precyzyjne wyznaczanie orbit śledzonych obiektów, a tym samym bardziej wiarygodne oceny ryzyka kolizji obiektów na orbicie lub dokładniejsze wskazania czasu i miejsca wejścia obiektów w ziemską atmosferę — mówi dr Paweł Lejba, kierownik obserwatorium. Stacja stanowi element międzynarodowej służby International Laser Ranging Service (ILRS) i jako jedna z nielicznych prowadzi regularny monitoring śmieci kosmicznych.

Astronomiczny robot

Stacja laserowa CBK PAN w Borówcu to ważny element polskiej sieci sensorów i dopełnia informację, którą możemy uzyskać przy pomocy obserwacji optycznych. — podkreśla Piotr Sybilski, prezes Sybilla Technologies. — Pamiętajmy też, że obserwatoria to tylko jeden z elementów naziemnej infrastruktury SST, istotne jest również ich zrobotyzowanie oraz automatyczne planowanie obserwacji i przetwarzanie danych. Wymogiem konsorcjum jest ciągłe dostarczanie danych o pozycjach satelitów. Operatorzy sensorów mają na to dwadzieścia cztery godziny. — Bez wysokiego stopnia autonomii obserwatorium nie jest to możliwe — dodaje prezes Sybilli. Firma dostarcza oprogramowanie ABOT (Astronomical Robot), umożliwiające robotyzację obserwatorium, oraz pracuje nad zaawansowanym systemem planowania obserwacji SST dla ESA, opartym o algorytmy uczące się. Jest on już obecnie wykorzystywany do planowania obserwacji stacji CBK PAN w Borówcu, jak i polskich teleskopów w ramach dostarczania danych do konsorcjum. System będzie również wdrożony dla budowanych obecnie teleskopów ESA dedykowanych m.in. obserwacjom śmieci kosmicznych.

Projekty badawczo-rozwojowe

Rozwój polskiej sieci sensorów uzupełniają projekty naukowo-inżynieryjne. W maju 2019 wicepremier Jarosław Gowin otworzył na Politechnice Poznańskiej laboratorium optycznych systemów obserwacyjnych Skylab, natomiast OA UAM prowadzi badania w zakresie innowacyjnych kamer Dynamic Vision Sensor na potrzeby obserwacji sztucznych satelitów. W przeciwieństwie do zwykłych kamer nie nagrywają one zdjęć, ani filmów, za to rejestrują z dużą precyzją wszelkie zmiany, np. przelot satelity w polu widzenia teleskopu.

Polska europejskim liderem SST

Firmy polskiego sektora kosmicznego takie jak Sybilla Technologies rozwinęły się dzięki programowi Polish Industry Incentive Scheme (PLIIS) uruchomionemu wraz z przystąpieniem Polski do ESA w 2012 roku. Do tej pory, w samej tylko tematyce SST zakończono z sukcesem kilkanaście polskich projektów i pozwoliło to na budowę międzynarodowych konsorcjów. W tym roku rozpoczął się m.in. projekt POSST (Polish SST small telescope assessment and prototyped operations), Europejskiej Agencji Kosmicznej, którego celem jest integracja sensorów w regionie, w jedną, działającą wspólnie sieć. Jest on realizowany pod przewodnictwem Sybilla Technologies we współpracy z Polską Agencją Kosmiczną, CBK PAN, Narodową Agencją Kosmiczną Ukrainy oraz firmami 6ROADS, Iguassu Software Systems z Czech, GMV Innovating Solutions (GMV) i Deimos UK. Zadaniem konsorcjum jest także zaproponowanie najbardziej optymalnej sieci sensorów i architektury systemu dedykowanych obserwacjom pasa satelitów geostacjonarnych. — To projekt spinający nasze działania w domenie SST — podsumowuje Sybilski. — Od robotycznych obserwatoriów, ich oprogramowanie, po planowanie obserwacji, procesowanie danych i ich dostarczanie do podmiotów publicznych oraz operatorów satelitów.

Centrum eksperckie

Ambicją polskich podmiotów jest powołanie w naszym kraju tzw. Regionalnego Centrum Eksperckiego SST dla ESA. W zeszłym roku POLSA uruchomiła Polskie Centrum SSA, do którego oprogramowanie dostarczyło GMV wraz z Sybillą Technologies. W ramach POSST oraz kolejnych projektów zacznie kształtować się polskie Centrum Doskonałości Technologicznej (Centre of Excellence) dla SST, na które składać się będą zasoby sensorów, oprogramowania oraz wiedzy eksperckiej. Polskie zasoby mają szansę stać się doskonałym przykładem tego, jak sieć robotycznych teleskopów jest w stanie zapewnić kluczowy wkład w krajowy czy regionalny system nadzoru przestrzeni kosmicznej i, jak podkreśla Sybilski, udaje się to dzięki współpracy w polskim środowisku. Jest to ważny krok w kierunku umiędzynarodowienia wysiłków na rzecz wzrostu kompetencji i stabilności systemów monitorowania obiektów na orbicie okołoziemskiej.

Według zapowiedzi firm SpaceX, Amazon i OneWeb do końca dekady szerokopasmowy Internet ma być dostarczany przez przeszło czterdzieści tysięcy nowych satelitów. Codzienny monitoring przestrzeni kosmicznej będzie więc kluczowy dla sprawnego działania infrastruktury na orbicie. Tim Flohrer, pełniący obowiązki szefa Space Debris Office w ESA podkreśla, że globalna sieć robotycznych sensorów oraz zintegrowany system planowania i przetwarzania danych są niezbędne do zapewnienia bezpiecznej pracy satelitów. W tej domenie — dodaje Flohrer — pracując razem, polskie teleskopy stanowią obecnie największą spośród państw członkowskich ESA sieć sensorów optycznych dedykowanych do obserwacji śmieci kosmicznych i wraz z wytworzonym oprogramowaniem są kluczowym atutem dla dalszego rozwoju tej dziedziny w Europie. Polskie projekty badawczo-rozwojowe prowadzone w domenie SST przynoszą więc rozpoznawalne efekty na arenie europejskiej, dlatego konieczne jest utrzymanie stabilnego rozwoju tej branży kosmicznej.

– Materiał powstał we współpracy z firmą Sybilla Technologies