Europejski system wykrywania i śledzenia obiektów satelitarnych

Europejski system wykrywania i śledzenia obiektów satelitarnych Edwin Wnuk Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytet im. A.Mickiewicza, Poznań Konferencja Jubileuszowa POZNAŃ - LOTNICTWO DLA OBRONNOŚCI Poznań 26 sierpnia 2016

WSTĘP W kwietniu 2014 roku Parlament Europejski i Rada Unii Europejskiej przyjęły dokumenty ustanawiające ramy wsparcia obserwacji i śledzenia obiektów kosmicznych (ang. Space Surveillance and Tracking SST):

WSTĘP W kwietniu 2014 roku Parlament Europejski i Rada Unii Europejskiej przyjęły dokumenty ustanawiające ramy wsparcia obserwacji i śledzenia obiektów kosmicznych (ang. Space Surveillance and Tracking SST): DECISION No 541/2014/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 April 2014 establishing a Framework for Space Surveillance and Tracking Support

WSTĘP Ogólnym celem wieloletniego programu Unii Europejskiej obejmującego działania SST jest: przyczynienie się do zapewnienia długoterminowej dostępności europejskiej i krajowej infrastruktury kosmicznej oraz usług niezbędnych do zapewnienia bezpieczeństwa europejskiej gospodarki, społeczeństwa i obywateli Europy

WSTĘP Szczegółowe cele ram wsparcia SST dotyczą: oceny i ograniczenia ryzyka związanego z działaniem europejskich statków kosmicznych odnoszącym się do kolizji na orbicie; ograniczenia ryzyka związanego z wynoszeniem europejskich statków kosmicznych; obserwacji niekontrolowanego ponownego wejścia statków kosmicznych lub śmieci kosmicznych w atmosferę ziemską oraz dokładniejszego i skuteczniejszego wczesnego ostrzegania w celu ograniczenia ewentualnego zagrożenia dla bezpieczeństwa obywateli Europy oraz zmniejszania ewentualnych szkód w infrastrukturze naziemnej; działań zapobiegających dalszemu rozprzestrzenianiu się śmieci kosmicznych.

Europejskie Konsorcjum SST DECISION No 541/2014/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 April 2014 establishing a Framework for Space Surveillance and Tracking Support

Europejskie Konsorcjum SST DECISION No 541/2014/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 April 2014 establishing a Framework for Space Surveillance and Tracking Support 16 czerwca 2015: The European Space Surveillance and Tracking SST Consortium agreement signed

Europejskie Konsorcjum SST DECISION No 541/2014/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 April 2014 establishing a Framework for Space Surveillance and Tracking Support 16 czerwca 2015: The European Space Surveillance and Tracking SST Consortium agreement signed Francja, Niemcy, WŁochy, Hiszpania, Wielka Brytania

Sztuczne satelity i śmieci kosmiczne Od początku ery satelitarnej, czyli od umieszczenia w 1957 roku na orbicie wokółziemskiej pierwszego sztucznego satelity Ziemi - Sputnika 1, - dokonano 5500 startów rakiet, - które wyniosły w przestrzeń kosmiczną 7200 sztucznych satelitów. Część z tych satelitów, po zakończeniu swojej misji, została sprowadzona na orbity bliższe powierzchni Ziemi, weszła w gęste warstwy atmosfery i tam spłonęła lub ich niewielkie szczątki spadły na Ziemię. Jednak duża liczba nieczynnych już satelitów ciągle pozostaje na orbicie i będzie krążyć wokół Ziemi jeszcze przez wiele lat, w niektórych przypadkach nawet tysiące i miliony lat.

Sztuczne satelity i śmieci kosmiczne Oprócz nieczynnych satelitów Ziemię okrąża ogromna liczba obiektów powstałych w trakcie naszej działalności w kosmosie. Są to: - różnego rodzaju pozostałości po startach rakiet, takie jak ich człony, czy zbiorniki po paliwie, - pozostałości po satelitarnych działaniach operacyjnych, - a także szczątki większych obiektów satelitarnych, które uległy fragmentacji wskutek zamierzonych lub przypadkowych eksplozji, zderzeń z innymi obiektami lub nawet celowych zniszczeń za pomocą specjalnych rakiet. Wszystkie te obiekty, łącznie z nieczynnymi satelitami, zalicza się do śmieci kosmicznych.

Sztuczne satelity i śmieci kosmiczne Obecnie, w połowie roku 2016, wokół Ziemi krąży: - ok. 1500 czynnych, operacyjnych satelitów - oraz ogromna liczba obiektów zaliczanych do śmieci kosmicznych. Liczna obiektów: - o średnicy większej niż 10 cm, których ruch orbitalny jest ciągle monitorowany wynosi ok. 22 000. - o średnicy większej niż 1 cm jest ok. 600 000, - o rozmiarach milimetrowych kilka milionów.

Sztuczne satelity i śmieci kosmiczne

Sztuczne satelity mega konstelacje Constellation Number of satellites Orbital altitude [km] Space X 4000 1100 Oneweb 900 1200 Samsung 4600 1400 Yaliny 135 600 LeoSat LLC 140 1800

Sztuczne satelity i śmieci kosmiczne Na niskich, kołowych orbitach wokółziemskich obiekty te poruszają się z prędkością rzędu 7 km/sek., Na orbitach o dużym mimośrodzie w perygeum orbity prędkość ta osiąga nawet 10 km/sek. Przy tak dużych prędkościach, nawet obiekty o małej masie, niosą ogromną energię kinetyczną i przy zderzeniu z czynnym satelitą mogą wywołać tragiczne skutki. Obiekt o centymetrowych rozmiarach może całkowicie zniszczyć satelitę lub w dużym stopniu zdegradować jego możliwości operacyjne.

Sztuczne satelity i śmieci kosmiczne Operacyjne satelity mogą być chronione przed uszkodzeniem lub zniszczeniem wskutek kolizji z innym obiektem tylko wtedy gdy: - posiadają możliwość manewru zmiany orbity w celu uniknięcia kolizji - oraz wtedy gdy można precyzyjnie wyznaczać trajektorię danego satelity i innych obiektów mogących się do niego zbliżyć na niebezpieczną odległość. Realizacja takich zadań jest możliwa tylko wtedy gdy ruch orbitalny wszystkich potencjalnie niebezpiecznych obiektów, krążących wokół Ziemi jest monitorowany oraz gdy ich orbity są wyznaczane z odpowiedną dokładnością.

Obserwacje satelitów i śmieci kosmicznych Ruch orbitalny sztucznych satelitów Ziemi jest monitorowany z wykorzystaniem różnych technik obserwacyjnych i pomiarowych: - radiowych, - radarowych, - optycznych - i laserowych. Precyzyjne monitorowanie ruchu wszystkich obiektów satelitarnych i śmieci kosmicznych, wyznaczanie ich orbit oraz tworzenie katalogu satelitarnego i jego ciągła aktualizacja odbywa się z użyciem tylko dwóch naziemnych technik obserwacyjnych: - radarowej - i optycznej.

Obserwacje satelitów i śmieci kosmicznych Technika radarowa pozwala na: - wyznaczenie odległości do danego obiektu, - jego prędkości - oraz, z małą dokładnością, jego położenia na sferze niebieskiej. Do obserwacji obiektów satelitarnych używa się różnego typu radarów monostatycznych, bistatycznych oraz matrycowo-fazowych dostarczających wyniki pomiarów o różnej dokładności. Zasięg radarów jest ograniczony. Mogą one obserwować tylko obiekty poruszające się po niskich orbitach wokółziemskich (tzw. LEO Low Earth Orbit) do wysokości ok. 2000 km nad Ziemią.

Obserwacje satelitów i śmieci kosmicznych Obiekty poruszające się po wyższych orbitach: - MEO (Medium Earth Orbit), - HEO (Highly Eliptical Orbit) - oraz GEO (Geostationary Orbit) mogą być obserwowane tylko za pomocą technik optycznych, czyli za pomocą teleskopów optycznych. Teleskopy optyczne mogą być użyte również do obserwacji obiektów LEO, ale niestety z wieloma ograniczeniami.

Obserwacje satelitów i śmieci kosmicznych Dla celów SST używa się teleskopów o średnicach 0.5-1.3 metra wyposażonych w szybkie, wydajne kamery CCD i posiadających możliwość szybkiego, precyzyjnego śledzenia obserwowanych obiektów. Dolna granica rozmiarów obserwowanych obiektów to 10 cm na orbitach LEO i 30-40 cm na orbicie GEO. Za pomocą teleskopów optycznych uzyskuje się pomiar kierunku do danego obiektu, czyli dwie topocentryczne współrzędne sferyczne: azymut i wysokość lub rektascenzję i deklinację na określony moment czasu.

Obserwacje satelitów i śmieci kosmicznych U.S. Space Surveillance Network and Two line NORAD Satellite Catalog

Obserwacje satelitów i śmieci kosmicznych The U.S. Space Surveillance Network is a global system of ground-based radars along with ground-based and orbital telescopes.

U.S. Space Surveillance Network Phased-array radars Can maintain tracks on multiple satellites simultaneously. Scan large areas of space in a fraction of a second. These radar's have no moving mechanical parts to limit the speed of the radar scan - the radar energy is steered electronically. The FPS-85 SSN radar

U.S. Space Surveillance Network Conventional radars Use immobile detection and tracking antennas. The detection antenna transmits radar energy into space in the shape of a large fan. When a satellite intersects the fan the energy is reflected back to the antenna, triggering the tracking antenna. C-Band apace-surveillance radar

U.S. Space Surveillance Network The Ground-Based Electro- Optical Deep Space Surveillance System (GEODSS) There are three operational GEODSS sites: 1. Socorro, New Mexico 2. AMOS, Maui, Hawaii 3. Diego Garcia, British Indian Ocean Territory Each site consists of three telescope sensors. The telescopes have a 40-inch (1.02 m) aperture and a two-degree field of view. GEODSS-Ground-based electro-optical deep space surveillance (photo : NASA)

U.S. Space Surveillance Network

Europejskie Konsorcjum SST Tworzony obecnie Europejski System SST będzie opierał się także głównie na obserwacjach radarowych i optycznych. Zgodnie z decyzją Parlamentu Europejskiego i Komisji Europejskiej 1 kraje europejskie tworzące Konsorcjum SST muszą dysponować własnymi sensorami radarowymi i/lub teleskopami optycznymi przeznaczonymi do obserwacji SST, spełniającymi odpowiednie kryteria jakościowe i wydajnościowe. Ponadto kraje należące do Konsorcjum posiadać zdolności do przetwarzania wykonywanych obserwacji i świadczenia usług SST.

Europejskie Konsorcjum SST Każdy kraj należący do Konsorcjum SST musi utworzyć swoje Centrum Operacyjne SST, które będzie wykonywało wszelkie działania związane z planowaniem, wykonywaniem i opracowaniem obserwacji SST, a także będzie świadczyło lokalne usługi w zakresie SST. Ponadto tworzone jest Europejskie Centrum Operacyjne SST, które będzie koordynowało działania krajowych centrów, jak również cały Europejski System SST oraz będzie świadczyło usługi SST na poziomie europejskim.

Europejskie Konsorcjum SST Kraje tworzące obecnie, w połowie roku 2016, Europejskie Konsorcjum SST: Niemcy, Francja, Wielka Brytania, Włochy i Hiszpania deklarują: - udział różnych sensorów radarowych i teleskopów optycznych, - a także zdolności operacyjne w zakresie opracowania obserwacji i świadczenia usług SST. Konsorcjum jest w fazie tworzenia i przygotowuje się do świadczenia pierwszych usług.

Polska w Europejskim Konsorcjum SST Polska intensywnie przygotowuje się do przystąpienia do Europejskiego Konsorcjum SST. Szerokie działania w tym zakresie są prowadzone przez zespół składający się z osób reprezentujących - Polską Agencję Kosmiczną, - Inspektorat Implementacji Innowacyjnych Technologii Obronnych MON - Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu - Centrum Astronomiczne PAN w Toruniu - Obserwatorium Astrogeodynamiczne Centrum Badań Kosmicznych w Borowcu. Koordynatorem tych działań jest pion wojskowy Polskiej Agencji Kosmicznej.

Polska w Europejskim Konsorcjum SST Działania Polskiej Agencji Kosmicznej POLSA Polskie sensory SST - radary obecnie brak - teleskopy optyczne PST1, PST2 UAM Poznań Solaris CAMK Toruń - dalmierz laserowy SST CBK Borowiec

Polska w Europejskim Konsorcjum SST Teleskopy optyczne PST1 Borowiec oraz PST2 Winer, Arizona USA

Teleskop PST2

Teleskop PST2 Robotic, fully automatic OA AMU telescope located in Arizona, USA Telescope: Planewave CDK700 primary mirror diameter: 0.7m field of view 0.8 deg. slewing speed 15 deg./s optical system: Corrected Dall-Kirkham, dual Nasmyth foci focal ratio: f/6.6 focuser and derotator at both foci mount: azimuthal fork mount, direct-drive, CCD camera: Andor ixon X3, back-illuminated EMCCD cooling: thermo-electric, up to -80 deg C without water assist effective readout noise: <0.1 electrons/pixel (EM mode) readout speeds: up to 10MHz (full frame)

Teleskop PST2 wyniki obserwacji Przykładowe obserwacje obiektów: a)fengyun-1c (29782) - LEO, b) Lageos-I (08820) MEO, b)c) Galaxy 12 (27715) - GEO, d) CXO (25867) - HEO

Teleskop PST2 wyniki obserwacji

Teleskop PST2 wyniki obserwacji Czerwiec 2016 obiekty LEO

Teleskop PST2 wyniki obserwacji Obiekt: POPACS1, rozmiary: kula o śr. 10 cm, odległość: 1450 km Prędkość śledzenia 900 /s., czas ekspozycji 0.05 s NORAD ID: 39268 Int'l Code: 2013-055D Perigee: 329.7 km Apogee: 1,291.0 km Inclination: 81.0 Period: 100.9 minutes Semi major axis: 7181 km RCS: Unknown Launch date: Sept. 29, 2013 Source: United States (US)

Usługi SST Dokładnie wyznaczone orbity obiektów satelitarnych oraz posiadane w Obserwatorium Astronomicznym UAM algorytmy i systemy programów komputerowych umożliwiają wykonanie usług SST określonych w decyzji KE: - predykcję trajektorii z bardzo dużą dokładnością, - dokładne przewidywanie przelotu satelity nad danym miejscem, - przewidywanie zbliżeń I ewentualnych kolizji obiektów satelitarnych, - przewidywanie momentów wejścia do atmosfery I ewentualnych - spadków na powierzchnię Ziemi, - inne zjawiska związane z ruchem orbitalnym sztucznych satelitów.

Wnioski Polska jest gotowa do wejścia do Europejskiego Konsorcjum SST: - dysponuje sensorami optycznymi spełniającymi warunki EU SST, - dysponuje narzędziami do wykonania usług SST. Teleskop PST2: - wykonuje obserwacje obiektów satelitarnych na najwyższym wymaganym poziomie dokładności. - w 25% czasu obserwacyjnego może być wykorzystany do celów SST Dla zadań MON oraz EU SST możliwa jest budowa w Polsce teleskopu (jednego lub kilku) spełniającego najwyższe wymagania SST: - średnica teleskopu głównego 0.7 1.0 m, precyzyjne śledzenie, szybka kamera CCD - teleskop pomocniczy, o większym polu widzenia o średnicy ok. 0.4 m, - projekt takiego teleskopu jest gotowy.