Polska światowym liderem w zakresie Space Surveillance and Tracking

Nowa specjalizacja polskiego sektora kosmicznego.

Autorem artykułu jest Pan Paweł Ziemnicki (Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego). Serdecznie dziękujemy!

Szereg krajowych podmiotów rozwinęło niezwykle wysokie kompetencje w dziedzinie nadzoru nad ruchem obiektów na orbitach okołoziemskich. I choć może nie mówi się o tym wystarczająco głośno poza „kosmiczną bańską informacyjną”, to jesteśmy kluczowym graczem w unijnym partnerstwie EU SST, a rodzime przedsiębiorstwa i instytucje dysponują zarówno zaawansowaną infrastrukturą obserwacyjną, jak i doświadczonymi kadrami. W miarę rosnącego uzależnienia współczesnych społeczeństw i gospodarek od pracy satelitów, nasze firmy mogą się jeszcze lepiej rozwinąć w tej materii.

W trzeciej dekadzie XXI wieku przestrzeń kosmiczna jest na równi z lądem, powierzchnią mórz i oceanów oraz przestrzenią powietrzną obszarem szerokiej działalności człowieka. Kosmos jest areną działalności gospodarczej, ale i domeną działań zbrojnych. Poszczególne kraje i korporacje umieszczają tam swoje kosztowne zasoby w postaci satelitów, realizujących działania w kwestii obserwacji Ziemi czy łączności. Wszystko to sprawia, że dziś potrzebujemy stale mieć oko na to, co dzieje się w przestrzeni otaczającej naszą planetę.

Tę potrzebę wyraźnie dostrzegła m.in. Unia Europejska. Stąd, w rozporządzeniu Parlamentu Europejskiego i Rady UE z kwietnia 2021 r. zdefiniowano pojęcie świadomości sytuacyjnej w przestrzeni kosmicznej (ang. Space Situational Awareness – SSA). W myśl definicji z art. 2 tego aktu SSA oznacza „holistyczne podejście do głównych zagrożeń kosmicznych, w tym kompleksową wiedzę na ich temat i zrozumienie takich zagrożeń, obejmujących kolizje (…), fragmentację (…), zdarzenia pogody kosmicznej i obiekty bliskie Ziemi”.

W myśl natomiast art. 3 ust. 1 wspomnianego rozporządzenia unijnego, „świadomość sytuacyjna w przestrzeni kosmicznej” lub „SSA”, obejmuje następujące podkomponenty:

• „podkomponent SST” – system obserwacji i śledzenia obiektów kosmicznych, mający na celu ulepszenie, użytkowanie i zapewnianie danych, informacji i usług związanych z obserwacją i śledzeniem obiektów kosmicznych orbitujących wokół Ziemi;
• „podkomponent SWE” – parametry obserwacyjne związane ze zdarzeniami pogody kosmicznej; oraz
• „podkomponent NEO” – monitorowanie ryzyka zbliżania się do obiektów bliskich Ziemi.

Jak widać na SSA składa się kilka elementów – w tym monitorowanie pogody kosmicznej czy potencjalnie zagrażających Ziemi blisko przelatujących obiektów naturalnych, takich jak np. planetoidy. Na potrzeby niniejszego tekstu skupimy się na komponencie dotyczącym obserwacji i śledzenia obiektów kosmicznych stworzonych przez człowieka (ang. Space Surveillance and Tracking – SST).

Znaczenie SST w dzisiejszym, opartym na satelitach świecie jest nie do przecenienia. Można to porównać do nieodzownej współcześnie precyzyjnej kontroli ruchu lotniczego. Mamy na niebie tysiące samolotów i nie możemy sobie pozwolić na to, żeby się zderzały. To samo dotyczy tysięcy satelitów krążących wokół Ziemi, szczególnie gęsto stłoczonych na niskiej orbicie okołoziemskiej (ang. Low Earth Orbit – LEO) – na wysokości do 2 tys. km nad powierzchnią planety.

Konieczność unikania za wszelką cenę kolizji satelitów jest szczególnie paląca z kilku powodów. Po pierwsze, na LEO obiekty poruszają się z ogromnymi prędkościami rzędu 7,5 km/s co oznacza, że mają znaczną energię kinetyczną. To może prowadzić do poważnych zniszczeń w przypadku zderzenia. Po drugie, kolizja pomiędzy dwoma satelitami nie eliminuje tylko tych dwóch jednostek. Powstały po takim zderzeniu kosmiczny gruz może uderzać w następne aktywne satelity. W pesymistycznym scenariuszu może wystąpić tzw. syndrom Kesslera – swoisty efekt kuli śniegowej, kiedy to odłamki powstałe w wyniku wcześniejszych kolizji niszczą kolejne i kolejne satelity, prowadząc ostatecznie do rozciągnięcia się na orbicie groźnej chmury śmieci, będącej nie do przebycia dla przyszłych statków kosmicznych.

Europejskie partnerstwo

Odpowiadając na pilne potrzeby w zakresie posiadania niezbędnej świadomości sytuacyjnej na temat tego, co się dzieje w przestrzeni kosmicznej, Wspólnota Europejska w 2015 r. powołała do życia European Union Space Surveillance and Tracking (EU SST), czyli Europejski System Nadzoru i Śledzenia Przestrzeni Kosmicznej. Obecnie bezpieczeństwo kosmiczne jest jednym z czterech filarów programu kosmicznego UE, obok satelitarnej obserwacji Ziemi (program Copernicus), telekomunikacji (program IRIS2) oraz nawigacji i pozycjonowania (program Galileo).

EU SST zrzesza obecnie piętnaście państw, a pod koniec tego roku ma ich być już dziewiętnaście. Partnerstwo działa operacyjnie od 2016 roku. Świadczy ono na rzecz Komisji Europejskiej usługi informacyjne pod kątem realizacji trzech typów zadań:

1. Unikanie kolizji (ang. Collision Avoidance – CA): ocenia ryzyko kolizji między satelitami lub między satelitami a śmieciami kosmicznymi i generuje ostrzeżenia dotyczące unikania kolizji.
2. Analiza ponownego wejścia w atmosferę (ang. Re-entry Analysis – RE): ocenia ryzyko niekontrolowanego ponownego wejścia obiektów kosmicznych w atmosferę ziemską i generuje powiązane informacje.
3. Analiza fragmentacji (ang. Fragmentation Analysis – FG): wykrywa i charakteryzuje fragmentacje, rozpad lub kolizje na orbicie oraz analizuje wszystkie dostępne informacje dotyczące obiektów uczestniczących w zdarzeniu.

W przygotowaniu jest jeszcze czwarty serwis – trwa budowa europejskiego katalogu obiektów kosmicznych, które będzie publicznie dostępny. W realizacji swoich zadań EU SST korzysta z czujników, takich jak radary, lasery i teleskopy – naziemne lub w przestrzeni kosmicznej, które mogą prowadzić obserwację lub śledzenie obiektów kosmicznych i mierzyć położenie i prędkość obiektów kosmicznych. Obecnie z usług partnerstwa korzysta ponad 300 organizacji, a ponad 600 satelitów jest chronionych przed ryzykiem kolizji.

Polska jest w organizacji reprezentowana przez Polską Agencję Kosmiczną (POLSA) i należy do EU SST od 2018 r. Nasz kraj od samego początku jest ważnym członkiem partnerstwa, wnosząc liczne i wykwalifikowane w obserwacjach astronomicznych kadry oraz bogatą infrastrukturę. Polska Agencja Kosmiczna ma w różnych miejscach własne sensory obserwacyjne, należące do Skarbu Państwa. Dwadzieścia autonomicznych teleskopów kosmicznych rozmieszczonych w różnych lokalizacjach tworzy sieć POLON (POLSA Optical Network). Są one wyposażone w ruchome głowice i mogą być kierowane na dowolne obszary nieba. Te instrumenty znajdują się w RPA, Australii, Chile oraz USA. Sieć czujników należących do POLSA uzupełniają 72 sensory tworzące tzw. system Optical Fence. Chodzi o nieruchome teleskopy skierowane stale na ten sam obszar nieba. Kiedy trzy oddalone od siebie obserwatoria tego systemu zarejestrują ten sam obiekt, patrząc nań z różnych lokalizacji, możliwe jest wyliczenie jego położenia na orbicie. Urządzenia Optical Fence znajdują się przykładowo w afrykańskiej Namibii, w Grecji, a w Polsce w Truszczynach i w Bezmiechowej.

Do 2024 r. Polska była w ramach SST odpowiedzialna głównie za nadzór nad rozwijaniem sieci obserwatoriów. Teraz jesteśmy przede wszystkim dostawcą danych obserwacyjnych, pochodzących nie tylko z infrastruktury POLSA, ale także od innych instytucji – jak np. od Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu. Przez lata nasz kraj był liderem partnerstwa, jeśli chodzi o liczbę aktywnych teleskopów, zaangażowanych specjalistów czy ilość dostarczanych danych. To się zmienia. Konkurencja rośnie. Z polskimi dostawcami danych konkurują dziś potężne światowe firmy, takie jak choćby Deimos z Hiszpanii, czy znana z produkcji europejskich rakiet francuska ArianeGroup. Tym niemniej, należy stanowczo podkreślić, że liczne rodzime podmioty – założone przez Polaków i pozostające w polskich rękach – są wciąż liderami w dziedzinie Space Surveillance and Tracking na skalę międzynarodową. Nasz szeroki udział w EU SST i wysoka wartość dostarczanych danych budują renomę podmiotów z kraju nad Wisłą.

Narodowi liderzy

Co dokładnie robią firmy lub instytucje zaangażowane w EU SST? Otóż, zatrudnieni w nich specjaliści, wykorzystując dedykowaną aparaturę obserwacyjną, robią zdjęcia m. in. podlegającym nadzorowi europejskim satelitom. Dzięki zdjęciom wyliczają dokładnie pozycje tych satelitów w konkretnych momentach. Na podstawie kilkunastu do kilkudziesięciu pomiarów pozycji danego satelity analitycy z partnerstwa EU SST precyzyjnie wyznaczają orbitę danego satelity. Dzięki temu wiedzą, czy urządzeniu zagraża kolizja z innym obiektem na orbicie.

Niezwykle doświadczonym i zaangażowanym w SST polskim podmiotem jest bydgoska firma Sybilla Technologies, założona w 2011 r. Spółka specjalizuje się w optycznej obserwacji obiektów krążących wokół Ziemi oraz w tworzeniu zaawansowanych systemów obserwacyjnych i oprogramowania do planowania obserwacji, automatyzacji pracy sensorów, analizy danych oraz świadczenia usług dla operatorów satelitarnych czy instytucji publicznych. Posiada 37 własnych sensorów, rozmieszczonych na sześciu kontynentach. Wśród klientów Sybilli jest partnerstwo EU SST, do którego firma dostarcza dane operacyjne od 2024 r., czy też operatorzy satelitów, którym firma oferuje wsparcie podczas fazy startu i wczesnych operacji orbitalnych czy usługi charakteryzacji (np. rozpoznanie orientacji satelity w przestrzeni, jego budowy). Firma była kluczowym dostawcą zarówno sprzętu jak i kompletnego oprogramowania do zarządzania i automatyzacji pracy sieci obserwatoriów POLON dla Polskiej Agencji Kosmicznej.

– Jesteśmy ekspertami zarówno w obserwacjach obiektów na orbicie geostacjonarnej (GEO), jak i – co szczególnie istotne – na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), gdzie ruch obiektów jest bardzo szybki, a przestrzeń robi się coraz bardziej zatłoczona. Nasze technologie pozwalają skutecznie monitorować ten trudny obszar, co daje nam realną przewagę nad konkurencją i pozycję lidera na rynku. Nasze usługi są już dostępne komercyjnie i dostępne dla agencji rządowych, dostawców usług czy operatorów satelitarnych – tłumaczy dr Agnieszka Sybilska, dyrektor komercyjny Sybilla Technologies.

Drugim obok Sybilli podmiotem, który miał swój znaczny udział w budowie sieci POLON, była firma Cilium Engineering z Torunia. Firma jest też zaangażowana w projekt Optical Fence. Przedsiębiorstwo skupia się na produkcji sprzętu, ale też dostarcza dane.

– System Optical Fence to nasz pomysł, nasze dzieło. To jedyny taki system na świecie, który potrafi obserwować satelity na niskiej orbicie i wyznaczać ich pozycje w układzie trójwymiarowym jako pomiar bezpośredni, wykorzystując triangulację – mówi dr Stanisław Kozłowski, prezes Cilium Engineering.

Spółka posiada cztery własne sensory – w tym dwa teleskopy śledzące i dwa sensory triangulacyjne, takie jak te tworzące wspomniany już Optical Fence. „W miarę pojawiania się polskich zasobów w kosmosie sieci naziemne na rzecz SST będą odgrywały coraz ważniejszą rolę, a tych kompetencji nie buduje się z dnia na dzień” – wyjaśnia Kozłowski.

Ważnym polskim dostawcą danych dla EU SST jest krakowska spółka 6ROADS. Posiada ona ponad 20 teleskopów, rozmieszczonych w kilkunastu lokalizacjach na sześciu kontynentach. Sensory tego przedsiębiorstwa mogą spoglądać na niską i średnią orbitę okołoziemską, a także na orbitę geostacjonarną wokół całego ziemskiego globu. Dane od 6ROADS kupuje też Polska Agencja Kosmiczna na potrzeby własnego centrum przetwarzania danych.

Właścicielami spółki 6ROADS są jej założyciele – Marcin Gędek oraz Michał Żołnowski. Co ciekawe, dla obu z nich prowadzenie przedsiębiorstwa jest nie jedyną działalnością. Marcin Gędek realizuje się w biznesie, a Michał Żołnowski jest z wykształcenia lekarzem. Firma 6ROADS nie skupia się jedynie na obserwacji satelitów i śmieci kosmicznych, lecz bada także planetoidy bliskie Ziemi (ang. Near-Earth Object – NEO) lub wręcz te potencjalnie zagrażające naszej planecie zderzeniem (ang. Potentially Hazardous Object – PHO). Michał Żołnowski jest członkiem komitetu sterującego działającej przy ONZ organizacji IAWN – International Asteroid Warning Network, zrzeszającej kilkadziesiąt dużych obserwatoriów na całym świecie. Jej członkowie wykonują pracę, której kulisy doskonale pokazał film “Nie patrz w górę” i to właśnie oni będą ostrzegać światowe rządy, jeśli duży naturalny obiekt kosmiczny faktycznie znajdzie się na kursie kolizyjnym z naszą błękitną planetą.

Żołnowski jest ponadto odkrywcą lub współodkrywcą kilkudziesięciu planetoid (wiele z nich odkrył wspólnie z Michałem Kusiakiem). Polscy odkrywcy mieli prawo nadać nazwy odkrytym przez siebie nowym ciałom niebieskim i to właśnie za ich sprawą mamy dziś w Układzie Słonecznym takie planetoidy jak przykładowo: (495253) Hanszimmer, (555468) Tokarczuk, (560354) Chrisnolan czy (601916) Sting.

Kolejnym graczem zaangażowanym w tę tematykę jest notowana na warszawskim parkiecie firma Creotech Instruments z podwarszawskiego Piaseczna. “Creotech Instruments rozwija ekosystem do obserwacji i charakterystyki obiektów na orbitach – od zaawansowanych instrumentów optycznych dla stacji naziemnych po przygotowania do misji satelitarnej Europejskiej Agencji Kosmicznej. Celem tych działań jest zwiększenie bezpieczeństwa operacji na niskiej (LEO) i geostacjonarnej (GEO) orbicie oraz komplementarność z inicjatywami ESA w programie Space Safety i działaniami EU SST – wyjaśnia dr Gordon Wasilewski, Business Development Manager w Creotech Instruments S.A.

CreoSky 6000 to opracowana przez Creotech specjalistyczna kamera astronomiczna do zastosowań SST, zaprojektowana z myślą o detekcji bardzo słabo świecących, szybko poruszających się obiektów. W sierpniu przedsiębiorstwo ogłosiło pierwszy zagraniczny kontrakt na dostawę systemu CreoSky 6000 dla Obserwatorium i Planetarium Astronomicznego w Teplicach (Czechy). Równolegle Spółka realizuje także, we współpracy z Sybilla Technologies, studium wykonalności małego satelity z teleskopem optycznym do monitorowania śmieci kosmicznych, który miałby polecieć w roku 2029. To ostatnie działanie wpisuje się w światowy trend, oznaczający śledzenie satelitów i śmieci kosmicznych nie tylko z powierzchni Ziemi, ale również z użyciem sensorów rozmieszczanych na dedykowanych temu właśnie zadaniu satelitach na orbicie.

Innym podmiotem posiadającym wysokie kompetencje w zakresie SST jest Obserwatorium Astrogeodynamiczne Centrum Badań Kosmicznych PAN w Borówcu. Jest ono wyposażone w laser umożliwiający precyzyjny pomiar odległości do satelitów lub śmieci kosmicznych – mierzy się czas, jaki impuls laserowy potrzebuje na dotarcie do satelity i powrót do stacji. To z kolei pozwala niezwykle precyzyjnie określić położenie badanego obiektu.

Na ten moment stacja laserowa w Borówcu od czasu do czasu wykonuje powierzone zadania na rzecz EU SST, ale nie jest stałym dostawcą danych dla tego partnerstwa. „My, jako przedstawiciele technologii laserowej, jesteśmy obecnie w fazie testów, które mają zweryfikować naszą użyteczność dla EU SST. Projekt, który realizujemy w konsorcjum z niemiecką firmą prywatną, ma dać odpowiedź czy europejskie partnerstwo będzie wykorzystywać lasery w bieżących działaniach dotyczących SSA, jeśli chodzi o monitoring krążących wokół Ziemi satelitów i śmieci kosmicznych” – tłumaczy dr Paweł Lejba, kierownik Obserwatorium Astrogeodynamicznego.

Laser, z którego obserwatorium dotąd korzystało, mógł strzelać do obiektów na niskiej orbicie okołoziemskiej – np. europejskich satelitów obserwacyjnych Sentinel, najdalej zaś do obecnych na średniej orbicie europejskich satelitów nawigacyjnych Galileo, które krążą ok. 23 220 km nad Ziemią. Nowy instrument, który udało się sfinansować z grantu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, i który lada chwila będzie gotowy do działań operacyjnych, będzie mógł mierzyć odległość do satelitów na orbicie geostacjonarnej (blisko 36 tys. km nad Ziemią).

Jak tłumaczy dr Lejba pomiary laserowe mają swoje istotne przewagi nad teleskopami optycznymi. Pozwalają mierzyć odległość do obiektów niewidocznych – np. w cieniu Ziemi, jak również pozwalają na pomiary w dzień. Nie można natomiast wykonywać ich przy złej pogodzie. Problem w przypadku konieczności obserwacji w skali globalnej stanowi również fakt, że europejskie stacje laserowe rozmieszczone są jedynie na Starym Kontynencie, nie zapewniając pełnego pokrycia nieba wokół Ziemi.

W miarę postępującego wzrostu liczby satelitów okrążających ziemski glob aktywność w dziedzinie SST i związane z nią kompetencje będą coraz bardziej zyskiwać na znaczeniu. Nadzór nad poruszaniem się kosmicznych śmieci oraz bezpiecznym mijaniem się aktywnych satelitów jest bardzo istotny. Dzięki satelitom możemy bowiem codziennie korzystać z serwisów takich jak nawigacja z użyciem GPS, sygnał czasu dla transakcji bankowych, telewizja satelitarna czy zobrazowania tego, co dzieje się wzdłuż granic naszego kraju. Dlatego jest tak istotne, ażeby urządzenia rozmieszczone na różnych orbitach okołoziemskich w miarę możliwości unikały kolizji.

Rodzime podmioty wypracowały sobie światową renomę w dziedzinie Space Surveillance and Tracking. Jej utrzymanie oraz wzmocnienie pozycji naszych firm i instytucji będzie zależeć nie tylko od sukcesów przemysłu, ale także od decydentów, którzy kształtują w Polsce politykę kosmiczną.

(PZ)