Amator zbudował teleskop, który co noc namierza 80 satelitów

Niewielki teleskop o szerokości zaledwie 3,7 metra, podzespoły kupione na rynku komercyjnym i samodzielnie napisany program sterujący - to wystarczyło, by Allen Schnibben z Sandia National Laboratories zbudował system zdolny śledzić w ciągu jednej pogodnej nocy nawet 80 satelitów. Co istotne, naukowiec nie musi czuwać przy instrumencie - zadanie wykonuje się według wcześniej ustalonego harmonogramu, a wyniki czekają na niego rano w postaci gotowych zdjęć i danych przydatnych do wychwytywania nietypowego zachowania satelitów oraz prognozowania groźnych zbliżeń na orbicie.

80 satelitów w ciągu jednej nocy

Instalacja nosi nazwę SOHBRIT i działa w ramach Sandia National Laboratories w Stanach Zjednoczonych. To nie jest kolejne monumentalne obserwatorium z olbrzymimi zwierciadłami czy sztabem astronomów pracujących na zmiany przez całą noc. Projekt stworzył Allen Schnibben - specjalista od informatyki, którego fascynacja astronomią zaczęła się jeszcze w dzieciństwie. Dziś swoje kompetencje programistyczne przekłada na obserwację obiektów dużo bliższych niż odległe galaktyki - zamiast gwiazd interesują go sztuczne satelity okrążające Ziemię.

Konstrukcja ma około 3,7 metra szerokości i powstała z elementów dostępnych w sprzedaży. Schnibben nie musiał projektować każdego podzespołu od zera - postawił na zestawienie gotowych rozwiązań technicznych i napisanie oprogramowania, które nimi zarządza.

Zanim zapadnie noc, naukowiec układa plan działań, a dalszą pracę - rejestrowanie kolejnych ujęć - system wykonuje już samodzielnie. Dzięki temu Schnibben nie musi non stop pilnować teleskopu ani ręcznie uruchamiać każdej ekspozycji. W trakcie jednej bezchmurnej nocy SOHBRIT jest w stanie uchwycić około 80 satelitów. Zgromadzony materiał trafia potem do specjalistów zajmujących się jego dalszą analizą.

Na orbicie robi się ciasno. Ktoś musi pilnować ruchu

Można zapytać, dlaczego skromne obserwatorium miałoby wzbudzać zainteresowanie amerykańskiego laboratorium zaangażowanego także w kwestie bezpieczeństwa narodowego. Odpowiedzi trzeba szukać kilkaset kilometrów nad powierzchnią Ziemi.

Orbita okołoziemska robi się z roku na rok bardziej zatłoczona. Z danych przywoływanych przez badaczy wynika, że już w 2024 roku krążyło wokół naszej planety ponad 45 tysięcy obiektów wytworzonych przez człowieka. To nie są wyłącznie sprawne satelity - w tej liczbie mieszczą się także urządzenia wyłączone z użytku, pozostałości rakiet nośnych i resztki dawnych misji.

Problem pogłębia rosnąca popularność wielkich konstelacji satelitarnych. Operatorzy coraz częściej rezygnują z wynoszenia pojedynczych, dużych maszyn na rzecz tysięcy mniejszych jednostek tworzących wspólnie sieci łączności lub obserwacji Ziemi.

We wrześniu informowaliśmy, że na orbitę trafia już średnio około 10 nowych satelitów każdego dnia, podczas gdy ponad 3 większe obiekty dziennie spadają z powrotem w ziemską atmosferę. Przy takim natężeniu ruchu niezbędne jest ciągłe aktualizowanie wiedzy o pozycji i kondycji obiektów krążących wokół planety.

Najpoważniejszym ryzykiem pozostają zderzenia. Obiekty na niskiej orbicie osiągają prędkości rzędu dziesiątek tysięcy kilometrów na godzinę, więc nawet kolizja niewielkich konstrukcji może je zniszczyć i wygenerować chmurę groźnych odłamków.

Wcześniejsze analizy wykazały zresztą, że przy bardzo dużych konstelacjach istnieje punkt krytyczny, po przekroczeniu którego przybywanie szczątków może wyprzedzić naturalne tempo oczyszczania się środowiska orbitalnego. Dlatego samo zwiększanie liczby wystrzeliwanych satelitów to za mało - konieczna jest też bieżąca wiedza o lokalizacji pozostałych obiektów.

Zamiast obserwatora przy teleskopie pracuje oprogramowanie

Sednem projektu SOHBRIT jest w gruncie rzeczy automatyzacja procesu obserwacji. Nie oznacza to jednak, że komputer samodzielnie wybiera cele - to naukowiec wcześniej ustala zakres zadań, które aparatura realizuje później bez potrzeby ciągłej ingerencji człowieka.

Takie rozwiązanie umożliwia korzystanie z teleskopu nawet wtedy, gdy jego twórca zajmuje się innymi sprawami. Ustalenie planu pracy, odpalenie sekwencji obserwacji i późniejsze odebranie wyników zastępuje wielogodzinne, ręczne operowanie sprzętem.

Istotna jest tu też wielokrotność pomiarów. Pojedyncza fotografia satelity ukazuje jego pozycję w konkretnym momencie, natomiast seria zdjęć wykonanych w różnym czasie daje dużo więcej informacji i umożliwia śledzenie zmian w widocznym położeniu obiektu.

Zgromadzone przez SOHBRIT dane mają być wykorzystywane głównie na potrzeby eksperymentów prowadzonych w ramach programu kosmicznego Sandia. Badacze mogą dzięki nim testować algorytmy wykrywające obiekty na zdjęciach, oceniać metody przetwarzania obrazów oraz rozwijać modele uczenia maszynowego.

To więc nie jest gotowy system, który sam ogłasza alarm przed każdym możliwym zderzeniem. Obserwatorium pełni funkcję jednego ze źródeł danych, na podstawie których można budować i sprawdzać narzędzia służące skuteczniejszemu monitorowaniu ruchu na orbicie.

Zdjęcie satelity może zdradzić znacznie więcej niż jego położenie

Zdjęcia wykonywane przez naziemne obserwatoria wcale nie muszą pokazywać satelity jako rozpoznawalnej maszyny z antenami i panelami słonecznymi. Najczęściej widać jedynie drobny punkt światła albo smugę zostawioną przez poruszający się obiekt.

To jednak zupełnie wystarcza, by zacząć analizować jego zachowanie. Odpowiednie algorytmy potrafią na podstawie pomiarów położenia i jasności wydobyć informacje niewidoczne gołym okiem na samej fotografii.

Opisywaliśmy już system sztucznej inteligencji, który bada zmiany jasności satelitów i jest w stanie wychwycić nietypowe zachowania, na przykład niekontrolowane obracanie się obiektu. W takiej sytuacji komputer nie musi rozpoznawać szczegółów konstrukcji - uczy się charakterystycznych wzorców zmian odbitego światła, a potem porównuje z nimi nowe dane.

SOHBRIT dokłada do tej układanki inny, ale ściśle z nią powiązany element. Automatyzuje zbieranie materiału obserwacyjnego, który w przyszłości może posłużyć do rozwijania podobnych metod analizy.