Naukowcy z Politechniki Warszawskiej, jako jedni z pierwszych na świecie, opracowali koncepcję obserwacji obiektów kosmicznych bez użycia specjalizowanych nadajników. Odkrycie pozwoli na szybkie i precyzyjne wyznaczenie pozycji stacji kosmicznych, satelitów, szybkich rakiet czy nawet zbioru śmieci znajdujących się poza ziemską atmosferą.
Polacy są cenionymi światowymi ekspertami w dziedzinie technik radarowych i przetwarzania sygnałów. Przodującym ośrodkiem w opracowaniu koncepcji naukowych i wdrażaniu nowych rozwiązań jest Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Unikatowe na skalę światową metody znajdują coraz to nowe zastosowania, ostatnio – w detekcji obiektów kosmicznych przy użyciu rozwiązań pasywnych.
Zespół kierowany przez prof. Konrada Jędrzejewskiego z Instytutu Systemów Elektronicznych WEiTI PW dokonał obserwacji lotu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej z wykorzystaniem polskich anten odbiorczych międzynarodowej sieci radioteleskopów astronomicznych LOFAR (LOw Frequency ARray) oraz prostych rozwiązań bazujących na ogólnodostępnych komercyjnych odbiornikach sygnałów radiowych. Precyzyjne wyniki jakie uzyskano we współpracy z naukowcami z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CBK PAN) pozwoliły na opracowanie nowych metod przeszukiwania przestrzeni kosmicznej, w tym w międzynarodowym systemie śledzenia pomiarów ruchu satelitów.
Detekcja bardzo słabych sygnałów odbitych od obiektów kosmicznych to dziś jedno z największych wyzwań w obszarze przetwarzania sygnałów radiolokacyjnych. Bardzo duże prędkości i gigantyczne odległości znacznie utrudniają estymację parametrów obiektów znajdujących się na orbicie – wyjaśnia prof. Konrad Jędrzejewski.
Jak dodaje, obecnie do śledzenia ruchu satelitów wykorzystuje się aktywne metody radiolokacyjne, które bazują na dedykowanych olbrzymich antenach, wykorzystując bardzo duże moce nadawanego sygnału. Wykorzystywane są również klasyczne pomiary z wykorzystaniem teleskopów oraz pomiary przy użyciu technik laserowych stosowane np. w Obserwatorium Astrogeodynamicznym CBK PAN w Borówcu pod Poznaniem.
Niestety, ze względu na ograniczenia technologiczne z takiego rozwiązania nie można korzystać w dzień. Wypracowane na naszym wydziale metody i algorytmy w zakresie radiolokacji pasywnej i przeprowadzone wstępne eksperymenty wskazują, że jako jedni z pierwszych na świecie, korzystając z technik pasywnej radiolokacji, jesteśmy w stanie skutecznie estymować położenie i prędkość kosmicznych obiektów bez względu na porę dnia czy panujące warunki atmosferyczne – mówi prof. Jędrzejewski.
Pierwsze obserwacje Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) z wykorzystaniem radioteleskopów wchodzących w skład międzynarodowej sieci LOFAR (ponad 50 stacji LOFAR w Europie, w tym 3 w Polsce, pracujących w zakresie niskich częstotliwości 10–250 MHz), przeprowadzono jeszcze w 2020 roku. Wykorzystując radioteleskop LOFAR znajdujący się w Birr Castle w Irlandii oraz nadajniki sygnału radia cyfrowego DAB+ w Irlandii, a także radioteleskop LOFAR w Borówcu pod Poznaniem (zarządzany przez CBK PAN), wyznaczono pozycje i prędkości Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przelatującej nad Europą. Kolejne obserwacje wykonano już z użyciem dwóch polskich radioteleskopów LOFAR znajdujących się w Borówcu i w Łazach pod Krakowem (drugi będący własnością Uniwersytetu Jagiellońskiego). W następnych eksperymentach, przeprowadzonych w grudniu 2021 roku, uproszczono infrastrukturę konieczną do prowadzenia takich obserwacji. Tym razem do pomiarów wykorzystano stację LOFAR w Borówcu oraz komercyjny odbiornik sygnałów radiowych typu USRP (Universal Software Radio Peripheral) z niewielką anteną za kilkadziesiąt złotych umieszczoną w Otwocku, która pełniła rolę odbiornika sygnału referencyjnego. Wykorzystywanym w ostatnich eksperymentach sygnałem oświetlającym Międzynarodową Stację Kosmiczną był sygnał nadajnika radia cyfrowego DAB+ zlokalizowanego na Pałacu Kultury i Nauki w Warszawie. Okazało się, że wykorzystując istniejący w Polsce radioteleskop LOFAR, stosowany na co dzień do celów astronomicznych, oraz prosty odbiornik sygnału referencyjnego, można zbudować pasywny system radiolokacyjny doskonale radzący sobie z obserwacją obiektów znajdujących się na niskich orbitach w przestrzeni kosmicznej widzianej z Polski.
Przełomowe odkrycie Polaków wkrótce może znaleźć także zastosowanie w wykrywaniu zagrożeń płynących z przestrzeni kosmicznej i powstających na orbitach okołoziemskich. Naukowcy WEiTI PW we współpracy z CBK PAN, wykorzystując opracowane metody i algorytmy, dokonali także obserwacji ruchu mniejszego satelity ENVISAT i planują obserwację jeszcze mniejszych obiektów. Rezultaty przeprowadzonych do tej pory eksperymentów wzbudziły już zainteresowanie Polskiej Agencji Kosmicznej, a także specjalistów od radiolokacji z całego świata. Opracowane rozwiązania i wybrane wyniki eksperymentów zostaną zaprezentowane na jednej z najważniejszych konferencji środowiska radiolokacyjnego IEEE Radar Conference 2022 (RadarConf’22), która odbędzie się pod koniec marca w Nowym Jorku.
Eksperci WEiTI PW opracowali również koncepcję nowego pola antenowego, zwiększającego możliwości obserwacyjne obiektów znajdujących się na niskich orbitach Ziemi, w stosunku do możliwości wynikających z właściwości pól antenowych stacji LOFAR. Przeprowadzone teoretyczne analizy w tym zakresie są podstawą złożonego do Narodowego Centrum Badań i Rozwoju wniosku na realizację projektu, w ramach którego mają powstać nowe pola antenowe – jedno przy lotnisku Politechniki Warszawskiej w Przasnyszu, a drugie w Obserwatorium Astrogeordynamicznym CBK PAN w Borówcu.
Zamierzamy opracować anteny i pola antenowe lepsze od stosowanych w sieci LOFAR w kontekście ich zastosowania do radarowej obserwacji obiektów znajdujących się na niskich orbitach. Być może za kilka lat będziemy w stanie dokładnie określać położenie i prędkość nawet bardzo małych obiektów kosmicznych przelatujących nad Europą. Może to być najbardziej efektywna ochrona przed coraz bardziej realnymi zagrożeniami związanymi z liczbą obiektów umieszczanych na orbicie oraz tzw. śmieciami kosmicznymi – dodaje prof. Konrad Jędrzejewski.
MK, źródło: PW