Międzynarodowa Stacja Kosmiczna widziana z Pałacu Kultury i Nauki

Nasi naukowcy, 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 Politechnika Warszawska, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych. 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 (ISS) 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 – „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”.

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+ znajdujące się w Irlandii, a także radioteleskop LOFAR znajdujący się w Borówcu pod Poznaniem (zarządzany przez CBK PAN), wyznaczono pozycje i prędkości Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) przelatującej nad Europą. Kolejne obserwacje wykonano już przy wykorzystaniu 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 (ISS) 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.

Nasze przełomowe odkrycie wkrótce może znaleźć także zastosowanie w wykrywaniu zagrożeń płynących z przestrzeni kosmicznej i powstających na orbitach okołoziemskich. Nasi naukowcy 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. Między innymi opracowane rozwiązania i wybrane wyniki eksperymentów zostaną zaprezentowane na jednej z najważniejszych konferencji środowiska radiolokacyjnego IEEE Radar Conference 2022 (RadarConf’22), która odbędzie się w dniach 21-25 Marca 2022 r w Nowym Jorku.

Nasi eksperci 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.

„Aby móc kontynuować nasze badania planujemy wybudowanie pola antenowego na lotnisku Politechniki Warszawskiej w Przasnyszu, a także pola antenowego w Obserwatorium Astrogeodynamicznym Centrum Badań Kosmicznych PAN w Borówcu, które będą unikatowe w skali światowej. 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. Mamy nadzieję, że otrzymamy odpowiednie finansowanie na realizację naszych zamierzeń, które sprawi, że badania w tym obszarze będziemy mogli dalej rozwijać” – dodaje prof. Konrad Jędrzejewski – „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”.