Космическая ситуационная осведомлённость - Управление безопасности космических полётов

Технический перевод статьи журнала ROOM, №1 июль 2014

Полковник Джон У. Вагнер (Col. John W. Wagner), директор, руководитель Объединённого центра управления космическими полётами, 614-й Центр управления воздушно-космическими операциями

После этого события наше восприятие планеты Земля и понимание нашего места во Вселенной резко изменились. Этот технологический успех положил начало конкуренции и сотрудничеству сначала в военной, затем в гражданской и коммерческой сферах, которые продолжаются и по сей день.

Возрастающее влияние информации, получаемой посредством космического пространства, заставило нас иначе взглянуть на внешний мир, более основательно изучить нашу Солнечную систему и место, которое мы занимаем во Вселенной; другими глазами взглянуть внутрь себя, и после мы были просто обязаны расширить свои познания о Земле, которые изменили нашу жизнь и открыли дорогу глобализации.  

Корпорации, национальные правительства, международные агентства и простые граждане постепенно привыкли полагаться на космические летательные аппараты (КЛА), которые предоставляют услуги связи, навигации и временных привязок, видеоинформации и дистанционного зондирования информационных ресурсов для осуществления повседневной деятельности. Космические транспортные программы уже вошли в нашу жизнь. Космическое пространство более не является прерогативой непрекращающейся борьбы сверхдержав: оно эволюционировало и превратилось в область совместной деятельности, приносящей пользу всему человечеству.

Современные условия орбитального полёта

Рост нашей зависимости от использования космических объектов требует более тщательного изучения связанных с этим факторов уязвимости космической среды, околоземной орбиты, становящейся всё более перегруженной.

После первого выхода на орбиту космического летательного аппарата в 1957 году тысячи КЛА, сопровождающие их транспортные системы (отработанные ступени ракет) и прочий связанный с их эксплуатацией мусор, вошли в космическое пространство. Хотя многие из этих объектов либо сошли с околоземной орбиты, либо вернулись в земную атмосферу и распались, в настоящее время отслеживаются почти 23 000 объектов, которые всё ещё остаются на орбите. Они включают в себя и Vanguard 1, старейший объект на околоземной орбите, и 1 150 действующих, и великое множество использованных космических кораблей, и другой орбитальный мусор размером от каких-то фрагментов до 25-ти метровых ступеней ракет на высоте 100 – 120 000 км и более от земной поверхности.

Учитывая значительное снижение сопротивления атмосферы на более высоких околоземных орбитах, многие объекты будут оставаться в космосе в течение многих десятилетий, а на геостационарной орбите (ГСО) объекты могут оставаться в космосе в течение сотен лет и более.

Объединённый центр управления космическими полётами (JSpOC), расположенный на авиабазе Ванденберг (Калифорния) активно отслеживает все объекты размером с «софтбол» (десять сантиметров и более), находящиеся на орбите, используя сеть станций наблюдения за космическим пространством (SSN) в США в качестве основного средства системы обнаружения.

SSN состоит из наземных радаров, оптических систем и нескольких космических зондов, таких как система бортового контроля космического пространства (SBSS) США и канадская космическая станция Sapphire. Из 23 000 отслеживаемых объектов 7 500 считаются очень маленькими, их сопровождает чрезвычайно ограниченное число датчиков. Снижение параметров этих датчиков может оказать существенное влияние на наши возможности слежения и, что более важно, обеспечение безопасности полётов стратегически важных пилотируемых и беспилотных космических аппаратов. Объект, размером с маленький шарик (один сантиметр), обладает потенциалом, способным вывести из строя космический корабль.

В настоящее время мы не отслеживаем такие мелкие предметы и лишь в редких случаях ведём непрерывное наблюдение за объектами от одного до десяти сантиметров. На низкой околоземной орбите (НОО) мы насчитываем приблизительно от 300 000 до 560 000 таких предметов. Мы ожидаем, что при усовершенствовании наших датчиков и вычислительных систем мы будем в состоянии выявлять и отслеживать тысячи и более таких этих объектов.

До 2007 года количество отслеживаемых объектов на орбите Земли предсказуемо увеличивалось. Однако произошедшие затем три инцидента полностью изменили ситуацию. В 2007 году Китай провёл противоспутниковые испытания своего космического корабля, известного как «Фэн Юнь 1С». Два года спустя произошло столкновение двух космических аппаратов, известных как Iridium 33 и «Космос 2251». И в 2012 году взорвалась верхняя ступень российской ракеты «БРИЗ-М».

Все эти три события стали для нас поворотным моментом. Они почти в два раза увеличили количество объектов на орбите, включённых в реестр, резко подняли шансы на сближение орбитальных объектов или «стыков» друг с другом, что нам удалось установить. Мы почти каждый день продолжаем находить и отслеживать и другой мусор, образовавшийся в результате тех трёх эпизодов.

В ответ на растущую угрозу команда Объединённого центра управления космическими полётами (JSpOC) выступила с инициативой непрерывного оповещения владельцев / операторов космических аппаратов по всему миру и предоставления информации, на основе которой они могут выработать решения по маневрированию своих КЛА для уклонения от столкновений.

В течение 72 часов до момента максимального сближения мы предупреждаем о пересечениях на расстоянии до пяти километров на ГСО или на расстоянии менее одного километра на НОО. В настоящее время, по статистике, вероятность столкновения изо дня в день составляет 1x10 -6 (один на миллион), а 70 процентов обнаруженных пересечений можно отнести на счёт продуктов любого из тех трёх инцидентов.

Для решения проблем безопасности космического пространства мы собираем данные тысяч наблюдений каждые 24 часа, чтобы сгенерировать в среднем 30 ежедневных оповещений, предупреждающих о столкновении, которые мы предоставляем владельцам и операторам космических аппаратов по всему миру.

Мы стремимся к максимальной точности, используя информацию с датчиков в сочетании с данными о положении космических объектов, известными как эфемериды, предоставленными владельцами / операторами. Затем мы используем передовую методику вычисления и астродинамического моделирования для обновления реестра опекаемых объектов для обеспечения точности наших оповещений. Это особенно важно.

Наша информация может в значительной мере повлиять на решение владельца / оператора о манёвре, чтобы увести свой космический корабль от греха подальше. Мы знаем, что космический аппарат не может дозаправляться и такое решение сопоставимо со сроком эксплуатации космического аппарата в обмен на самосохранение.

Учитывая, что скорость на НОО достигает 17 500 миль/час, а это более чем в десять раз превышает скорость пули, столкновение любого космического аппарата даже с самыми маленькими объектами могут быть катастрофическими и привести к дальнейшему накоплению космического мусора. Таковы предпосылки для современного управления движением космических летательных аппаратов. Этот процесс является критически важным для обеспечения безопасности космических операций США, но мы также предлагаем эти данные всем для свободного пользования (www.spacetrack.org).

Распространение малых космических летательных аппаратов

Сегодня можно отметить рост потребностей в небольших и недорогих космических объектах. Количество таких систем и их размер открывает новые возможности для учёных, студентов, новаторов, предпринимателей и прочих, кто надеется получить недорогой доступ в космическое пространство.

В то же время такая ситуация порождает ряд связанных с этим проблем и создаёт повышенный риск для проведения работ в космическом пространстве. Если подобные объекты не развернуть на орбите соответствующим образом, их будет чрезвычайно трудно своевременно опознать, и это может поставить под угрозу пребывание других объектов на орбите. Распространение CubeSats – малых спутников в виде куба, разработанных студентами университета Монтаны (обычно десятисантиметровые кубики) – и связанных с ними технологий обострили характерные проблемы отслеживания.

В ноябре 2013 года ракета-носитель США «Минотавр I» вывела на орбиту 28 космических летательных аппаратов – на тот момент наибольшее количество объектов, находящихся на борту одиночной ракеты-носителя в составе первичного космического корабля и 27 CubeSats.

В данном случае к проблемам отслеживания и увеличения орбитальных рисков добавились проблемы политические и аналитические, касающиеся принятой методики оповещения владельцев / операторов. Запуск CubeSat предполагает участие нескольких владельцев и операторов, в том числе правительства США, образовательных и коммерческих организаций – все в той или иной степени находятся в зависимости от деятельности JSpOC по отслеживанию и анализу данных для успеха миссии.

Всего лишь через 30 часов после запуска «Минотавра» русская ракета-носитель «Днепр» установила новый рекорд, выведя на орбиту 32 малых объекта. Эта миссия подряжалась для студентов, корпораций и государственных учреждений из 18 стран. Эти два запуска в течение недели вывели на околоземную орбиту больше космических аппаратов, чем за весь 2012 год. Они также продемонстрировали, что мы живём уже не в ту эпоху, когда можно ожидать запуска одного объекта на борту одной ракеты-носителя.

Более того, за последние шесть месяцев было запущено больше сборных объектов, чем в целом за последние 50 лет. И это не просто запуски, которые требуют нашего внимания (последнее рекордное развёртывание CubeSat-33 объекта от Международной космической станции (МКС) в феврале 2014 года). Технология CubeSat увеличивает количество объектов на орбите, соответственно увеличивая орбитальные риски.

Принимая во внимание такое увеличение количества объектов CubeSat и проблемы объектов с различными видами полезной нагрузки, специалисты JSpOC разработали некоторые «нормы ответственности» для обеспечения оптимального развёртывания и эксплуатации космических летательных аппаратов. Они представляют собой обращение к владельцам / операторам космических летательных аппаратов с просьбой:

–          предоставить в JSpOC заблаговременно до запуска свои технические требования, орбитальные режимы и порядок развёртывания; проводить предстартовый / орбитальный скрининг;

–          содействовать в обеспечении безопасности объектов, предназначенных для полёта человека в космос (HSF), таких как МКС, и капсулы с системой жизнеобеспечения, запущенные с людьми на борту для обслуживания и ремонта корабля;

–          установить идентификационные маркеры – механические или на основе сигналов – для каждого объекта, предназначенного для многопользовательского запуска многочисленных объектов;

–          предоставить JSpOC данные слежения или нахождения / эфемериды;

–          как можно дольше максимизировать срок службы космических аппаратов и сделать его пропорциональным продолжительности нахождения на орбите;

–          сделать предварительный анализ, каким образом объекты смогут повторно войти в атмосферу и выйти из космического пространства.

Как уже упоминалось выше, мы уделяем особое внимание всем объектам с человеком на борту (HSF), находящимся на орбите. Мы вычисляем и устанавливаем любые потенциальные пересечения вокруг пилотируемых объектов и тесно взаимодействуем с НАСА для заблаговременного выявления любой потенциальной угрозы для МКС.

С расширением средств управления задачами измерительной аппаратуры станет возможным точнее отслеживать мусор, ускорить прохождение предупреждающих сигналов и снизить риски столкновения. На сегодняшний день МКС выполнила 18 манёвров уклонения на основе данных скрининга JSpOC по предупреждению образования космического мусора.

Самые добрые отзывы мы поучили от астронавтов, которые лично наблюдали объекты, проходящие мимо станции по траектории, совпадающей с линией наблюдения, которую мы предоставили. Быстро развивающаяся космическая транспортная отрасль нуждается в точном прогнозировании рисков встречи с космическим мусором для обеспечения безопасных полётов.

Расширение партнёрских отношений и решение проблем «с открытым забралом»

Мы извлекаем выгоду из утверждённых Объединённым стратегическим командованием ВС США космических ситуационных соглашений о совместном использовании данных, в которые мы вступили с 41 коммерческой организацией, двумя межправительственными организациями и пятью странами (Франция, Италия, Япония, Австралия и Канада) для более активного обмена информацией. Эти соглашения создают условия для пользования такими продуктами, как содействие при уничтожении / завершении срока эксплуатации, предотвращение аварийных ситуаций при запуске, анализ пересечений, поддержание и нормализация электромагнитных помех, нормализация отклонений.

В дополнение к этим продуктам мы помогаем в создании динамичной структуры для формирования чётких представлений о выстраивании взаимно полноценных отношений между JSpOC, разработчиками космических летательных аппаратов, стартовыми комплексами и владельцами / операторами. Эта структура подчёркивает выгоды предстартового взаимодействия и решения проблем обмена данными на старте и после старта.

Проблемы, связанные с увеличением количества мусора и использования небольших спутников, способствуют выработке новаторских решений и привлечению новых нетрадиционных поставщиков экспериментальных данных для повышения нашей космической ситуационной осведомлённости (SSA).

По мере увеличения числа объектов в космическом пространстве, а соответственно для решения этой проблемы, наши SSA возможности должны расти также пропорционально. Это предполагает и применение новой измерительной аппаратуры, и возможность поделиться, проанализировать и сохранить информацию на всех уровнях, чтобы расширить возможности и соответствовать растущей орбитальной популяции, и методику JSpOC, чтобы учесть все эфемериды владельца / оператора и нетрадиционные сигналы датчика.

Помимо обмена данными, должна быть налажена чёткая связь между внешними агентствами, стратегическим командованием США и JSpOC для обеспечения эффективного и действенного сотрудничества. В идеале следует привлечь владельцев / операторов и сообщества Cubesat, работающими с выделенными представителями по долгосрочным и срочным проектам.

Более того, мы работаем над включением механизмов двустороннего обмена, при которых владелец / оператор всё чаще делится своими эфемеридами с JSpOC для обеспечения доставки собственных высокоточных данных. Модификация вычислительного потенциала специализированной системы JSpOC (JMS) позволит существенно повысить ёмкость / возможности SSA и позволит принимать большие объёмы разнообразных типов данных, и мы уже разработали стандартные форматы доставки данных в JSpOC.

Мы в JSpOC гордимся услугами, которые мы оказываем для повышения безопасности космических операций через нашу основополагающую роль в космической ситуационной осведомлённости. Мы очень серьёзно относимся к нашему участию в деле сохранения космического пространства.

Наша достоверная SSA играет ключевую роль в обеспечении безопасности космических полётов и обеспечивает защиту космического пространства. Мы с нетерпением ожидаем решений, возникающих в условия орбитального полёта задач, и мы не останавливаемся на достигнутом. Мы продолжаем продвигать идею стратегического командования США (USSTRATCOM) о расширении партнёрства и совместного использования SSA. Вместе с нашими партнёрами мы участвуем в обеспечении заинтересованности владельцев / операторов в наших продуктах и процессах.

Мы разработали инновационные тактики, методики и процедуры, чтобы оптимизировать работу каждого датчика SSN в США. Кроме того, мы работаем с нашими партнёрами по коалиции, чтобы задействовать их «лучшую в своём классе» измерительную аппаратуру и аналитические возможности.

Мы помогаем в развитии и координации практики надёжных космических полётов, а также в участии в разработке и дальнейшей модификации измерительной аппаратуры и вычислительных ресурсов. И это помимо нашей повседневной деятельности по слежению, мониторингу, оповещению, управлению и контролю для решения сегодняшних насущных проблем в условиях космического пространства и обеспечения орбитальной безопасности на долгие годы.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Beware the situation: how JSpOC tracks space debris
 журнал ROOM №1 июль 2014