1.  Obserwacje sztucznych satelitów Ziemi - wprowadzenie

Optyczne obserwacje obiektów znajdujących się na orbicie wokółziemskiej wymagają specyficznego sprzętu oraz nietypowych dla większości zagadnień astronomicznych strategii obserwacyjnych. Podstawową różnicą jest bardzo szybki ruch badanych obiektów na sferze niebieskiej, znacznie przekraczający nie tylko prędkości stosowane podczas obserwacji obiektów gwiazdowych (15"/s), lecz nawet najszybszych planetoid zbliżających się do Ziemi (typowo kilka "/s). W przypadku orbit typu LEO (Low Earth Orbit) wymagane prędkości śledzenia teleskopu mogą osiągnąć kilka tysięcy "/s, co stanowi wartości przekraczające możliwości typowych teleskopów stosowanych w astronomii. Dzięki coraz powszechniejszemu w ostatnich latach stosowaniu napędów bezprzekładniowych typu direct-drive możliwe stało się osiągnięcie dużych prędkości ruchu przy zachowaniu wysokiej precyzji, co otworzyło możliwości obserwacji za pomocą względnie tanich, nie dedykowanych obserwacjom satelitarnym teleskopów takich firm jak Planewave czy ASA.

Standardowe oprogramowanie astronomiczne wymaga niemal punktowych obrazów gwiazd odniesienia oraz badanych obiektów w celu wyznaczenia precyzyjnych współrzędnych astrometrycznych. W przypadku obserwacji sztucznych satelitów Ziemi warunek ten jest trudny do osiągnięcia, gdyż wymagałby stosowania ultrakrótkich czasów naświetlania, typowo między 0.1 a 0.001s. W tak krótkim czasie mogą być zarejestrowane jedynie najjaśniejsze satelity oraz gwiazdy odniesienia, co umożliwia obserwacje jedynie nielicznych obiektów. Stosowane z konieczności dłuższe czasy ekspozycji wiążą się ze znaczącym rozmyciem obrazów bądź gwiazd (w przypadku śledzenia za obiektem), bądź satelity (w przypadku śledzenia ruchem gwiazdowym). W takim przypadku istotna staje się modyfikacja standardowych procedur astrometrycznych poprzez uzupełnienie ich o automatyczne wykrywanie oraz wyznaczanie geometrycznych środków obiektów liniowych, co nie jest zagadnieniem trywialnym, gdyż nie istnieją standardowe algorytmy tego typu.

Bardzo istotnym zagadnieniem związanym z obserwacją obiektów znajdujących się na orbicie wokółziemskiej jest możliwie jak najdokładniejsza rejestracja czasu. W przypadku obiektów poruszających się z prędkością kątową przekraczającą 1 stopień na sekundę niezbędna jest dokładność rejestracji momentów otwarcia i zamknięcia migawki kamery rzędu 1 milisekundy lub lepsza. W przeciwnym razie wyznaczone współrzędne satelity obarczone będą błędem znacznie większym niż wynika z samej dokładności pomiaru pozycji na zarejestrowanym obrazie. Stosowane w astronomii kamery CCD posiadają mechaniczne migawki o czasach otwierania/zamykania rzędu 10ms i dokładności rejestracji momentów otwarcia i zamknięcia migawki rzędu 100ms. Sytuację tą można poprawić stosując niezależną od sterownika kamery rejestrację sygnałów elektronicznych generowanych przez układ migawki wbudowany w kamerze, lecz i ta metoda nie uwalnia całkowicie od niepewności pomiaru. Jedyną metodą dającą gwarancję poprawnej rejestracji momentów czasu jest bezpośredni pomiar pozycji przesłony lub listków migawki. Ponieważ żadne kamery astronomiczne nie posiadają standardowo takiej funkcjonalności, w praktyce niezbędna jest budowa dedykowanej migawki zewnętrznej. Problem ten dotyczy głównie obiektów znajdujących się na niskich i średnich orbitach okołoziemskich, co ilustruje rysunek 1.

Rys. 1. Błąd optycznego pomiaru pozycji satelity na niebie w zależności od precyzji pomiaru momentu otwarcia i zamknięcia migawki, z pominięciem wszelkich innych źródeł błędów. Obszar A prezentuje zakres dokładności możliwy do osiągnięcia z wykorzystaniem dedykowanej, zewnętrznej migawki. Obszary B i C prezentują dokładności możliwe do osiągnięcia z wykorzystaniem sygnałów generowanych za pomocą elektroniki kamery (B) lub za pomocą standardowego oprogramowania sterującego (C).

W celu zapewnienia odpowiedniej dokładności pomiaru współrzędnych astrometrycznych obserwowanych satelitów niezbędne jest również odpowiednie dobranie parametrów optycznych teleskopu. Z jednej strony teleskopy o większych średnicach (powyżej 0.5m) zapewniają większy zasięg i korzystniejszą skalę obrazu na piksel, ale okupione jest to zwykle zmniejszonym polem widzenia i wyraźnie większym kosztem zakupu ( nie tylko samego teleskopu, lecz i odpowiedniej kamery CCD, która dla zapewnienia jak największego pola widzenia musi być wyposażona w detektor o jak największych rozmiarach). Teleskopy o niewielkich średnicach (poniżej 0.3m) potrafią zapewnić znacznie większe pole widzenia, co jest niezwykle korzystne w przypadku obserwacji przeglądowo-poszukiwawczych oraz obserwacji obiektów, których orbity są wyznaczone z niewielką dokładnością. Wiąże się to jednak z mniejszym zasięgiem oraz gorszą skalą obrazu, która uniemożliwia osiągnięcie wysokich dokładności pomiaru pozycji (patrz rysunek 2). Z tych właśnie powodów optymalnym instrumentem wydaje się być system podwójny, złożony z połączonych ze sobą dwóch teleskopów: jednego o mniejszej, drugiego o większej średnicy, umieszczonych na tym samym montażu. System taki umożliwiłby wykonywanie obserwacji w unikalny sposób: najpierw obiekt zostałby zarejestrowany za pomocą teleskopu szerokokątnego, na tej podstawie w ciągu kilku sekund obliczona zostałaby wstępna orbita obiektu, dzięki której dalsze obserwacje mogłyby być prowadzone za pomocą większego teleskopu. Dzięki temu możliwe byłoby uzyskanie wysokich dokładności pomiaru pozycji oferowanej przez większy teleskop dla każdego obiektu zaobserwowanego za pomocą mniejszego teleskopu.

Rys. 2. Względne koszty i podstawowe parametry teleskopu satelitarnego w zależności od średnicy lustra głównego. Zaznaczono dwa obszary, optymalne z punktu widzenia obserwacji przeglądowo-poszukiwawczych (obszar A) oraz obserwacji obiektów o względnie dobrze znanych orbitach (obszar B).

2.  Obserwacje sztucznych satelitów Ziemi na teleskopie PST2/RBT

Na wiosnę 2015 roku przeprowadzono za pomocą teleskopu PST2 (który posiada nowy akronim RBT) w Arizonie serię zdalnie sterowanych, a także w pełni robotycznych obserwacji satelitarnych. Były to pierwsze tego typu badania w Obserwatorium Astronomicznym UAM w Poznaniu od kilkunastu lat. Dzięki wysokiej elastyczności modułów sterujących teleskopem RBT w ciągu zaledwie kilku dni zaprogramowano i wdrożono dedykowane obserwacjom satelitarnym procedury. Pozwoliły one na wykonywanie obserwacji zarówno w trybie śledzenia standardowym ruchem gwiazdowym jak i śledzenia satelity z prędkościami ruchu zgodnymi z ruchem satelity na niebie. Wykonane podczas przelotów satelitów obrazy posłużyły do wyznaczenia współrzędnych astrometrycznych oraz w dalszej części orbit badanych obiektów. Przeprowadzone obserwacje udowodniły, że teleskop klasy RBT jest w stanie wykonywać pomiary pozycji z dokładnością nie gorszą niż 0.5".

Zastosowany podczas obserwacji teleskop RBT nie był projektowany w celu wykonywania obserwacji satelitarnych i dlatego jest on wyposażony w kamerę CCD o niewielkim detektorze i polu widzenia zaledwie 9'x9'. Niestety dostępne katalogi parametrów orbitalnych oraz standardowe procedury obliczeniowe (takie jak SGP4) nie gwarantują dostatecznie dużej dokładności przewidywanych pozycji co sprawia, że teleskopy o niewielkim polu widzenia mogą nie zaobserwować przelotu satelity. Z tej przyczyny instrument dedykowany obserwacjom satelitarnym powinien posiadać możliwie duże pole widzenia. W przypadku teleskopu RBT, który bazuje na modelu CDK700 firmy Planewave możliwe jest zwiększenie pola widzenia do ok. 40'x40' dzięki samej tylko wymianie kamery CCD oraz zastosowaniu reduktora ogniskowej. Taka zmiana znacząco zwiększyłaby wskaźnik sukcesu wykrycia satelity na wykonywanych obrazach, a także zwiększyłaby szansę na zarejestrowanie dostatecznie dużej liczby gwiazdy odniesienia, które są niezbędne do wyznaczenia pozycji obiektu na niebie.

Pomimo ograniczeń konstrukcyjnych teleskopu RBT wielokrotnie przeprowadzono udane obserwacje różnorodnych obiektów znajdujących się na orbicie wokółziemskiej oraz wyznaczono na ich podstawie precyzyjne parametry orbitalne.

Rys. 3. Film nagrany za pomocą kamery typu rybie oko w trakcie którego od godziny 8:50 UT teleskop RBT przeprowadza testowe obserwacje 13 sztucznych satelitów Ziemi.

3.  Wyniki obserwacji sztucznych satelitów Ziemi na teleskopie PST2/RBT