Che cos'è la Space Situational Awareness?

La Space Situational Awareness (SSA) è la pratica di caratterizzare, tracciare e prevedere la futura posizione degli oggetti nello spazio intorno alla Terra. Governi, società e istituzioni si impegnano nel campo della SSA per comprendere il crescente numero di asset spaziali nell'orbita terrestre e nello spazio colpito dalla gravità della luna e della Terra, definito spazio cislunare.

Il primo passo per stabilire la Space Situational Awareness è utilizzare osservazioni basate sul terreno per identificare e tracciare oggetti vicini alla Terra. Questi dati di sorveglianza dello spazio vengono quindi sfruttati per creare una rappresentazione digitale di ciascun oggetto spaziale. Infine, la meccanica orbitale e altre simulazioni fisiche vengono applicate per prevedere in che modo la gravità e altre forze determinano l'orbita di ciascun oggetto nel tempo. 

L'obiettivo principale dellaSpace Situational Awareness è prevenire collisioni tra veicoli spaziali e detriti orbitali. Tra gli altri obiettivi figurano la pianificazione del rientro di veicoli spaziali dismessi o non funzionanti e l'analisi dei frammenti creati da collisioni, esplosioni in orbita o atti ostili.

La Space situational awareness è anche il set di dati e strumenti di base per i sistemi di gestione del traffico nello spazio. Oltre a impedire interazioni indesiderate, aiuta a gestire proattivamente le orbite degli oggetti controllabili.

Le agenzie spaziali, le forze armate e gli operatori satellitari sviluppano funzionalità SSA per proteggere le proprie apparecchiature spaziali, mantenerle operative il più a lungo possibile ed evitare di causare danni sia ad altri veicoli spaziali sia a persone e infrastrutture a terra durante il rientro. Queste entità non solo intendono proteggere il loro significativo investimento, ma vogliono anche mantenere le capacità scientifiche, di comunicazione e di osservazione della Terra che tali asset offrono, fondamentali per il commercio quotidiano e la sicurezza nazionale.

Dal lancio di Sputnik in Russia nel 1957, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha calcolato che governi e società hanno lanciato più di 21.600 satelliti nell'orbita terrestre, con oltre 14.200 ancora operativi nel 2025. Il lancio di hardware e i detriti provenienti da oltre 650 collisioni si aggiungono ai 54.000 oggetti in orbita di lunghezza superiore a 10 centimetri, insieme a milioni di frammenti più piccoli. 

Numero di pezzi di detriti nell'orbita bassa terrestre (LEO, Low Earth Orbit) disposti in base alle dimensioni

Anche se lo spazio circumterrestre è immenso, la probabilità di collisione è statisticamente significativa, poiché gli oggetti in orbita si muovono a velocità molto elevate su traiettorie diverse e molti satelliti devono occupare o sorvolare le stesse aree della superficie terrestre. L'importanza della SSA nelle operazioni spaziali, nell’economia e nella politica è cresciuta a causa dell'aumento quasi esponenziale degli oggetti tracciabili, della crescente dipendenza dalle comunicazioni e osservazioni basate nello spazio, del suo ruolo strategico nella sicurezza nazionale e del maggiore accesso allo spazio da parte di governi non alleati. 

La base della SSA è la meccanica orbitale computazionale, che utilizza la fisica classica e la fisica relativa per prevedere gli effetti della gravità sulle orbite. Le forze gravitazionali del Sole, della Terra e della Luna giocano il ruolo più significativo in questi calcoli.

Per tenere traccia e prevedere correttamente gli oggetti spaziali, i sistemi SSA devono includere tre componenti nei propri calcoli.

1. Caratterizzazione degli oggetti spaziali

Il primo componente della SSA è la caratterizzazione degli oggetti in orbita. Per raccogliere questi dati, i sistemi SSA utilizzano radar terrestri e telescopi ottici, indicati collettivamente come sorveglianza e tracciamento dello spazio. I tracker utilizzano la posizione e la velocità di un oggetto per determinarne la massa. Inoltre, si avvalgono di fonti interne ed esterne per identificare l'oggetto catalogarne le caratteristiche geometriche e operative disponibili.

Il tracciamento degli oggetti spaziali non è un'attività occasionale. Molti oggetti possono modificare la traiettoria e forze di lieve entità come la resistenza e la pressione derivanti dalle condizioni atmosferiche spaziali possono alterare in modo imprevedibile le orbite. Oltre agli oggetti artificiali, i sistemi SSA tracciano anche gli asteroidi vicini alla Terra.

2. Tracciamento o previsione dei detriti spaziali

La comprensione dei detriti spaziali è il secondo componente dell'SSA. Esplosioni, guasti meccanici di un veicolo spaziale e collisioni tra oggetti possono generare detriti. Poiché la frammentazione causata da questi eventi produce piccole particelle che si muovono in più direzioni, i sistemi SSA più avanzati rilevano le caratteristiche dei detriti spaziali e prevedono l'aspetto del campo di detriti derivante da collisioni reali o potenziali. 

3. L'impatto del meteo spaziale

Il terzo componente della Space Situational Awareness consiste nel prendere in considerazione le condizioni meteo spaziali. Le tempeste solari generano radiazioni che possono creare disturbi e interferire con le traiettorie dei satelliti. Durante tali eventi, le particelle cariche possono modificare la densità della parte alta dell'atmosfera terreste, creando resistenza sui satelliti e influenzando le traiettorie orbitali. Le implementazioni SSA devono tenere costantemente in considerazione l'irraggiamento solare e prevedere l'effetto delle condizioni meteorologiche spaziali nei propri calcoli.

Altri fattori che influenzano la Space Situational Awareness

Un altro fattore che incide sul tracciamento e sulle previsioni SSA è la resistenza dell'atmosfera terrestre (sebbene molto tenue a livello orbitale) sui veicoli spaziali in orbita bassa terrestre (LEO). La resistenza atmosferica è un fattore significativo anche nei calcoli di rientro atmosferico.

Analogamente alle forze generate dall'irraggiamento solare, anche il calore riflesso e la luce visibile provenienti dalla Terra (albedo) possono causare perturbazioni nel movimento dei veicoli spaziali, variando con la posizione dell'oggetto rispetto al Sole e alla Terra.

Un'altra considerazione riguarda il malfunzionamento dei sistemi di orientamento, che generalmente includono una serie di giroscopi, nei satelliti. L'orientamento di un veicolo spaziale rispetto al Sole e alla Terra è importante perché può influenzare quanta pressione di radiazione e resistenza l'oggetto subisce. 

Stabilire e mantenere un sistema di Space Situational Awareness è un’impresa significativa. In passato, la maggior parte di tali sistemi è stata implementata da agenzie governative. Gli Stati Uniti utilizzano diversi sistemi SSA tramite il Dipartimento della Difesa, lo U.S. Space Force, la U.S. Air Force e la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) per iniziative commerciali, con la Space Surveillance Network (SSN) che funge da sistema principale.

L'Agenzia spaziale europea (ESA) è l'amministratore principale del Programma europeo di sicurezza spaziale. Altri Paesi dispongono di sistemi simili per supportare le proprie attività spaziali o collaborano con uno dei sistemi principali. Con la crescita dei voli spaziali commerciali, sono attualmente disponibili o in fase di sviluppo diverse soluzioni SSA commerciali.

Ecco alcune delle sfide comuni che questi team affrontano per mantenere la Space Situational Awareness.

Più veicoli spaziali e di dimensioni ridotte

La rivoluzione dei satelliti di piccole dimensioni ("smallsat"), insieme alla riduzione dei costi di lancio, ha determinato un enorme aumento dei veicoli spaziali. Questi oggetti più piccoli sono più difficili da tracciare a causa delle loro dimensioni e del loro numero elevato.

Concorrenza per la geografia privilegiata

I satelliti non sono distribuiti uniformemente intorno alla Terra. Per rimanere fissi rispetto alla superficie terrestre, i satelliti in orbita geosincrona (GSO) devono condividere la stessa altitudine. Inoltre, molti operatori desiderano posizionare i propri veicoli spaziali sopra le stesse regioni. Per questo motivo, la GSO sta diventando uno spazio sempre più affollato. Anche i satelliti in orbita bassa terrestre affrontano lo stesso problema, poiché molte missioni mirano a osservare o ricevere segnali dalle stesse aree.

Un'osservazione accurata e nel budget

Le reti di sorveglianza spaziale sono costose da costruire e mantenere, e richiedono la più recente tecnologia di rilevamento ottico e radar. Con l'aumentare della complessità della situazione orbitale, aumenta anche il costo di questi sistemi.

Gestione e archiviazione dei dati

La quantità di dati raccolti per ciascun oggetto nello spazio è significativa. Ciò non è dovuto solo all'aumento dei livelli di veicoli e detriti spaziali, bensì anche al fatto che i dati SSA coprono molti anni di osservazione.

Visualizzazione

Una sfida crescente consiste nel presentare i dati SSA in modo informativo e pratico. Il volume di spazio che i team SSA monitorano è enorme, distribuito in tre dimensioni e copre un numero crescente di oggetti.

Previsione

I sistemi SSA devono prevedere le orbite future, identificare potenziali minacce e modellare i detriti spaziali quando si verifica un evento di collisione. Gli ingegneri utilizzano anche sistemi SSA per pianificare il rientro nell'atmosfera terrestre o smaltire un veicolo spaziale non funzionante trasferendolo in orbite stabili. 

Le organizzazioni coinvolte nella SSA hanno a disposizione diversi strumenti per affrontare le sfide in cui sono coinvolte.

Politica e strategia

Le soluzioni umane per SSA ruotano attorno a politiche e strategie. Esistono molti standard internazionali e la maggior parte delle nazioni con capacità di spazio li accetta in linea di principio. È il caso ad esempio del Trattato sullo spazio extra-atmosferico del 1967, la Convenzione sulla responsabilità del 1972 e la Convenzione sulla registrazione del 1976.

Più recentemente, gruppi hanno promosso linee guida e strategie che invitano gli Stati membri a collaborare e agire in modo responsabile. Questi accordi incoraggiano:

• Limitazione dei detriti
• Riduzione al minimo le frammentazioni in orbita
• Uscita dallo spazio orbitale dei veicoli spaziali, al termine della loro missione
• Implementazione della tecnologia di prevenzione delle collisioni
• Evitare la distruzione intenzionale di oggetti nello spazio

Software e hardware

Le soluzioni tecniche sono costituite da solidi sistemi software e hardware che raccolgono informazioni, implementano strumenti STM (Space Traffic Management) e utilizzano soluzioni SDA (Space Domain Awareness) per supportare i problemi di sicurezza nazionali.

Le soluzioni hardware utilizzano una potenza di elaborazione avanzata, tra cui memoria ad alta velocità, GPU e cloud computing, per gestire le enormi quantità di dati e calcoli richiesti. L'hardware supporta anche i sensori utilizzati nei sistemi di tracciamento. I progressi dei sensori ottici e dei sistemi radar in orbita e a terra stanno consentendo di fornire informazioni più accurate e tempestive. Gli ingegneri utilizzano strumenti come il software Ansys HFSS per progettare antenne più efficaci e il software Ansys Zemax OpticStudio per migliorare le prestazioni delle videocamere.

Per quanto riguarda il software del set di strumenti, la chiave per affrontare le sfide relative all'SSA è disporre di una piattaforma robusta e flessibile su cui realizzare software per il sistema. Soluzioni come il software Ansys Systems Tool Kit (STK) sono un punto di partenza basato sulla fisica che consente di modellare e prevedere in modo accurato il comportamento di oggetti e detriti nello spazio. In alternativa, una piattaforma come il software Ansys Orbital Determination Tool Kit (ODTK) può aiutare a prevedere il comportamento futuro dei veicoli spaziali dal tracciamento dei dati. Con una piattaforma flessibile e potente a disposizione, ogni team SSA può creare una soluzione software personalizzata in base alle proprie esigenze specifiche. 

Il numero di oggetti presenti nell'orbita terrestre dal lancio e dai detriti continuerà ad aumentare man mano che gli esseri umani si espandono oltre la Terra in uno spazio cislunare e oltre. Decenni di esperienza situazionale negli spazi edilizi hanno fornito al settore aerospaziale lezioni e best practice per rendere più sicuro il nostro futuro ambiente spaziale.

1. Seguire le regole

Il primo passo dell'SSA consiste nel seguire le politiche e le linee guida stabilite per la coesistenza in orbita.

2. Investire nella tecnologia di monitoraggio e condividere i dati

Poiché l'output di alta qualità dipende da input di alta qualità, il mantenimento dell'SSA dipende in larga misura dalla fedeltà e dalla tempestività dei dati di monitoraggio. La condivisione dei dati aumenta anche le funzionalità dei sistemi SSA.

3. Sfruttare i miglioramenti delle capacità di elaborazione

La gestione della quantità significativa di dati prodotti dalla sorveglianza spaziale richiede velocità e funzionalità più elevate nell'hardware del computer, oltre a miglioramenti algoritmici. Le funzionalità statistiche del computing quantistico hanno il potenziale di rivoluzionare l'SSA.

4. Implementare progressi nei dati e nell'analisi predittiva

In definitiva, la SSA si concentra sull'analisi predittiva e dei dati, basate sulla modellazione basata sulla fisica. Gli operatori possono migliorare la SSA attraverso i progressi nell'analisi standard dei dati, nonché nell'apprendimento automatico (ML, Machine Learning) e nell'intelligenza artificiale (AI).

5. Creare rappresentazioni digitali basate su fisica ad alta fedeltà

La vera potenza dell'SSA nel prevedere ed evitare potenziali minacce deriva dall'uso di DME (Digital mission Engineering) basato su rappresentazioni digitali ad alta fedeltà dell'ambiente intorno alla Terra. Ciò include i componenti principali della navicella spaziale, dei detriti e delle condizioni atmosferiche spaziali, oltre a tutti gli altri fattori che influenzano la posizione di un oggetto in orbita nel tempo. 

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