Razvoj in uporaba vesoljskih tehnologij v Sloveniji prof. dr. Tomaž Rodič, dr. Dunja Fabjan, doc. dr. Andreja Gomboc, dr. Hubert Fröhlich, prof. dr. Krištof Oštir, prof. dr. Drago Matko, Grega Milčinski, prof. Marko Peljhan, prof. dr. Jože Rakovec, dr. Tatjana Veljanovski, prof. dr. Tomaž Zwitter in doc. dr. Nedjeljka Žagar e-pošta: [email protected], tel.: (01) 2000 444 Center odličnosti Vesolje-SI, Aškerčeva cesta 12, Ljubljana, Slovenija Izvleček Vesoljske tehnologije so v procesu revolucionarnega prehoda, ki je posebej izrazit na področju mikro in nano satelitov. Konzorcij slovenskih znanstvenikov in inženirjev iz akademskih ustanov ter visoko tehnoloških malih in srednje velikih podjetij, združen v Centru odličnosti Vesolje-SI, je spoznal velik potencial porajajočih se tehnologij in aplikacij. Svoje raziskovalno tehnološke aktivnosti usmerja v napredne materiale in strukture, mikropotisne sisteme, kontrolo satelitov, komunikacije, samodejno obdelavo in distribucijo podatkov ter računske in eksperimentalne raziskave mikro in nano satelitskih sistemov. Razvite tehnologije bodo uporabne pri opazovanju Zemlje, v meteorologiji in astrofiziki ter bodo omogočile intenzivno sodelovanje slovenskih partnerjev v mednarodnih projektih in programih Evropske Vesoljske Agencije ESA. Ključne besede: center odličnosti, mikro in nano sateliti, kontrola, komunikacije, daljinsko zaznavanje, meteorologija, astrofizika Abstract Development and applications of space technologies in Slovenia Space technologies are in the process of revolutionary transition which is especially intensive in the field of micro and nano satellites. A consortium of Slovenian scientists and engineers from academic institutions and high-tech small and medium-sized enterprises, engaged in the Centre of Excellence Space-SI, has recognised the great potential of emerging technologies in space related applications. Its research and technological activities are focused on advanced materials and structures, micro-propulsion systems and assemblies, satellite control, communications, automatic data processing and distribution as well as in computational and experimental research of micro and nano satellite systems. The developed technologies will be applied in Earth observation, meteorology and astrophysics and will enable intense participation of Slovenian partners in international projects as well as projects and programs of the European Space Agency. Keywords: centre of excellence, micro and nano satellites, control, communications, remote sensing, meteorology, astrophysics Od velikih k malim satelitom Vesoljske tehnologije so v procesu revolucionarnega prehoda, ki je posebej izrazit na področju mikro in nano satelitov, kjer je z radikalno miniaturizacijo integriranih podsistemov in razvojem cenovno ugodnih komercialnih komponent prišlo do občutnega znižanja stroškov njihovega razvoja, izstrelitve in uporabe. Vesolje zaradi teh korenitih sprememb ni več rezervirano samo za velike organizacije iz ekonomsko močnih držav. Konzorcij slovenskih znanstvenikov in inženirjev, združenih v Centru odličnosti Vesolje, znanost in tehnologije (Vesolje-SI), je spoznal potencial porajajočih se tehnologij in aplikacij ter povezal raziskovalno tehnološki potencial za razvoj naprednih materialov in struktur, mikropotisnih sistemov, kontrole satelitov, komunikacij, obdelavo posnetkov ter računskih in eksperimentalnih raziskav mikro in nano satelitskih sistemov. Multidisciplinarna področja pokrivajo predstavniki petih raziskovalnih inštitucij (Naravoslovnotehniške fakultete, Fakultete za elektrotehniko ter Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, Znanstvenoraziskovalnega centra SAZU in Instituta Jožef Stefan), šestih visokotehnoloških podjetij (DEWESoft, Sinergise, TIC – LENS, Impol in Iskra TELA) in končnega uporabnika (Zavarovalnica Maribor). 1 Raziskave, razvoj in uporaba mikro in nano satelitskih tehnologij zagotovo predstavljajo eno od najperspektivnejših strateških področij za vključevanje slovenskih raziskovalnih inštitucij in podjetij v mednarodne razvojne in komercialne aktivnosti povezane z vesoljem. Center odličnosti VesoljeSI se je glede na potenciale in pričakovani dolgoročni razvoj osredotočil na tiste aplikacije, pri katerih so pričakovane prednosti mikro in nano satelitskih tehnologij izrazito poudarjene, in sicer: • natančno vodenje orbitalnih platform, • letenje v formacijah, • orbitalni pregledi in servisiranje ter • visokoločljivo interaktivno daljinsko zaznavanje. Slika 1: Tehnologije in aplikacije, ki jih združuje Center odličnosti Vesolje-SI. Glavne aktivnosti in predvideni dosežki Centra odličnosti Delovanje Centra odličnosti obsega širok spekter področij, ki so razdeljena na tri glavne sklope: znanost, tehnologije in aplikacije. Porazdeljeni so v sedem delovnih paketov, ki jih dopolnjujeta paketa, namenjena prenosu tehnologij in razširjanju rezultatov. Znanost Tehnologije Aplikacije DP1 Daljinsko zaznavanje DP4 Tehnologije mikro in nano satelitov DP7 Sodelovanje v mednarodnih vesoljskih misijah DP2 Meteorologija DP5 Satelitske komunikacije, hibridne antene in radarske tehnologije DP8 Prenos vesoljskih tehnologij na zemeljske aplikacije DP3 Astrofizika DP6 Razvoj multidisciplinarnega laboratorija za testiranje vesoljskih tehnologij DP9 Razširjanje RTD rezultatov DP1 Daljinsko zaznavanje se ukvarja s pridobivanjem informacij o površju Zemlje z zaznavanjem in zapisovanjem odbite ali sevane energije v vidnem, infrardečem in mikrovalovnem delu elektromagnetnega spektra. Tako pridobljene podatke se nato še dodatno procesira in analizira ter dostavi končnim uporabnikom v obliki servisov na številnih pomembnih tematskih področjih, kot so spremljanje vegetacije in njenega razvojnega cikla, ocenjevanje rasti pridelkov in opazovanje posledic suš, opazovanje stanja gozdov, opazovanje človeških posegov v prostor, ocenjevanje škode v okolju, spremljanje razvoja urbanih površin, opazovanje legalnih in nelegalnih odlagališč odpadkov, izdelava digitalnih modelov višin in reliefa, kartiranje, izdelava in hitro posodabljanje topografskih in tematskih kart, opazovanje vodnih teles ter poplav, ocenjevanje posledic naravnih in antropogenih nesreč (npr. plazov, poplav, gozdnih požarov), odkrivanje arheoloških najdišč, itd. Naštete možnosti daljinskega zaznavanja ponazarjajo zelo pomembne družbene, ekonomske in okoljske koristi, ki jih lahko dosežemo s satelitskimi tehnologijami. Nekaj primerov je predstavljenih na sliki 1. 2 Slika 2: Primeri aplikacij daljinskega zaznavanja. Koraki za obdelavo satelitskih posnetkov so ponavadi dobro definirani, vendar skoraj nikoli samodejni. Podatki, obdelani hitro, v skoraj realnemu času (near-real-time), se uporabljajo večinoma le v meteoroloških aplikacijah. Najdemo pa še veliko drugih situacij (npr. opazovanje naravnih nesreč), kjer sta hiter zajem podatkov in njihova takojšnja analiza ključnega pomena. Tako rekoč vse aplikacije, ki temeljijo na opazovanju Zemlje, bi pridobile, če bi bil postopek od zajema podatkov do dostave rezultatov h končnemu uporabniku opravljen hitro in samodejno. V Centru odličnosti bomo razvili postopke za samodejno obdelavo satelitskih podatkov od predobdelave slike s poudarkom na geometrijskih popravkih do izdelave produkta. Pomemben del aktivnosti bo tudi prototipna rešitev za hitro dostavo satelitskih slik vključno z izpeljanimi produkti (avtomatična interpretacija, stanje vegetacije, spremembe itd.), ki bodo končnim uporabnikom dostopne prek spletnega kartiranja (spletni GIS). DP2 Meteorologija: Meteorologi pri svojem delu za spremljanje vremena uporabljajo satelitske posnetke, ki kažejo trenutne razmere, za potrebe napovedi pa je potrebno upoštevati mnogo širši nabor podatkov – večina je pridobljena s satelitskimi senzorji in s sondiranjem navzdol skozi ozračje. Pred desetletji dobra napoved skoraj ni bila možna, čeprav je meteorologija tedaj že poznala glavne značilnosti dogajanj v ozračju in metode, kako bi ta dogajanja simulirali in jih s tem napovedovali. Natančnost napovedi sta izboljšali bistveno večja količina vhodnih podatkov ter možnost izvedbe »numerične napovedi vremena«. Pri tem je bistven prispevek satelitov, ki omogočajo pridobivanje vertikalnih profilov temperature zraka in vlažnosti, vektorje vetra za razne predele in razne višine v ozračju. V Centru odličnosti si prizadevamo za izboljšane metode asimilacije podatkov, ki bodo odstotek uporabljenih satelitskih meritev še zvišale in prinesle še bolj natančne napovedi vremena. Slika 3: Meteorološki globalni opazovalni sistem za pridobivanje podatkov za napovedovanje vremena. Na sliki je približno četrtina navpičnih profilov radiometričnih meritev temperature in vlažnosti, ki jih v dvanjastih urah uporabijo v ECMWF (www.ecmwf.int). DP3 Astrofizika je pri proučevanju celostne podobe Vesolja močno vezana na satelitsko tehnologijo, saj je atmosfera nepropustna v velikem delu elektromagnetnega spektra. Člani skupine so vključeni v uspešne vesoljske programe, kot so Rave, GAIA, Kepler, Planck, Swift in Fermi. Njihovi interesi segajo od najbolj energetskih eksplozij v Vesolju do njegovega nastanka. V 3 okviru Centra odličnosti se ukvarjajo z izbruhi sevanja gama in opazovanjem njihovega izseva v optičnih in bližnjih infrardečih valovnih dolžinah. Zanima jih kemična sestava in fizikalne lastnosti zvezd v naši Galaksiji, ker so v pomoč pri razkritju njenega nastanka. Lastnosti skupin galaksij in celostno podobo Vesolja, njegov nastanek in evolucijo pa proučujejo s primerjavo med simuliranimi modeli Vesolja in realnimi opazovanji. DP4 Tehnologije mikro in nano satelitov bodo usmerjene na tehnike za natančno vodenje orbitalnih platform med interaktivnim daljinskim zaznavanjem in letenjem v formacijah. Glavni razvojno-raziskovalne preboje pričakujemo na štirih področjih: pri razvoju integriranih struktur iz superplastičnih materialov, virtualnih modelov za optimiranje mikro potisnih sistemov MEMS, vodenja satelitov za daljinsko zaznavanje in letenje v formacijah na osnovi strojnega vida ter hibridih anten s faznimi sukalniki in sončnimi celicami. DP5 Satelitske komunikacije: V okviru delovnega paketa bo razvita in postavljena zemeljska postaja za komunikacije s širokim spektrom akademskih in komercialnih satelitov. Investicija bo strateško izjemno pomembna, ker bo omogočala prenos podatkov tako znanstvenikom s področij daljinskega zaznavanja, meteorologije in astrofizike kakor tudi razvijalcem novih tehnologij. Z dobro poziconirano in prilagodljivo zemeljsko postajo, ki bo pokrivala področja Alp, Panonske nižine in Sredozemlja, bo Center odličnosti Vesolje-SI postal izjemno zanimiv za mnoge razvojnoraziskovalne skupine po svetu in jim bo nudil podporo pri komunikacijah z njihovimi sateliti med preleti področij, ki jih bo postaja pokrivala. S tem se bodo odprle možnosti dostopa do različnih podatkov, znanj, tehnologij in servisov, ki bodo imele visoko dodano vrednost ne samo za slovenske vesoljske aktivnosti, temveč tudi za članice ESA in širšo svetovno skupnost. DP6 Zemeljski laboratorij za raziskave visoko natančnega vodenja satelitov v zaprti zanki bo ustanovljen z namenom učinkovitejše karakterizacije mikropotisnih aktuatorjev, testiranja mikro in nano satelitskih platform ter kontrolnih tehnik na osnovi vizualnih podatkov z združitvijo v skupno povezano rešitev, ki bo omogočala celostne raziskave vseh elementov za nadzor orbite in višine, od aktuatorjev preko odzivov platforme (modeliranje dinamike vesoljskega plovila in vesoljskega okolja) do senzorjev. DP7 Sodelovanje v mednarodnih vesoljskih misijah: Center odličnosti Vesolje-SI bo sodeloval v številnih mednarodnih vesoljskih misijah na področju znanosti (Rave, GAIA, Kepler, Planck, Swift in Fermi) in novih tehnologij za interaktivno daljinsko zaznavanje (LAPAN-TUBSAT) ter avtonomno letenje v formacijah (PRISMA). Prednost interaktivnega zaznavanja je, da lahko operater izbere cilj opazovanja med preletom, pri čemer je možno uporabiti sodobne tehnike vodenja s strojnim vidom, ki jih razvijamo v Centru odličnosti Vesolje-SI. Na tem področju že imamo prve rezultate računalniških simulacij in satelitske podatke s testnih vesoljskih preletov nad slovenskim ozemljem, kjer smo s satelitom LAPAN-TUBSAT interaktivno opazovali območja ob slovenski obali in Triglavu. Vesolje-SI tesno sodeluje s Švedsko vesoljsko korporacijo, ki nam bo omogočila testiranje vodenja satelitov s strojnim vidom med letenjem v formaciji. Na ta način bomo v Sloveniji razvite tehnologije (optimirani aktuatorji, kontrolni algoritmi, telemetrične rešitve in telekomunikacije prek slovenske zemeljske postaje) preizkusili v realnem vesoljskem okolju v okviru trenutno najnaprednejše misije za letenje v formaciji PRISMA. Slika 4: PRISMA – najnaprednejša misija letenja v formaciji. V delovnih paketih DP8 Prenos vesoljskih tehnologij na zemeljske aplikacije in DP9 Razširjanje RTD rezultatov bo Center odličnosti posredoval rezultate razvoja vesoljskih tehnologij s področij mikro in nano satelitov na področja zemeljskih aplikacij kot so telekomunikacije, strojništvo, elektrotehnika, biomedicina, itd. Za razširjanje razvojno-raziskovalnih rezultatov v znanstveni, 4 strokovni in širši javnosti bo Center v obdobju 2010-2013 organiziral vrsto odmevnih domačih in mednarodnih dogodkov. Primer aplikacije opazovanje poplav septembra 2010 Center odličnosti je del predlaganih aktivnosti analiziral na primeru poplav, ki so letošnjo jesen prizadele velik del Slovenije. Rezultati analiz kažejo, da nam je že v zgodnji fazi delovanja Centra uspelo učinkovito povezati točne meteorološke napovedi (DP2) z zajemom satelitskih podatkov in njihovo obdelavo (DP1) ter izdelavo prototipskih produktov, ki so prek spleta dostopni za analizo naravnih pojavov med naravno nesrečo in oceno nastalih škod (DP9), hkrati pa dajejo smernice za razvoj novih tehnologij (DP3), telekomunikacijskih zahtev (DP4) in testiranj (DP6) za interaktivno daljinsko zaznavanje v prihodnjih misijah (DP7). Državna meteorološka služba je količinski, časovni in prostorski obseg katastrofalnih poplav izjemno natančno napovedala in opozorilo poslala Upravi RS za zaščito in reševanje (URSZR). Ta je nato aktivirala projekt SAFER ter v sodelovanju s Centrom odličnosti in ZRC SAZU tudi mednarodni program Vesolje in velike nesreče (Space and Major Disatsters). V okviru obeh iniciativ je Center odličnosti od različnih vesoljskih agencij prejel 13 optičnih in radarskih satelitskih posnetkov osrednje in južne Slovenije s katerimi smo lahko kartirali stanje in dinamiko poplav na kraških poljih ter Ljubljanskem barju in okolici. Vse posnetke smo najprej natančno umestili v državni koordinatni sistem ter z ortorektifikacijo odpravili razlike zaradi različnih kotov opazovanja. Voda je na radarskih posnetkih videti zelo temna, zato smo jo z določanjem praga odboja, klasifikacijo in naprednim filtriranjem razmeroma preprosto označili ter rezultate posredovali URSZR. Serija posnetkov omogoča spremljanje obsega poplav v razmiku nekaj dni. Rezultati radarskih snemanj zaradi narave snemalnega sistema niso zaznavali poplavljenosti v urbanem okolju, poleg tega pa je obseg poplavljenih območij podcenjen povsod, kjer se v majhnih prostorskih intervalih menjavajo visokorasle poljščine in drevesa ter njive z nizkoraslimi pridelki ali travniki. Posamezen satelitski posnetek je mogoče obdelati v razmeroma kratkem času, vendar sta pri tem sedaj še potrebna prisotnost in odločanje strokovnjaka. Center odličnosti zato razvija tehnologijo (skoraj) samodejne obdelave, ki bo bistveno skrajšala čas obdelave, predvsem pa bo omogočila takojšnjo objavo interpretiranih rezultatov v obliki spletnega zemljevida. Pri opazovanju letošnjih poplav smo se srečali tako s težavo pri sprejemanju podatkov, kot z (ne)zmožnostjo upravljanja satelita, zaradi česar smo podatke pridobivali neredno in z zamikom, predvsem pa velja poudariti, da nismo imeli vpliva na določitev snemalnega območja in frekvence opazovanja. Slika 5: Dinamika poplav na Ljubljanskem barju, dobljena iz radarskih posnetkov zajetih 19.9., 26.9. in 2.10. Potencial obdelave podatkov v skoraj realnem času zaživi šele s takojšnjo dostavo rezultatov prek spleta. Pomemben del aktivnosti Centra odličnosti je zato spletni portal, ki bo končna točka za dostavo izdelkov. Del portala bo namenjen splošni javnosti in uporabnikom z malo znanja o 5 prostorskih podatkih in njihovi obdelavi, del pa bo omogočal tudi uporabo naprednejših orodij, kombiniranje podatkov ter modeliranje. Potencialni uporabniki v primeru naravnih nesreč so vsi, ki se ukvarjajo z reševanjem, v prvi vrsti URSZR, gasilci in drugi, ustvarjeni rezultati pa predstavljajo tudi pomemben dejavnik pri obveščanju javnosti. Rezultate interpretacije in izdelane karte je mogoče uporabiti pri reševanju, saj so bile karte poplavljenih območij narejene v nekaj dneh po dogodkih oziroma še v času visokih voda. Velik pomen dobljenih rezultatov predstavlja tudi ocena škode ter izboljšanje postopkov pri odpravljanju posledic poplav in preprečevanju ponovitve. Poleg tega bodo dobljeni podatki lahko uporabljeni kot vhodni ali učni podatek v modeliranju oziroma simulaciji podobnih dogodkov. Predstavitev rezultatov kartiranja je prikazana na spletni strani http://space.si/presentation/. Zaključek V Centru odličnosti Vesolje-SI bo v obdobju 2010-2013 več kot petdeset slovenskih znanstvenikov in inženirjev povezalo znanja s področij sodobnih materialov, izdelovalnih tehnologij, vodenja satelitov, telekomunikacij, daljinskega zaznavanja, meteorologije in astrofizike. Razvita bo infrastruktura za virtualno in laboratorijsko preizkušanje komponent, postavljena bo zemeljska postaja za telekomunikacije s širokim spektrom akademskih in komercialnih satelitov, kar nam bo omogočilo sodelovanje v številnih mednarodnih misijah in s tem postavilo Slovenijo na evropski in svetovni zemljevid držav z vesoljskimi tehnologijami. 6