Нейросеть научили предсказывать падение спутников и ступеней ракет

Околоземное пространство плотно заполнено космическими аппаратами, многие из которых вышли из строя или больше не эксплуатируются. 10 мая 2025 года на Землю упал запущенный в 1972 году «Космос-482». В ближайшее время ожидается сход с орбиты космического телескопа Swift, операция по спасению которого не удалась.

Старые спутники и отработавшие ракетные ступени — предметы довольно громоздкие, а самое главное, летящие с огромной скоростью. Свалившись где-нибудь в населенной местности, они могут наделать много бед. Ученые разработали инструмент прогнозирования таких падений, о чем рассказали в журнале Acta Astronautica.

Предсказать место падения космического мусора сложно — в конце своего орбитального существования он летит со скоростью около 7,8 км/с. Ошибка в одну минуту смещает место падения примерно на 460 километров вдоль траектории, в один час — примерно на 28 000 километров.

«Сбивает эти объекты с орбиты сопротивление — торможение разреженным воздухом верхних слоев атмосферы. Когда Солнце активно, оно нагревает верхнюю атмосферу, которая расширяется, так что воздух на заданной высоте становится плотнее, и низкие орбиты разрушаются быстрее. Солнечная активность растет и падает с периодом около 11 лет, и все три изученных нами падения пришлись на недавние активные годы — с 2023 по 2025», — объясняет прикладной математик Денис Дутых из Университета Халифы в Абу-Даби, один из авторов исследования.

Две части прогнозирования

Огромную роль играет форма падающего объекта. Очевидно, что компактную сферу воздух тормозит более предсказуемо, чем кувыркающуюся ракетную ступень или спутник с широкими солнечными панелями. Разница становится особенно существенной в последние дни, когда свежих данных слежения совсем мало. Распространенное упрощение состоит в том, чтобы считать коэффициент постоянным на уровне, оцененном по прошлым наблюдениям.

Идея авторов, по словам Дутых, состоит в том, чтобы разделить прогнозирование между строгими физическими расчетами и предсказаниями алгоритма машинного обучения.

«Движение объекта подчиняется законам Ньютона, поэтому мы вычисляем его, используя гравитацию и сплюснутость Земли, а также сопротивление, задаваемое стандартной моделью верхней атмосферы, управляемой солнечной и геомагнитной активностью. Мы не можем записать формулой, как будет меняться баллистический коэффициент, поэтому его расчет доверяем нейросети», — продолжает математик.

Для составления прогноза две части работают по очереди: каждые три часа — ритм, с которым обновляется стандартный индекс геомагнитной активности, — сеть получает новую орбиту и возвращает новый коэффициент. Расчет останавливается на высоте 80 километров, принятой за порог входа в атмосферу. Нейросеть запускают 100 раз со случайно отключенными частями, разброс ответов дает окно неопределенности вокруг предсказанного времени.

Что показала проверка

Методику проверили ретроспективно на трех объектах, которые уже упали.

Для «Космоса-482» прогноз — 06:22 UTC с погрешностью 11,4 минуты; Роскосмос сообщил о 06:24. Для инфракрасного телескопа NEOWISE, запущенного в 2009 году — 00:54 UTC 2 ноября 2024 года с погрешностью 7,8 минуты; сайт миссии сообщил о 00:49. Для верхней ступени китайской ракеты «Чанчжэн-4B», запущенной в 2006 году — 22:45 UTC 26 марта 2023 года с погрешностью 13,2 минуты; ее обломки наблюдали над Мурсией и Альмерией на юго-востоке Испании между 22:33 и 22:36.

Три объекта — это мало, и каждый из них отслеживался не менее 11 лет, целый солнечный цикл, признают исследователи. Настоящая проверка — предсказывать объекты, все еще находящиеся на орбите, включая более молодые с короткой историей. Именно в этом и состоит цель работы.

 

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX