Seriál: Komunikační satelity VIII Spolehlivost a výpadky satelitů. Hrozby ve vesmíru

Rozvoj technologií, postojů a investic mění vesmírné prostředí a dosahuje větší dostupnosti pro stále větší počet společností. Při tom si ale neuvědomujeme, jak stále více a více závisíme na satelitních technologiích, a to nejenom v oblasti zábavy a mediálního průmyslu.

Pomineme-li možné problémy ze zaostávání legislativy za vývojem, na které jsme upozornily v naší 6. části seriálu, jsou tu i další faktory, které ovlivňují spolehlivost komunikace. Patří mezi ně jak poškození kinetická, jako srážky satelitů či poškození vesmírným smetím nebo záměrný útok laserem či elektromagnetickým impulsem, tak hrozby nekinetického typu, jako sluneční erupce a další jevy z oblasti vesmírného počasí podmíněné fyzikálně nebo záměrné útoky na softwarové vybavení. V článku se pokusíme vybrat některé zajímavé případy, kdy došlo k výpadku služeb.

Životnost satelitů a její prodlužování na orbitě

Životnost umělých družic je dána dobou, po kterou je satelit schopen poskytovat služby, pro které byl navržen a konstruován. Po jejich skončení jeho orbitální životní cyklus nekončí, přeměňuje se v objekt, který obvykle neřízeně pluje v prostoru nad námi zvyšuje množství vesmírného odpadu. Satelit vypuštěný v 90. letech 20. století byl navržen tak, aby fungoval v průměru 12 let, což byla předpokládaná délka života, která se od roku 2000 zvýšila u geostacionárních satelitů na 15 let. Mnoho z nich pokračuje v provozu 18 let nebo i déle, ale 15 zůstává převládající životností s výjimkou satelitů na nízkých LEO drahách, které jsou plánovány na 5–7 let, z důvodu větších slunečních perturbací.

Snaha o prodloužení funkčnosti satelitů i za dobou plánované životnosti na GEO oběžné dráze narážela na nedostatek paliva potřebného ke korekcím osmičkové dráhy vysloužilých objektů. V květnu 2020 úspěšně proběhla snaha prodloužit životnost veteránského satelitu Intelsat 901. Jednalo se o 19 let starou komunikační družici, která stále fungovala dobře, ale čekal ji odchod do důchodu, protože jí docházelo palivo, které umožňuje udržet se ve stanoveném orbitálním slotu a vysílat správným směrem. Tento obvyklý problém a koncept servisu starých, ale funkčních satelitů, existoval již léta, ale nebyla k dispozici vhodná technologie. V únoru 2019 byla postavena družice Mission Extension Vehicle-1 (MEV-1) a vypuštěna v říjnu toho samého roku. MEV-1 má sloužit jako zdroj paliva pro starší satelit a přebírá funkce jeho směrování a manévrování. Po připojení k Intelsatu-901 MEV-1 prodlouží jeho životnost o pět let a v roce 2025 přesune starší satelit na oběžnou dráhu pro likvidaci, aby neinterferoval s jinými satelity a nekolidoval s nimi. Poté může převzít povinnosti s jiným satelitem. Satelit MEV-1 má plánovanou životnost 15 let.

Připojení MEV-1 k satelitu Intelsat 901 na pozici 332,5°E (zdroj:www.intelsat.com/global-network/satellite-network/launches/intelsat-901/).

Technické závady komunikačních satelitů

K většině problémů satelitů dochází při startu nosných raket nebo při posunech na cílovou pozici na oběžné dráze, případně v prvním roce po uvedení do provozu. V průběhu standardního poskytování služeb poruchy a výpadky družic nebývají časté, k výpadkům v délce několika minut u geostacionárních satelitů však dochází pravidelně. To je způsobeno tzv. eklipsou, tj. kdy přijímací anténa na zemi, satelit a slunce jsou v jedné přímce. V našich zeměpisných šířkách k tomu dochází v době okolo jarní a podzimní rovnodennosti a je to způsobeno tím, že sluneční záření zahltí svou energií nízkošumový přijímací zesilovač (LNB) a výsledkem je šum silnější než užitečný signál.

Jeden z prvních velkých problémů byl se satelitem Galaxy 4 (99°W) v roce 1998 po jeho pětiletém působení na orbitě. DTH satelit ve tvaru devítistopé krychle a roztaženým solárním panelem do délky 100 stop (asi 30 m) byl stále ve stabilní poloze nad rovníkem, ale stabilizace antén směrem k Zemi selhala, což způsobilo jeho neustálé otáčení. To se projevilo výpadkem více jak 600 rozhlasových stanic, síť televize CBS, CNN s výpadkem čínské televize CTN v Hong Kongu. Údajným problémem byl vznik cínového moru v elektronice hlavního řídícího procesoru.

Srážky s vesmírným odpadem

Další nefunkčnost satelitních služeb způsobuje možnost srážky s vesmírným odpadem, která se pro satelity stává skutečným problémem. Prostor kolem Země je zaneřáděn neúspěšnými starty (jen v roce 2021 jich bylo 11) vysloužilými raketovými stupni, starými neaktivními satelity, ztracenými nástroji a součástkami, úlomky z rozpadu jiných vesmírných struktur, erozí a kolizemi. Od roku 2009 sledovalo americké strategické velení asi 19 000 kusů trosek větších než 5 cm, s dalším odhadovaným množstvím více než 600 000 kusů menších než 1 cm, z nichž 300 000 cirkulovalo pod nadmořskou výškou 200 km. O tom jsme mnohem podrobněji psali v:

Seriál: Satelitní komunikace a vysílání V Kapacita oběžných drah země a kosmické smetí

Tento problém je zvláště citlivý na geostacionárních drahách (GEO), kde je počet dostupných orbitálních slotů omezený s mnoha satelity sdílejícími stejnou orbitální dráhu.

Kromě přítomnosti vesmírného smetí je meziplanetární prostor zaplněn mikrometeority a důsledky sluneční aktivity v podobě slunečního větru a oblaků částic – proudu protonů, elektronů, alfa částic a dalších těžších jader. Je logické, že mikrometeority a kosmický sluneční vítr ovlivňují spolehlivost satelitů a poruchovost jejich služeb po celou dobu jejich životnosti. K tomu tématu se vrátíme podrobněji dále v části o vesmírném počasí.

V červenci 2017 ztratila 19 let stará družice NSS-806 (40°W) společnosti SES, provozovatele ASTRA, téměř třetinu svých transpondérů kvůli anomálii, což znamenalo druhou větší poruchu družice ve flotile SES v roce po červnových problémech se satelitem AMC-9, v jehož okolí byl zjištěn neidentifikovatelný kosmický odpad. NSS-806, telekomunikační družice v pásmech C a Ku, stále sloužila zákazníkům i přes sedm let po zamýšlené konstrukční životnosti, a nakonec byla nahrazena v roce 2018, byť s problémy při stratu rakety Ariane 5, satelitem SES-14.

Z nezjištěných, nebo nepublikovaných příčin došlo k úplnému výpadku poloviny služeb na horizontální polarizaci downlinku, společnosti Eutelsat W2 na pozici 16°E. Jednalo se satelit používaný pro různé televizní služby, ať jako distribuční satelit DTH nebo jako satelit pro spojení dvou bodů na Zemi. Z toho důvodu několik českých kabelových, IPTV i satelitních platforem bylo postihnuto výpadkem kanálů Fashion TV Czech and Slovak, National Geografic, Music a programy z rodiny AXN. K obnovení provozu v tomto případě došlo po 41 hodinách zdánlivě ze stejné polohy, ale za použití více družic, kterými byl satelit Euribird a z jiné polohy přesunutý Sesat. Prakticky však mezi těmito 3 satelity na 16°E byla faktická vzdálenosti 100 km, tvořící část prostorové krychle.

Vliv vesmírného počasí

Je známo, že v době výskytu sluneční skvrn činnost Slunce se aktivuje a způsobuje geomagnetické bouře, které logicky mají vliv na elektronická zařízení jak v prostoru nad naší atmosférou, tak i na Zemi. Zvýšená aktivita Slunce, v době skvrn, se opakuje s periodou přibližně 11 let. Nejbližší vrchol podle předpovědí očekává NASA, resp. NOAA (služba americké oceánografické a atmosférické administrace) v roce 2025, podle některých názorů přijde dříve, už vzhledem k současným skutečným naměřeným hodnotám, jak vyplývá z následujícího obrázku:

Vývoj počtu slunečních skvrn a další predikce (zdroj: SWPC_NOAA)

Sluneční cyklus je důležitý pro určení životnosti satelitů na nízké oběžné dráze Země, protože LEO satelity se propadají směrem do nižších oběžných drah a tím blíže k horním vrstvám atmosféry. Vyšší solární maximum tak snižuje životnost satelitu a nižší solární maximum prodlužuje životnost satelitu.

V roce 1994 během období zesíleného toku energetických elektronů na GEO dráze způsobil výpadek dvou kanadských telekomunikačních satelitů. Zatímco k obnově služeb jednoho z nich došlo po 6 hodinách, obnova druhého nastala až po 6 měsících.

Galaxy 15 – „zombie“ satelit

V roce 2010 družice společnosti Intelsat Galaxy 15 (133°W) přestala reagovat na povely z řídicího střediska a začala se nekontrolovaně pohybovat po geostacionární dráze východním směrem. Hrozilo nebezpečí rušení telekomunikačního provozu jiných družic, protože retranslační zařízení stále pracovalo. Jako pravděpodobná prvotní příčina závady byla označena mimořádně silná sluneční erupce. Po vybití akumulátorových baterií po více jak půl roce došlo k resetu povelového systému a obnovení telemetrie, takže družice začala přijímat povely z řídícího střediska, které ji uvedlo do bezpečnostního módu a následně vrátilo na původní pozici, původně jako záložní satelit, později až do letošního srpna s obnoveným provozem.

Satelit Galaxy 15 v laboratoři před startem. (Zdroj: https://www.space.com/intelsat-loses-control-galaxy-15-satellite-solar-storm)

Avšak letos 10. srpna 2022 zažila družice Galaxy 15 opět obdobnou anomálii, která byla pravděpodobně vyvolána vesmírným počasím. Kvůli tomu ztratil Intelsat telemetrické a řídící spojení. Intelsatu se sice podařilo znovu získat kontrolu nad satelitem blíže nespecifikovanou alternativní cestou 14. srpna, ale kvůli problému neznámého původu nebyly opět následující příkazy 15. srpna předány satelitu. Družice tak nebude schopna se udržet ve vymezeném prostoru (+0,05°E a -0,05°W) své pozice 133°W na geostacionární dráze. Z důvodu očekávaného posunu satelitu musí Intelsat zabránit škodlivému rušení s jinými satelity a přesunout klienty na jiné družice, které se ke 133°W „zběsile“ pohybují, jak je uvedeno zde. Kromě 24 transpondérů v pásmu pro mediální služby v severní Americe, používá Federální úřad pro letectví USA pásmo L k předávání informací GPS letadlům za účelem zlepšení navigační přesnosti.

Z poslední doby, konkrétně v únoru 2022, došlo ke ztrátě 40 ze 49 nových satelitů Starlink v důsledku geomagnetické bouře, která uhodila den po vypouštění na iniciační dráhu. Ty se postupně propadají do zemské atmosféry, kde zanikají.

Pohled z pohledu rakety ukazuje hromadu satelitů SpaceX Starlink těsně před orbitálním umístěním. (Fotografie SpaceX)

Uvedených 40 satelitů nedosáhlo své plánované oběžné dráhy v důsledku vnějších příčin – geomagnetické bouře iniciované naší hvězdou Sluncem.

Shodou okolností (nebo se štěstím) počátek nové vesmírné revoluce přišel během onoho „ospalého“ slunečního cyklu. Tito noví operátoři, včetně operátorů malých nanosatelitů „cubesat“, nyní čelí svému prvnímu solárnímu maximu. Ale nejen to. Sluneční aktivita v minulém roce a letos se ukázala být mnohem intenzivnější, než předpovídali sluneční meteorologové, s více slunečními skvrnami, více výrony koronální hmoty a více slunečním větrem zasahujícím naši planetu.

Navíc se očekává, že jednou musí dojít k extrémní sluneční bouři, jakou byla geomagnetická bouře v roce 1859 (tzv. Carringtonova událost), která během několika hodin zkratovala tehdy nové telegrafní dráty a způsobila mnoho požárů telegrafních stanic ve Spojených státech i v Evropě. Polární záři tehdy lidé pozorovali až nad Římem, na Havaji či v Karibiku. „Opakování událostí (z roku 1859) by znamenalo mnohem silnější a možná i katastrofické ochromení společnosti a ekonomik,“ napsala NASA na svém webu již v roce 2013. O tom, že by satelity zasažené tímto silným proudem atomárních částic byly nenávratně ztraceny, není pochyb. Popis tohoto jevu a jeho případné následky na Zemi z poslední doby přináší německá Deutsche Welle zde.

Záměrná poškození satelitů

Ohrožení globální, nebo regionální komunikační satelitní infrastruktury není jen věcí nedokonalosti techniky, srážek satelitů s kosmickým smetím nebo vlivem sluneční aktivity, ale i záměrným působením člověka. Kromě civilního použití jsou satelity také základním pilířem pro zabezpečení vojenských a vládních komunikací. Je tedy logické, že jakýkoli nepřátelský stát, který by chtěl způsobit narušení, by se zaměřil na tyto satelity. Prostředky, známé jako anti-satelitní (ASAT) zbraně, existují téměř stejně dlouho jako samotné satelity.

ASAT lze obecně rozdělit na dva typy, ty, které používají hrubou sílu, a ty, které ji nepoužívají. ASAT s kinetickou energií fyzicky narážejí do satelitů a může to být prakticky cokoliv, co může dosáhnout výšky, od balistických střel po drony a další satelity. Jiným typem ASAT je nekinetický typ. Používají nefyzické útoky, rušení, a dokonce i oslepující satelity s lasery. Všechny tyto útoky lze provádět ze vzduchu, na nízké oběžné dráze nebo dokonce z pozemních zařízení. Bohužel stále probíhající testy těchto zbraní přispívají k nárůstu kosmického smetí, které ohrožuje nejenom funkční satelity, ale i astronauty z ISS ve volném prostoru.

Software jako cíl a prostředek

V poslední době u nejmoderněji vybavených satelitů je nutno jako hrozbu počítat i kybernetické útoky (na satelity vybavené On-Board processingem a/nebo softwarově definovaným rádiem SDR). K tomu přistupuje, že satelity, obecně definované jako komunikační, poskytují služby i vládním agenturám a armádám na části pronajaté kapacity, čímž může dojít k omezení nebo výpadkům zcela mírumilovných civilních případně zábavných mediálních služeb.

A to se vše nemusí ještě odehrávat jen v kosmickém prostoru. Ve čtvrtek 24. února ráno kybernetický útok znemožnil provoz modemů satelitní internetové služby spojené s Eutelsatem 9°E, známý také jako „KA-SAT“ a provozovaný od dubna 2021 společností Viasat, která poskytuje služby širokopásmového satelitního spojení jak komerčním, tak i vládním a armádním zákazníkům, jak jsme uvedli hned v úvodu našeho seriálu a na závěr se k této události vracíme.

zdroj: https://1000logos.net/viasat-logo/

Vedlejší škody způsobené tímto útokem způsobily výpadek tisíců účastníků, ale také škody průmyslových systémech tím, že deaktivovaly dálkové sledování nebo ovládání 5 800 větrných turbín Enercon v Německu. Podle společnosti Sekoia. Io, která se soustředí na bezpečnost v kybernetickém prostoru, byl tento útok proveden na terminály Tooway/Surfbeam 2, které prokazatelně provozovala ukrajinská vláda a armáda.

I když se stále neví, jak k tomuto útoku došlo, mnoho externích zdrojů a okolností (např jako načasování útoku a jeho rozsah) ukazují na možné použití „mechanismu automatické aktualizace“, kdy se do tisíce satelitních modemů nahrál škodlivý firmware. Jestliže modem pravidelně kontroluje nové aktualizace, které se automaticky instalují, stáhne a nainstaluje falešný firmware nebo škodlivý binární soubor, který po instalaci restartuje systém. Je pravděpodobné, že útočníci kompromitovali software řídícího síťového systému (EMS) tak, že byli schopni sbírat a posílat informace přes NOC (Řídící satelitní centrum). Potom, pokud je firmware poškozen a neumožňuje bootování, bez fyzického zásahu jej nelze aktualizovat, a tak Viasat byl následně přes své operátory (jako česká společnost INTV) nucen vyměnit tisíce modemů u svých uživatelů.

Jedna otázka zůstává nezodpovězena: co bylo hlavním cílem tohoto útoku? V úvahu přicházejí dva odlišné cíle: sabotáž modemů používaných ukrajinskými silami zasláním prázdného firmwaru nebo pokusem, který selhal při záměně stávajícího firmwaru škodlivým. I když se tento druhý cíl zdá méně pravděpodobný, nesmíme zapomínat na strategický zájem, který může mít útočník v zachycení (vlastním firmwarem) procházející komunikace prostřednictvím těchto modemů v případě shromažďování zpravodajských informací během ozbrojeného konfliktu.

Ať už bylo konečným cílem tohoto útoku cokoli, jeho dopad z něj dělá jeden z největších kybernetických útoků odhalených a přímo orientovaných proti komunikačním schopnostem ozbrojených sil s dopadem i na soukromý sektor. Proto bude tato událost působit jako milník pro další konvenční konflikty. Rovněž tato situace prokázala, bezpečnost satelitní komunikace ne tvořena jen kosmickým segmentem – satelitem – ale i jeho nezbytnou funkční součástí pozemní infrastrukturou.

Všechny předchozí díly seriálu si přečtěte zde:

Štítky