Per osservare da vicino una delle nuove frontiere della sorveglianza spaziale bisogna salire verso le vette dell’Appennino bolognese, dove il cielo si fa più limpido e l’orizzonte si allarga. Qui, tra i boschi che circondano la Stazione Osservativa di Loiano dell’INAF – Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, la sorveglianza delle orbite terrestri non passa attraverso grandi telescopi tradizionali, ma si affida a una rete di “occhi” digitali silenziosi e ultra-tecnologici, capaci di osservare grandi porzioni di cielo in un unico sguardo.
È qui che prende forma ASTRA (All-Sky Tracking Array), una nuova frontiera della sorveglianza ottica: non un singolo strumento rivolto verso un punto remoto del cosmo, ma un sistema distribuito di sensori a grande campo progettato per monitorare il frenetico traffico di satelliti e rifiuti che affollano lo Spazio sopra le nostre teste.
In un’epoca in cui l’orbita bassa terrestre è diventata “un’autostrada” affollata, dove anche un piccolo frammento può rappresentare una minaccia per le infrastrutture spaziali, ASTRA agisce come un sistema di controllo del traffico, catturando scie luminose impercettibili all’occhio umano ma importanti per la sicurezza spaziale.
Il cuore di questa tecnologia risiede nella capacità di unire hardware commerciale di alta precisione a una gestione dei dati estremamente intelligente, trasformando un’enorme mole di immagini in informazioni precise sulle traiettorie orbitali. Una sfida tecnica che richiede non solo ottiche ad alte prestazioni, ma soprattutto algoritmi capaci di distinguere, in frazioni di secondo, un satellite operativo da un frammento inerte o da un fenomeno naturale.
Per approfondire come questa rete nazionale riesca a mappare lo spazio orbitale con una precisione al millesimo di secondo e quali siano le sfide quotidiane nel gestire un “grande campo” visivo, abbiamo incontrato Manuel Barbetta, in forze alla Stazione Osservativa di Loiano di INAF – Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio Bologna e impegnato in nello sviluppo e nella gestione operativa del sistema ASTRA.
Ecco cosa ci ha raccontato, tra la velocità degli oggetti orbitali e la sfida di uno Spazio sempre più monitorato e sicuro.
ASTRA è descritta come una “rete ottica distribuita a grande campo”. Che cosa significa concretamente e da quale esigenza nasce?
“ASTRA opera come una rete di cinque stazioni ottiche distribuite strategicamente su tutto il territorio nazionale pensata per monitorare oggetti artificiali in orbita bassa (LEO). A differenza dei sensori tradizionali, ogni stazione vanta un “grande campo” visivo di 60° x 80°, permettendo di coprire l’intera fascia azimutale visibile con solo quattro puntamenti ortogonali, con una capacità di rilevamento centinaia di volte superiore ai telescopi classici. Questa architettura nasce dall’esigenza critica di monitorare l’orbita bassa (LEO), oggi estremamente popolata da migliaia di satelliti operativi e da oltre una moltitudine di rifiuti spaziali, anche molto piccoli, che possono rappresentare un rischio per satelliti e missioni.
La distribuzione geografica delle stazioni aiuta a superare un limite tipico dell’osservazione degli oggetti in orbita bassa: poiché qui gli oggetti si muovono velocemente e non sono visibili contemporaneamente da tutta Italia, le stazioni possono “passarsi il testimone” lungo la penisola. Questo permette di tracciare i bersagli per un arco temporale molto più lungo, garantendo una ricostruzione orbitale estremamente efficace e precisa.”
In un contesto in cui esistono già radar e telescopi dedicati alla sorveglianza spaziale, quale ruolo specifico si propone di avere ASTRA?
“Il valore di ASTRA non risiede nella sostituzione dei sensori già esistenti, ma nell’operare in modo complementare. Mentre i radar garantiscono un’operatività h24 anche in condizioni meteo sfavorevoli e i telescopi tradizionali offrono osservazioni di dettaglio ma su campi molto ristretti, ASTRA punta invece su un approccio diverso. Gli oggetti in orbita bassa si muovono a velocità elevatissime e monitorarli con strumenti dal campo limitato risulta controproducente. ASTRA, invece, riesce a intercettare simultaneamente un gran numero di bersagli su porzioni di cielo centinaia di volte più vaste, grazie al suo ampio campo di vista. A questo vantaggio operativo si aggiunge il fattore economico legato al costo contenuto della strumentazione: la realizzazione e l’installazione di una stazione ASTRA, che utilizza in larga parte componenti commerciali, presentano costi di diversi ordini di grandezza inferiori rispetto ai grandi impianti radar o ai radiotelescopi, rendendo la rete estremamente agile e scalabile.”
Che tipo di strumentazione utilizza oggi una stazione ASTRA e qual è il costo complessivo dell’impianto?
“Per garantire la massima sostenibilità e facilità di replica, la strumentazione di ASTRA si basa su componenti commerciali di alta qualità, con un costo complessivo per stazione che si aggira al di sotto dei 10.000 euro. Il cuore ottico del sistema è una Sony Alpha 7 III da 24 Megapixel con obiettivo grandangolare Voigtländer da 21 mm. Il tutto è gestito da una montatura altazimutale automatizzata e racchiuso in una cupola Avalon. L’intero sistema è gestito da un Raspberry Pi 4 da 8 GB che interfaccia e comanda tutti i sottosistemi, inclusi un modulo Arduino per l’apertura e chiusura della cupola, una webcam di controllo, vari sensori ambientali per il monitoraggio di temperatura e copertura nuvolosa e un modulo GPS per la sincronizzazione temporale dei dati.”
Guarda il prototipo di ASTRA a Loiano in configurazione aperta e in quella chiusa. Crediti INAF/Barbetta
Dato che ASTRA opera come una rete distribuita, in che modo vengono sincronizzati i tempi di scatto tra le diverse stazioni?
La sincronizzazione temporale tra le stazioni è un requisito fondamentale per garantire che le diverse camere stiano osservando lo stesso istante e permettere così la ricostruzione precisa delle orbite. Ogni stazione è equipaggiata con un modulo GPS collegato che fornisce un segnale PPS (Pulse Per Second) e permette al Raspberry Pi di sincronizzare l’intero sistema con una precisione al millesimo di secondo. Questo livello di accuratezza è ampiamente sufficiente per le esigenze della sorveglianza spaziale e garantisce la coerenza dei dati raccolti simultaneamente da siti distanti tra loro, come Loiano e le altre stazioni della rete nazionale.
Il sistema è progettato per il monitoraggio “all-sky”: quali sono le sfide tecniche nel gestire un flusso di dati così vasto e costante e come vengono gestite le immagini prive di oggetti?
“La sfida principale risiede nell’enorme volume di dati generato: ogni stazione può operare fino a 200 minuti al giorno, acquisendo circa 12 immagini al minuto. Poiché ogni scatto pesa circa 47 Megabyte, si arriverebbe a produrre decine di Gigabyte di dati quotidiani per singola stazione: una quantità impossibile da trasferire verso i server centrali considerando le connessioni internet limitate di siti montani come Loiano. Per ovviare a questo problema, il sistema esegue una parte importante dell’elaborazione direttamente a bordo del Raspberry Pi: il software analizza le sequenze di immagini, individua gli oggetti in movimento ed esegue l’astrometria, cioè la conversione delle coordinate in pixel in coordinate celesti. In questo modo, non è necessario inviare tutte le pesanti immagini originali: l’output inviato al server consiste di un leggerissimo file di testo contenente solo le posizioni rilevate, riducendo il carico da decine di gigabyte a pochi kilobyte. Per quanto riguarda le immagini “vuote”, se l’algoritmo non rileva alcun movimento, il dato viene semplicemente scartato; tuttavia, data l’alta densità di satelliti e detriti nell’orbita bassa, è estremamente raro che nelle finestre temporali di massima visibilità non venga catturato alcun oggetto nel vasto campo inquadrato da ASTRA.”
In che modo riuscite a ricostruire il movimento degli oggetti e a seguirli correttamente da un fotogramma all’altro?
“Il processo di identificazione si basa sull’acquisizione di sequenze di quattro frame consecutivi, scattati con tempi di esposizione molto brevi per “congelare” il movimento del satellite su pochi pixel ed evitare che il segnale si distribuisca su una scia troppo estesa, peggiorando così il contrasto rispetto al fondo. Per identificare gli oggetti in movimento, il software calcola la mediana delle quattro immagini consecutive: questo permette di generare un modello del fondo cielo contenente solo le sorgenti fisse, come stelle, pianeti e artefatti del sensore. Sottraendo questa mediana ai singoli frame, si ottengono immagini “pulite” dove rimane visibile esclusivamente il segnale degli oggetti in movimento tra un’acquisizione e l’altra.
Una volta isolati i potenziali bersagli tramite un filtro di soglia rispetto al rumore di fondo il sistema collega i rilevamenti tra i diversi frame. Partendo da un oggetto identificato nel primo frame, il software cerca una posizione compatibile nel secondo entro un raggio definito; lo spostamento misurato viene poi usato per localizzare l’oggetto nel terzo e nel quarto frame. Se viene individuata una sequenza coerente di quattro posizioni (chiamata “pattern”), il sistema procede a validarla attraverso due rigorosi filtri fisici: il filtro di linearità, che verifica che l’oggetto si muova in una direzione compatibile con una retta, e il filtro di velocità, che accerta che lo spostamento tra i frame sia costante, per escludere accelerazioni o decelerazioni improbabili per oggetti orbitali in tratti così brevi. Solo le tracce che superano questi controlli vengono registrate come candidati oggetti orbitali.”
Oltre al tracciamento del movimento, quali criteri permettono al sistema di distinguere veri oggetti orbitali da fenomeni naturali o artefatti?
“La distinzione tra oggetti orbitali e fenomeni naturali avviene principalmente attraverso la strategia di acquisizione delle immagini e i filtri fisici applicati durante l’elaborazione dei dati. Fenomeni casuali come raggi cosmici, pixel caldi o riflessi occasionali sono eventi isolati che difficilmente si ripetono su più frame. La strategia di individuare l’oggetto in una sequenza di quattro frame consecutivi permette già di scartare la maggior parte di queste casualità. La coerenza del movimento osservato nei frame consecutivi permette quindi di escludere la maggior parte dei fenomeni casuali o atmosferici.”
ASTRA lavora per confermare la posizione di oggetti già noti o il suo obiettivo principale è scoprire nuovi frammenti di cui avevamo perso le tracce?
“Il sistema opera su entrambi i fronti attraverso un modulo di confronto con i cataloghi orbitali esistenti. Una volta determinate le coordinate di un oggetto, il sistema confronta automaticamente i dati con i cataloghi orbitali disponibili: in caso positivo, il nuovo dato serve ad aggiornare e affinare l’orbita di quell’oggetto, satellite o rifiuto, già noto (operazione di tracking). Se non viene trovata alcuna corrispondenza, l’oggetto viene registrato come “incognito”. Tuttavia, data l’ampiezza del campo visivo, ASTRA ha come funzione principale quella di monitorare grandi porzioni di cielo per fornire un quadro d’insieme del traffico spaziale, lasciando l’identificazione specifica di oggetti non noti a strumenti di maggiore precisione.”
Qual è il limite di sensibilità attuale del sistema in termini di dimensione e distanza degli oggetti?
Il limite di sensibilità attuale di ASTRA corrisponde a una magnitudine apparente di circa +6.5, quindi poco oltre il limite della visibilità a occhio nudo in buone condizioni osservative. Tradurre in dimensioni fisiche questo valore dipende dalla quota dell’oggetto osservato: per oggetti in orbita molto bassa (LEO), intorno ai 400 km di altezza, il sistema è in grado di individuare oggetti dell’ordine di 70-80 centimetri. Salendo a una quota di 1000 km, la soglia si attesta su oggetti di circa 200 centimetri. Sebbene il progetto sia focalizzato principalmente sul monitoraggio dell’orbita LEO, il sistema ha potenzialmente la capacità di intercettare oggetti anche in orbita geostazionaria (GEO), a circa 36 mila km di distanza, a patto che abbiano dimensioni sufficientemente grandi, nell’ordine dei 4 metri di diametro.
Attualmente, qual è la copertura effettiva del cielo in termini di latitudine e raggio visivo?
“Ogni stazione ASTRA è progettata per monitorare la volta celeste dallo zenith fino a circa 20 gradi sopra l’orizzonte, evitando le zone troppo basse sull’orizzonte, dove la maggiore densità atmosferica peggiora la qualità delle osservazioni. L’osservazione avviene puntando i quattro punti cardinali in modo ortogonale, garantendo così una copertura quasi totale del cielo visibile dal sito. La distanza alla quale un oggetto può essere osservato dipende fortemente dalla sua quota orbitale: un’orbita molto bassa è visibile entro un raggio di circa 200 chilometri dalla stazione. Questo significa che da una postazione come quella di Bologna si riesce a coprire agevolmente il centro-Italia, come l’Umbria, ma non aree più distanti, confermando l’importanza di avere una rete distribuita su tutto il territorio nazionale per non lasciare zone d’ombra.”
In che modo l’inquinamento luminoso e gli agenti atmosferici influiscono sulle prestazioni dell’array e come viene protetta la strumentazione?
“L’inquinamento luminoso rappresenta un fattore critico che può ridurre la sensibilità del sistema di mezza o un’intera magnitudine rispetto a un cielo perfettamente buio. Nonostante Loiano goda di condizioni migliori rispetto ai centri urbani, il riverbero delle luci artificiali presenti sul territorio influisce sulla capacità di rilevare gli oggetti più piccoli. Per quanto riguarda le condizioni atmosferiche, ASTRA opera con una filosofia simile ai telescopi tradizionali: in caso di pioggia o forte copertura nuvolosa, la cupola rimane chiusa per proteggere l’elettronica. Il sistema è dotato di sensori ambientali che monitorano costantemente le condizioni meteo e la copertura nuvolosa, permettendo la chiusura automatica d’emergenza. Nonostante le temperature rigide dell’Appennino e la neve, la struttura si è dimostrata estremamente ermetica e resistente, garantendo la piena operatività dei componenti elettronici anche quando la temperatura scende sotto lo zero.”
Per tracciare oggetti che viaggiano a 7-8 km/s, quanto deve essere veloce lo scatto delle camere ASTRA? Avete problemi di “motion blur”?
“Nonostante un oggetto in orbita bassa impieghi circa un minuto per attraversare l’intero campo visivo di ASTRA, la scelta del tempo di esposizione è cruciale per massimizzare il segnale. Abbiamo fissato lo scatto a circa 50 millisecondi: un intervallo sufficientemente breve da “congelare” il satellite, che in quel lasso di tempo attraversa solo 2 o 3 pixel. Questa tecnica riduce fortemente gli effetti di motion blur (ovvero “sfocatura da movimento”), evitando di diluire la traccia del satellite sullo sfondo che aumenterebbe il rumore senza aggiungere segnale utile.
In tutto questo, entra in gioco anche il fatto che le ottiche commerciali presentano lievi difetti che tendono ad allargare leggermente l’immagine dell’oggetto. Paradossalmente, questo si rivela un vantaggio operativo per il rilevamento automatico: invece di produrre una scia sottile difficile da catturare, l’oggetto appare come un piccolo “blob” circolare più facile da analizzare e seguire dagli algoritmi.”
C’è un evento o un avvistamento particolare catturato da ASTRA che vi ha sorpreso o che ha confermato l’efficacia del sistema?
“Un esempio particolarmente significativo è stato il rilevamento simultaneo, all’interno dello stesso campo visivo, della stazione spaziale cinese Tiangong e di un satellite Starlink 300 volte più debole, tanto da risultare invisibile a occhio nudo nelle immagini originali. Solo grazie al processo di elaborazione software e all’analisi delle coordinate è stato possibile far emergere la traccia del satellite più debole, dimostrando che ASTRA è in grado di operare correttamente anche in presenza di oggetti con differenze di magnitudine molto marcate.
Ricordo anche il passaggio di un oggetto estremamente veloce e allungato che ha inizialmente sorpreso il team. Sebbene i parametri software lo abbiano correttamente scartato poiché non compatibile con un’orbita satellitare, l’analisi visiva ha poi confermato trattarsi di un aereo in fase di decollo o atterraggio, evidenziando la capacità dei filtri di distinguere il traffico atmosferico da quello spaziale.”
Si delinea così il profilo di un progetto che unisce l’ingegno tecnologico alla necessità concreta di monitorare un ambiente spaziale sempre più affollato.
ASTRA rappresenta quindi un approccio innovativo al monitoraggio dello Spazio circumterrestre: una rete distribuita di strumenti compatti e relativamente a basso costo, progettata per contribuire al tracciamento di satelliti e rifiuti spaziali in orbita bassa.
Con l’espansione prevista della rete, il progetto punta a migliorare ulteriormente la capacità di monitoraggio del traffico spaziale e a sviluppare strumenti efficienti e scalabili per la sorveglianza spaziale.
[A cura di Magda Tonelli]
Questo articolo è stato realizzato nell’ambito del tirocinio dell’Università di Bologna presso INAF – Istituto di Radioastronomia, all’interno del progetto Sorvegliati Spaziali.
