Europejska Agencja Kosmiczna sfinansuje budowę koncepcji systemu nawigacyjnego, który będzie wykorzystywany do przyszłych misji księżycowych. System zostanie zaprojektowany przez międzynarodowe konsorcjum, z kluczowym udziałem pracowników Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.
Ziemia ma już kilka własnych systemów nawigacji satelitarnej – to GPS, GLONASS, Galileo czy chiński system BeiDou. Tak zwane systemy GNSS zapewniają pozycjonowanie w dowolnym czasie i w każdym punkcie, a także ponad powierzchnią naszej planety. Systemy nawigacyjne pozwalają na precyzyjne pozycjonowanie (tzw. GPS), synchronizację w czasie i oczywiście autonomiczną nawigację. Są także nieodzowne w misjach satelitarnych monitorujących deformacje powierzchni Ziemi i wzrost poziomu wód w morzach i oceanach. Stały się po prostu ważną częścią życia mieszkańców Ziemi.
Na ilustracji: Szkic systemu nawigacji satelitarnej. Źródło: Materiały prasowe
W przypadku powierzchni Księżyca oraz misji satelitarnych, które planuje się w przyszłości celem eksploracji Srebrnego Globu, podobne konstelacje jeszcze nie istnieją. Przykładowo, misja GRAIL do badania pola grawitacyjnego Księżyca była w stanie doskonale zmapować stronę Księżyca bliższą Ziemi, gdy tylko kontakt z jej satelitami był możliwy. Gdy jednak te satelity zachodziły za Księżyc z punktu widzenia Ziemi, kontakt się urywał, a dokładność wyznaczenia pozycji znacząco spadała. W rzeczywistości niewidoczna z Ziemi część Księżyca pozostaje wciąż zbadana stosunkowo słabo właśnie ze względu na brak odpowiedniego systemu nawigacyjnego.
Na przełomie ostatnich lat pojawiły się jednak nowe plany badań Księżyca, które mogą być wykonane przez agencje kosmiczne, firmy prywatne i partnerstwa publiczno-prywatne, z pomocą autonomicznych robotów i pojazdów. Wszystkie te proponowane misje księżycowe mają podobne wymagania nawigacyjne i komunikacyjne, które można potencjalnie i skutecznie zaspokoić właśnie za pomocą dedykowanego systemu księżycowego.
Jego budowa, a w zasadzie jej pomysł, jest również wynikiem niedawnego odkrycia lodu wodnego na biegunach księżycowych. Zwiększa to zasoby mineralne na Księżycu i daje pewne nadzieje na zapewnienie tam nie tylko wody pitnej, ale i niezbędnego do oddychania tlenu oraz paliwa do wytwarzania energii. Księżyc jest również bardzo atrakcyjnym miejscem z punktu widzenia opracowywania technologii dla przyszłych, jeszcze trudniejszych załogowych przedsięwzięć, które sięgają głęboko w kosmos, w tym na Marsa.
Program NASA Artemis, mający na celu powrót ludzi na Księżyc w latach 2024–2028, stanowi główny bodziec do wzrostu zainteresowania Srebrnym Globem i księżycową nawigacją. Zarówno misje satelitarne, systemy bezzałogowe, jak i ludzie lądujący na Księżycu będą ostatecznie potrzebowali dedykowanego systemu nawigacyjnego.
Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) uruchomiła wieloetapowy program Moonlight, który staje naprzeciw nowym wyzwaniom związanym z eksploatacją Księżyca. Wymagania pozycjonowania, nawigacji oraz transferu czasu dla misji księżycowych w tym programie będą się różnić w jego poszczególnych fazach, ze stopniowym wzrostem poziomu wydajności. Początkowo będzie trzeba zapewnić możliwość pozycjonowania dla orbity transferowej Ziemia-Księżyc, a następnie dla satelitów na orbicie księżycowej, podejścia do lądowania na Księżycu, operacji na powierzchni Księżyca. Trzeba jeszcze zapewnić niezawodność całego systemu.
Wstępnie zdefiniowano trzy fazy wdrożenia usług nawigacyjnych na Księżycu opartych na technologii GNSS (Globalnych Nawigacyjnych Systemów Satelitarnych):
- Faza pierwsza zakłada wykorzystanie istniejącej infrastruktury – ziemskich satelitów GNSS oraz odbiorników księżycowych o wysokiej czułości (lata 2022–2025),
- Faza 2 to księżycowe Serwisy Nawigacji i Komunikacji (lata 2025–2035); budowa systemu opartego o minimalną liczbę satelitów (4-5) na orbicie księżycowej oraz wzmocnienie fazy pierwszej poprzez transmisję dodatkowych sygnałów z powierzchni Księżyca. Powinno to pozwolić na znaczne zmniejszenie błędów pozycjonowania i zwiększenie dostępności usług, co z kolei przełoży się na ulepszone usługi nawigacji na orbicie księżycowej oraz usługi nawigacji lądowania i nawigacji na powierzchni (np. na biegunie południowym Księżyca, będącym jednym z możliwych miejsc lądowania),
- Kompletny księżycowy system nawigacyjny miałby działać od 2035 roku. Ta faza powinna umożliwić świadczenie usług pozycjonowania, nawigacji oraz transferu czasu na całej powierzchni Księżyca (również na stronie niewidocznej z Ziemi) oraz zwiększyć dostępność i dokładność na orbicie Księżyca i księżycowym biegunie południowym.
W ramach Fazy 2 ESA już teraz przyznała finansowanie projektowi ATLAS (Fundamental techniques, models and algorithms for a Lunar Radio Navigation System), który został złożony przez międzynarodowe konsorcjum, w którego skład weszli naukowcy Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (prof. Krzysztof Sośnica, dr Radosław Zajdel i dr Grzegorz Bury).
W projekcie zbadane mają zostać różne opcje technologiczne dla lunarnego systemu nawigacyjnego, w tym wykorzystanie obserwacji jedno i dwukierunkowych pomiędzy Ziemią i satelitami, a także księżycowymi przekaźnikami i satelitami. Zostaną ponadto opracowane procedury realizacji księżycowych układów odniesienia oraz transformacji współrzędnych i czasu pomiędzy układami ziemskimi, niebieskimi (inercjalnymi) oraz księżycowymi. W projekcie planuje się test jakości pozycjonowania na Księżycu oraz na orbicie księżycowej z wykorzystaniem zaprojektowanego systemu nawigacyjnego składającego się z minimalnej liczby satelitów, co ma na celu redukcję kosztów budowy całego systemu.
Czytaj więcej:
Źródło: UPWr/PAP
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Niewidoczna z Ziemi strona Księżyca. Źródło: Lunar Reconnaissance Orbiter/