Naukowcy UPWr zaprojektują system nawigacyjny dla Księżyca

5 Zobacz galerię

Europejska Agencja Kosmiczna przyznała finansowanie na budowę koncepcji systemu nawigacyjnego, który będzie wykorzystywany do przyszłych misji księżycowych. System ten zostanie zaprojektowany przez międzynarodowe konsorcjum z kluczowym udziałem pracowników Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (prof. Krzysztof Sośnica, dr Radosław Zajdel i dr Grzegorz Bury).

Ziemia posiada już kilka systemów nawigacji satelitarnej GNSS: GPS, GLONASS, Galileo i BeiDou, które zapewniają pozycjonowanie w dowolnym czasie, a także w dowolnym punkcie na oraz nad powierzchnią Ziemi. Systemy nawigacyjne pozwalają na precyzyjne pozycjonowanie, synchronizację w czasie, autonomiczną nawigację, a także są nieodzowne w misjach satelitarnych monitorujących np. deformacje powierzchni Ziemi, jak i wzrost poziomu wód w morzach i oceanach. Satelity nawigacyjne stały się integralną częścią życia mieszkańców naszej planety.

W przypadku powierzchni Księżyca oraz misji satelitarnych, które planuje się w przyszłości do eksploracji srebrnego globu, podobne konstelacje nie istnieją. Przykładowo misja GRAIL do badania pola grawitacyjnego Księżyca była w stanie doskonale zmapować stronę Księżyca bliższą Ziemi, gdy kontakt z satelitami był możliwy. Natomiast, gdy satelity zachodziły za Księżyc z punktu widzenia Ziemi, kontakt się urywał, a dokładność wyznaczenia pozycji znacząco spadała. „Dalsza” strona Księżyca pozostaje zbadana stosunkowo słabo ze względu na brak systemu nawigacyjnego.

Nowa eksploracja kosmosu i Księżyca

Na przełomie ostatnich lat pojawiły się nowe plany eksploracji Księżyca przez agencje kosmiczne, firmy prywatne i partnerstwa publiczno-prywatne, z inicjatywami obejmującymi autonomiczne roboty i pojazdy oraz budowę stacji badawczej oraz stacji pośredniej w drodze na Marsa. Wszystkie proponowane misje posiadają podobne potrzeby nawigacyjne i komunikacyjne, które można potencjalnie i skutecznie zaspokoić za pomocą dedykowanego systemu księżycowego. Impuls rozwoju jest napędzany przez niedawne odkrycie lodu wodnego na biegunach księżycowych, co zwiększa obfite zasoby mineralne na Księżycu i ma potencjał, aby zapewnić nie tylko wodę pitną, ale także tlen do oddychania i paliwo do wytwarzania energii. Księżyc jest również atrakcyjnym miejscem do opracowywania technologii dla przyszłych, trudniejszych załogowych przedsięwzięć, które sięgają głęboko w kosmos.

Program NASA Artemis, mający na celu powrót ludzi na Księżyc w latach 2024-2028, stanowi główny bodziec do wzrostu zainteresowania srebrnym globem. Zarówno misje satelitarne, systemy bezzałogowe, jak i ludzie lądujący na Księżycu będą potrzebowali dedykowanego systemu nawigacyjnego.

Program ESA Moonlight

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) uruchomiła wieloetapowy program Moonlight, który staje naprzeciw wyzwaniom związanym z eksploatacją Księżyca. Wymagania pozycjonowania, nawigacji oraz transferu czasu dla misji księżycowych w programie Moonlight będą się różnić w poszczególnych fazach programu ze stopniowym wzrostem poziomu wydajności. Początkowo będzie trzeba zapewnić możliwość pozycjonowania dla orbity transferowej Ziemia-Księżyc, następnie dla satelitów na orbicie księżycowej, podejścia do lądowania na Księżycu, operacji na powierzchni Księżyca (z priorytetem na biegunie południowym, gdzie znaleziono lód) oraz należało będzie zapewnić niezawodność systemu.

Aby odpowiedzieć na rosnące potrzeby zgodnie z wymogami kalendarza eksploracji Księżyca, ESA wstępnie zdefiniowała trzy fazy wdrożenia usług nawigacyjnych na Księżycu opartych na technologii GNSS (Globalnych Nawigacyjnych Systemów Satelitarnych):

Faza 1: zakłada wykorzystanie istniejącej infrastruktury – ziemskich satelitów GNSS oraz odbiorników księżycowych o wysokiej czułości (2022-2025).

Faza 2: Księżycowe Serwisy Nawigacji i Komunikacji (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).

Faza 3: Pełny księżycowy system nawigacyjny (od 2035 r.). 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.

Projekt ATLAS

W ramach Fazy 2, ESA 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 ramach projektu zbadane zostaną różne możliwości technologiczne dla systemu nawigacyjnego dla Księżyca, 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.