Aktualności

Naukowcy z IGiG zaprojektują system nawigacyjny dla Księżyca

08-11-2021

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) przyznała finansowanie na budowę koncepcji systemu nawigacyjnego, który będzie wykorzystywany do przyszłych misji księżycowych. System satelitarny posłuży zarówno do lądowania i nawigacji na powierzchni srebrnego globu przez misje załogowe i autonomiczne, jak również do wyznaczania trajektorii ruchu satelitów, które zostaną umieszczone na niskiej orbicie Księżyca. System zostanie zaprojektowany przez międzynarodowe włosko-francusko-polskie konsorcjum z kluczowym udziałem pracowników Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

Problemy w pozycjonowaniu na Księżycu

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 chwili obecnej na jednego mieszkańca Ziemi przypadają średnio 4 odbiorniki systemów nawigacji satelitarnej. 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.

Misja GRAIL do badania pola grawitacyjnego Księżyca. Materiały prasowe NASA.

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 bdawczej 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. Bezpośrednie badania Księżyca rozpoczęły się w 1969 roku, kiedy to misja Apollo 11 zainstalowała pierwszy retroreklektor do pomiarów laserowych z Ziemi. Dzięki tym pomiarom dowiedzieliśmy się, że Księżyc oddala się od Ziemi o 3,8 cm rocznie. Już za niecałe 2 lata, we wrześniu 2023 roku, NASA planuje umieszczenie kolejnego retroreflektora, tym razem składającego się z pojedynczego pryzmatu. Kolejne lata będą upływały pod znakiem nie tylko misji bezzałogowych i instalacji urządzeń na Księżycu, ale powrotu człowieka tam, gdzie od blisko 50 lat był on nieobecny (dokładniej od grudnia 1972 roku).

Zarówno misje satelitarne, systemy bezzałogowe, jak i ludzie lądujący na Księżycu będą potrzebowali dedykowanego systemu nawigacyjnego.

Planowane misje eksploracji Księżyca. Materiały prasowe ESA.

Program ESA Moonlight

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.

Logo programu ESA Moolight. Materiały prasowe ESA.

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). W oparciu o wbudowane filtry dynamiczne i anteny o dużym wzmocnieniu słabe sygnały GNSS będą wykorzystane na wysokości Księżyca. Powinno to zapewnić wstępne usługi dla transferów Ziemia-Księżyc i początkowych operacji na orbicie księżycowej.

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. Można to osiągnąć, uzupełniając fazę 2 dodatkowymi satelitami na orbicie księżycowej i transmiterami sygnału satelitarnego na powierzchni Księżyca. Faza ta mogłaby również ułatwić świadczenie usług integralności aplikacji o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa, prowadząc do większej autonomii.

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 składające się z:

Sapienza Aerospace Research Centre – CRAS, Uniwersytet Sapienza w Rzymie, Włochy – jako lider oraz jednostka specjalizująca się w misjach i badaniach międzyplanetarnych,

Centre National de Recherche Scientifique – CNRS, delegation Côte d’Azur Campus, Francja – jednostka specjalizująca się w transformacjach między niebieskimi i ziemskimi układami odniesienia oraz wyliczaniem efemeryd ciał niebieskich, a także wykonująca laserowe pomiary odległości do Księżyca,

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Instytut Geodezji i Geoinformatyki – jednostka specjalizująca się w przetwarzaniu danych GNSS oraz laserowych pomiarów odległości do satelitów, wyznaczaniu orbit sztucznych satelitów Ziemi, integracji obserwacji laserowych i mikrofalowych na pokładach satelitów oraz wyznaczaniem parametrów ruchu obrotowego Ziemi,

Argotec S.r.l., Turin, Włochy – jednostka specjalizująca się w tworzeniu misji satelitarnych do obserwacji Ziemi i Księżyca,

Leonardo S.p.A., Włochy – jednostka specjalizująca się w konstrukcji zegarów atomowych, m.in. dla satelitów systemu Galileo.

CRAS jako lider konsorcjum posiada bardzo duże doświadczenie w wyznaczaniu trajektorii ruchu dla misji międzyplanetarnych, takich jak Cassini na Saturna, Juno na Jowisza, BepiColombo na Merkurego. Jednostka jest liderem w badaniach kosmosu, sztucznych satelitów oraz fizyki, więc nie bez przyczyny 2 miesiące temu nagroda Nobla z fizyki powędrowała do Prof. Giorgio Parisi właśnie z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie.

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. Brane będą pod uwagę sygnały tożsame z GNSS, a także obserwacje Dopplerowskie i laserowe – zarówno oparte o detektory laserowe, jak i retroreflektory laserowe na Księżycu i orbiterach. W projekcie zostanie zaprojektowana depesza nawigacyjna dla satelitów orbitujących wokół Księżyca z uwzględnieniem głównych perturbacji grawitacyjnych i niegrawitacyjnych. 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.

Logo projektu Europejskiej Agencji Kosmicznej ATLAS, którego celem jest zaprojektowanie misji do pozycjonowania i nawigacji na Księżycu.

Kto zaprojektuje system nawigacyjny dla Księżyca?

W polskim zespole projektującym system nawigacyjny znaleźli się naukowcy:

Prof. dr hab. inż. Krzysztof Sośnica – absolwent Uniwersytetu w Bernie, Instytutu Astronomicznego oraz profesor nauk ścisłych i technicznych. Specjalista z zakresu mechaniki nieba, geodezji satelitarnej, fizyki relatywistycznej, obserwacji GNSS i pomiarów laserowych, członek rady zarządzającej Międzynarodowej Służby Laserowych Pomiarów Odległości do Sztucznych Satelitów i Księżyca (2019-2021). Pełni funkcję kierownika projektu ESA po stronie polskiej.

Dr inż. Radosław Zajdel – specjalista z zakresu integracji systemów GNSS, przetwarzania obserwacji satelitarnych, a w szczególności systemu europejskiego Galileo. W projekcie kieruje zadaniem związanym z analizą możliwości wykorzystania ziemskich sygnałów satelitarnych na orbicie księżycowej oraz na powierzchni Księżyca oraz oceną dokładności pozycjonowania GNSS na Księżycu.

Dr inż. Grzegorz Bury – specjalista z zakresu wyznaczania precyzyjnych orbit sztucznych satelitów Ziemi oraz modelowania mikroprzyspieszeń – grawitacyjnych i niegrawitacyjnych, działających na sztuczne satelity i ich wpływu na trajektorię ruchu statków powietrznych, a w szczególności satelitów Galileo, GLONASS i GPS. W projekcie kieruje zadaniem związanym z analizą i uwzględnianiem perturbacji grawitacyjnych i niegrawitacyjnych na niskich i wysokich orbitach księżycowych oraz zaprojektowaniem depeszy nawigacyjnej dla orbiterów księżycowych.

Mgr inż. Dariusz Strugarek – specjalista z zakresu przetwarzania laserowych pomiarów odległości do sztucznych satelitów oraz wyznaczania kinematycznych orbit satelitów niskich z wykorzystaniem obserwacji GNSS. W projekcie zajmuje się oceną geometrii obserwacji dla pozycjonowania na Księżycu.