Місячний GPS може з’явитися вже до кінця десятиліття

Американське NASA за підтримки європейських і японських партнерів розробляє концепції навігаційної системи GPS для Місяця, яка може бути розгорнута вже наприкінці 2020-х років. У липні Китайське національне космічне управління (CNSA) представило свої плани з розгортання угруповання з 21 супутника зв’язку і навігації для місячних місій.

Ці проєкти з’явилися тому, що найближчими роками планується початок повномасштабної діяльності та досліджень на Місяці – це потребуватиме складної логістики, включно з системами позиціонування, навігації та синхронізації, які активно використовуються в земній інфраструктурі. NASA в рамках програми Artemis розраховує здійснити висадку астронавтів в області Південного полюса на Місяці, що потребує надійних ліній зв’язку і точних служб визначення місця розташування. Китай також має намір до кінця десятиліття здійснити висадку на Місяці, а безліч урядових і приватних організацій у найближчому майбутньому відправить туди дослідницькі апарати.

Комерційний космічний сектор вивчає можливості, які обіцяє молода місячна економіка: видобуток ресурсів, виробництво в умовах низької гравітації, наукові дослідження і туризм. Це потребуватиме надійної супутникової системи, яка підходить для Місяця – принаймні окремих його регіонів. І якщо на початковому етапі активна робота буде вестися в області Південного полюса, то GPS і зв’язок повинні бути забезпечені в цьому регіоні, але в довгостроковій перспективі буде потрібно охоплення всього супутника Землі.

Для реалізації цих проєктів потрібно відповісти на кілька складних питань. Наприклад, питання часу. Облік місячних місій ведеться, виходячи з циклів місячних ночі та дня, які тривають по два земних тижні; але поки що на Місяці немає стандартної шкали, подібної до системи всесвітнього координованого часу, яка є вихідною для всіх земних годинників.

Завдяки точному вимірюванню часу на світ з’явилися земні системи супутникової навігації: американська GPS, китайська BeiDou і європейська Galileo. Супутники всіх цих угруповань обладнуються атомним годинником, який допомагає визначати час із точністю до кількох мільярдних часток секунди. Місцезнаходження на Землі розраховують на основі часу проходження супутникових сигналів до наземних приймачів – зсув на одну наносекунду дає похибку на 30 см.

Тому точне визначення часу важливе і в місячних умовах, але є одна складність: годинник на Місяці йде трохи швидше, ніж на Землі – так працює загальна теорія відносності, яка свідчить, що масивні об’єкти сповільнюють перебіг часу.

Годинник на Місяці йде вперед від земного приблизно на 56 мікросекунд на день, свідчать результати опублікованого вченими NIST дослідження. При цьому відносний рух Місяця чинить на годинник протилежний вплив, злегка його сповільнюючи, але цей фактор недостатньо виражений, щоб значно впливати на гравітаційний ефект, який його прискорює.

Точної конфігурації місячних супутникових угруповань поки що не визначено. Американське NASA, європейське ESA і японське JAXA зараз курують проєкти навігаційних систем, які розроблятимуться спільно з комерційними партнерами. У NASA це «Місячна система ретрансляції та навігації» (Lunar Communication Relay and Navigation System); в ESA – Moonlight Initiative; у JAXA – «Місячна навігаційна супутникова система» (Lunar Navigation Satellite System). І всі вони об’єднаються в сумісну структуру LunaNet, яка забезпечить партнерським проєктам взаємодію. Тобто кожен учасник працює над своїм проєктом, але всі вони працюватимуть у єдиній системі.

Передбачається, що європейське Moonlight буде представлено угрупованням із щонайменше п’яти апаратів: одного великого супутника зв’язку і чотирьох навігаційних, які будуть розміщені на спеціальних орбітах для оптимізації покриття на Південному полюсі. Це забезпечить 15 годин надійного прийому сигналу на добу, але архітектура Moonlight передбачає можливість масштабування, тобто для складніших місій можна буде запускати нові апарати.

Думки Китаю та інших країн щодо систем місячної навігації поки невідомі – не виключено, що на Місяці їх буде кілька, як і на Землі. У березні країна запустила на місячну орбіту супутник «Цюецяо-2», призначений для роботи як ретранслятор. Утім на деяких міжнародних форумах Китай висловлював «зацікавленість у досягненні міжнародної сумісності».