Когда появится лунный GPS
Американское NASA при поддержке европейских и японских партнёров разрабатывает концепции навигационной системы для Луны, которая может быть развёрнута уже в конце 2020-х годов. В июле Китайское национальное космическое управление (CNSA) представило свои планы по развёртыванию группировки из 21 спутника связи и навигации для лунных миссий.
Эти проекты появились потому, что в ближайшие годы планируется начало полномасштабной деятельности и исследований на Луне — это потребует сложной логистики, включая системы позиционирования, навигации и синхронизации, которые активно используются в земной инфраструктуре. NASA в рамках программы Artemis рассчитывает произвести высадку астронавтов в области Южного полюса на Луне, что потребует надёжных линий связи и точных служб определения местоположения. Китай также намеревается до конца десятилетия произвести высадку на Луне, а множество правительственных и частных организаций в ближайшем будущем отправит туда исследовательские аппараты.
Коммерческий космический сектор изучает возможности, которые сулит молодая лунная экономика: добыча ресурсов, производство в условиях низкой гравитации, научные исследования и туризм. Это потребует надёжной спутниковой системы, которая подходит для Луны — по крайней мерее отдельных её регионов. И если на начальном этапе активная работа будет вестись в области Южного полюса, то навигация и связь должны быть обеспечены в этом регионе, но в долгосрочной перспективе потребуется охват всего спутника Земли.
Для реализации этих проектов потребуется ответить на несколько сложных вопросов. К примеру, вопрос времени. Учёт лунных миссий ведётся, исходя из циклов лунных ночи и дня, которые длятся по две земных недели; но пока на Луне отсутствует стандартная шкала, подобная системе всемирного координированного времени, которая является исходной для всех земных часов.
Благодаря точному измерению времени на свет появились земные системы спутниковой навигации: американская GPS, китайская BeiDou, российская ГЛОНАСС и европейская Galileo. Спутники всех этих группировок оборудуются атомными часами, которые помогают определять время с точностью до нескольких миллиардных долей секунды. Местоположения на Земле рассчитываются на основе времени прохождения спутниковых сигналов до наземных приёмников — сдвиг на одну наносекунду даёт погрешность на 30 см. Поэтому точное определение времени важно и в лунных условиях, но есть одна сложность: часы на Луне идут немного быстрее, чем на Земле — так работает общая теория относительности, которая гласит, что массивные объекты замедляют течение времени.
Часы на Луне уходят вперёд от земных примерно на 56 микросекунд в день, гласят результаты опубликованного учёными NIST исследования. При этом относительное движение Луны оказывает на часы противоположное влияние, слегка их замедляя, но этот фактор недостаточно выражен, чтобы значительно влиять на гравитационный эффект, который их ускоряет.
Точная конфигурация лунных спутниковых группировок пока не определена. Американское NASA, европейское ЕКА и японское JAXA сейчас курируют проекты навигационных систем, которые будут разрабатываться совместно с коммерческими партнёрами. В NASA это «Лунная система ретрансляции и навигации» (Lunar Communication Relay and Navigation System); в ЕКА — Moonlight Initiative; в JAXA — «Лунная навигационная спутниковая система» (Lunar Navigation Satellite System). И все они объединятся в совместимую структуру LunaNet, которая обеспечит партнерским проектам взаимодействие. То есть каждый участник работает над своим проектом, но все они будут работать в единой системе.
Предполагается, что европейская Moonlight будет представлена группировкой из как минимум пяти аппаратов: одного большого спутника связи и четырёх навигационных, которые будут размещены на специальных орбитах для оптимизации покрытия на Южном полюсе. Это обеспечит 15 часов надёжного приёма сигнала в сутки, но архитектура Moonlight предполагает возможность масштабирования, то есть для более сложных миссий можно будет запускать новые аппараты.
Мнения Китая и других стран в отношении систем лунной навигации пока неизвестны — не исключено, что на Луне их будет несколько, как и на Земле. В марте страна запустила на лунную орбиту спутник «Цюэцяо-2» (Queqiao-2), предназначенный для работы в качестве ретранслятора. Впрочем на некоторых международных форумах Китай выражал «заинтересованность в достижении международной совместимости».