Marsjański System Nawigacji Satelitarnej – nauka czy naukowa fikcja?

Zapraszamy do podsumowania dotyczącego planów działania marsjańskiego systemu nawigacji satelitarnej.

Wraz z nowymi odkryciami po analizie danych z instrumentów naukowych sond przelatujących nieopodal, orbitujących lub znajdujących się na powierzchni planet Układu Słonecznego, naukowcy na nowo rozpoczynają dyskusje publiczne na temat życia pozaziemskiego. Taki efekt wydaje się być pozytywny z uwagi na fakt, iż wiele osób dowiaduje się z radia bądź telewizji o aktualnym stanie badań kosmosu. W ostatnich dniach byliśmy świadami dyskusji na temat wykrycia na Marsie podpowierzchniowych pokładów wody w stanie ciekłym, co związane jest z publikacją w dniu 25 lipca 2018 r. artykułu włoskich badaczy na łamach Science. Z kolei artykuł autorstwa dwóch amerykańskich naukowców opublikowany w Nature Astronomy kilka dni później wyhamował aspiracje zwolenników teorii terraformowania Marsa do szybkiego przekształcania sąsiedniej planety w Ziemio-podobną.

Wiele dziedzin nauki z uwagi na ograniczenia technologiczne lub zbyt wysokie koszty, z jakimi wiążą się często futurystyczne koncepcje, nie wychodzi poza ramy rozważań czysto teoretycznych lub prac koncepcyjnych. Proces sterowania ruchem (tj. nawigacja) bezzałogowego obiektu poruszającego się w pobliżu innej niż Ziemia planety lub na jej powierzchni jest zadaniem trudnym. Ponadto plany lotów załogowych na Czerwoną Planetę będą wiązały się z instalacją na jej powierzchni obiektów, których współrzędne będą musiały być wyznaczone z określoną dokładnością w zdeterminowanym układzie. Budowa satelitarnego systemu radionawigacyjnego, przeznaczonego dla innych planet wydaje się bardzo futurystycznym pomysłem, prawdopodobnie dla wielu również bezcelowym.

W tym miejscu rodzi się pytanie: czy ktoś zadał sobie kiedykolwiek trudu polegającego na umotywowaniu koncepcji realizacji systemu nawigacji satelitarnej dla planety innej niż Ziemia i przeanalizował uwarunkowania techniczne realizacji takiego systemu? Odpowiedź brzmi: tak i są to badania ekspertów finansowane przez poważne instytucje! Więc kolejno istotne stają się pytania, czy budowa systemu wzorowana byłaby na znanych nam konstelacjach satelitów GNSS (GPS, Glonass, Galileo, Beidou) i czy charakterystyki eksploatacyjne systemu dla Marsa byłyby podobne do tych istniejących na Ziemi? Celem niniejszego artykułu jest przybliżenie odpowiedzi na te pytania na przykładzie analizy aktualnego stanu wiedzy w tym obszarze tematycznym.

Definicja słowa Globalny, czyli gdzie w kosmosie można skorzystać z GNSS?

Przymiotnik globalny według słownika PWN oznacza „odnoszący się do całego świata”, gdzie pod pojęciem „świat” należy rozumieć Ziemię jako planetę. Użycie słowa „globalny” w akronimie GNSS w przytoczonym znaczeniu poprawnie oddaje zakres stosowalności tych systemów. W latach 80 poprzedniego stulecia zapoczątkowano wykorzystanie odbiorników GNSS do pozycjonowania, wyznaczania prędkości oraz synchronizacji czasu obiektów wysyłanych w przestrzeń kosmiczną. Kolejnymi zastosowaniami sygnałów GNSS w misjach naukowych jest reflektometria, okultacja radiowa GNSS, sondowanie atmosfery (meteorologia i badania środowiskowe).

Celem anten nadawczych satelitów GNSS jest skierowanie fal radiowych w stronę Ziemi, co realizowane jest w postaci wiązki głównej i tzw. wiązek (listków) bocznych promieniowania (Rys. 1b). Szerokość kątowa wiązki głównej jest większa, niż kąt pod jakim widziany jest glob Ziemski z wysokości (w przedziale 19-23 tys. km, w zależności od systemu) na jakiej znajdują się satelity GNSS. W związku z powyższym, promieniowanie stanowiące część wiązki głównej oraz w postaci listków bocznych omija Ziemię (Rys. 1a). Sygnał GNSS może zostać odebrany przez obiekty znajdujące się poniżej wysokości orbit satelitów GNSS (antena odbiornika skierowana do zenitu lub do nadiru) lub obiekty znajdujące się ponad wysokością 23 tys. km (antena skierowana do nadiru). Miarami zdolności serwisu kosmicznego GNSS (SSV – Space Service Volume) do świadczenia serwisu pozycyjnego są takie parametry jak: minimalna moc odbierana, widoczność satelitów, dokładność wyznaczanych pseudoodległości oraz współczynnik geometrycznej dokładności (GDOP). Wraz z oddalaniem się od Ziemi, wymienione parametry będą zmieniały się na niekorzyść użytkownika. W ramach misji NASA nazwanej Magnetospheric Multi-Scale udowodniono, iż odbiorniki zainstalowane na 4 satelitach lecących w formacji, które znajdowały się na orbicie silnie ekscentrycznej o apogeum 70 000 km były w stanie śledzić nieprzerwanie sygnały od 8 do 12 satelitów GPS. Ta odległość jest dużo mniejsza, niż najmniejsza odległość Ziemi od Marsa, czyli ok. 56 mln km, więc potrzebny jest…

… Marsjański System Nawigacji Satelitarnej

Precyzyjne wyznaczanie pozycji, nawigacja i synchronizacja czasu jest czynnością konieczną w misjach satelitów orbitujących odległą planetę, pojazdów lądujących (szczególnie końcowa faza lądowania) i startujących z powierzchni planety a także podczas wykonywania działań na powierzchni planety (mobilnych i statycznych) oraz obiektów latających (balony i helikoptery).

Dotychczas zadania łączności i nawigowania obiektów wysyłanych przez człowieka w przestrzeń kosmiczną były lub/oraz mogą być z realizowane z użyciem Sieci Dalekiej Łączności Kosmicznej (DSN) zarządzanej przez NASA JPL, a także jej odpowiednikami w Rosji, Chinach, Indiach i Japonii oraz Europie – European Space Tracking (ESTRACK). Systemy te wykorzystują różne techniki pomiaru: (I) przesunięcia Dopplera (pomiar prędkości przemieszczania się sondy), (II) Delta DOR (delta – Differential One-way Range) oraz (III) pomiary kodowe odległości. Ostatnia ze wskazanych technik jest podobna do stosowanej w znanych nam globalnych satelitarnych systemach radionawigacji bazującą na funkcji autokorelacji transmitowanego z Ziemi i retransmitowanego przez dany obiekt sygnału złożonego z pseudolosowych sekwencji bitowych. Uzyskiwane są w ten sposób dokładności szacowane są na 5 do 10 metrów dla obiektów znajdujących się w pobliżu Marsa. Zasada pomiaru odległości i tzw. „linii namiaru” (miary kątowej) w technice delta DOR polega na jednoczesnym śledzeniu sygnału z sondy kosmicznej oraz obserwacji odległych radioźródeł, takich jak kwazary. Uzyskiwane dokładności sięgają rzędu pojedynczych nanoradianów, co w przypadku odległości Ziemia-Mars jest równoznaczne z błędem wyznaczenia pozycji ok. 1 km. Ograniczenia tej metody wynikają z efektu tłumienia fal elektromagnetycznych (wpływa gazów atmosfery oraz tzw. „tłumienie kosmiczne”) oraz destruktywnego wpływu silnych zakłóceń elektromagnetycznych ze strony Słońca w określonych warunkach ułożenia planet. Ponadto niemożliwe jest użycie tej techniki w momencie, kiedy obiekt znajduje się po niewidocznej z Ziemi części danej planety.

Istnieje również szereg możliwości autonomicznego wyznaczania pozycji obiektu znajdującego się na innej planecie. Łaziki Marsjańskie w celu odnalezienia optymalnej trasy przejazdu (Rys. 2) pozyskują zobrazowania i na zasadzie generowania stereopar mogą pozyskać informację 3D o otaczającym go terenie (ta technika wchodzi w skład szerszego pojęcia odometrii wizualnej). Ponadto używane są jednostki inercjalne bazujące na pracy akcelerometrów i żyroskopów. Stosowane są także techniki radarowe oraz dalmierze laserowe (w przypadku lądowników do pomiaru odległości od powierzchni Marsa). Technologia optyczna wykorzystywana jest w czujnikach Słońca i tzw. „star trackerach” które są zdolne do wykonywania „zdjęć” otaczającej obiekt przestrzeni kosmicznej i na podstawie analizy rozmieszczenia na nich radioźródeł (gwiazd, kwazarów) lub innych planet są w stanie określić orientację przestrzenną obiektu.

Wykorzystanie opisanych wcześniej technik i technologii jest czasochłonne, a instalacja sprzętu na obiekcie wysyłanym na Czerwoną Planetę pociąga za sobą koszty (koszt finansowy aparatury, a także ciężar, objętość, moc obliczeniowa i zużycie energii dodatkowych podsystemów). Wraz z postępującym procesem eksploracji Marsa, pod względem praktycznym bezsprzecznie korzystna byłaby budowa niezależnego od Ziemi systemu nawigacji satelitarnej umożliwiającego wyznaczanie pozycji obiektów znajdujących się na Marsie i w jego pobliżu w jednakowym w skali całej planety układzie współrzędnych.

Już w 1999 roku NASA w ramach programu Mars Surveyor Program postanowiła podejść poważnie do tematu budowy satelitarnego systemu łączności oraz nawigacji pod nazwą Mars Network [3]. Naukowcy JPL opracowali architekturę systemu, zrealizowali studium wykonalności oraz za pomocą symulacji i obliczeń matematycznych wyznaczyli miary zdolności proponowanego nawigacyjnego systemu marsjańskiego do świadczenia serwisu pozycyjnego. W wyniku analiz stwierdzono, iż najbardziej optymalnym rozwiązaniem będzie umieszczenie na kołowych orbitach Marsa o wysokości 800 km sześciu mikrosastelitów o masie nieprzekraczającej 100 kg. Podczas, gdy cztery satelity miałyby być umieszczone na orbicie okołobiegunowej, dwa z nich planowano umieścić na orbicie zbliżonej do równikowej (Rys. 3.). Wszystkie z wymienionych miały być orbitami wstecznymi. Założono, iż satelity będą wyposażone w radiowe urządzenie nadawczo-odbiorcze UHF do komunikacji z obiektami znajdującymi się na powierzchni Marsa oraz moduł do łączności z Ziemią pracujący w paśmie X (radio dalekiego zasięgu). Połączenia z „użytkownikami” znajdującymi się na Marsie lub w jego pobliżu byłyby realizowane w dwóch kanałach (435-442 MHz oraz 400-405 MHz) z dostępem typu FDMA (dostęp wielokrotny z podziałem częstotliwości). Z założenia byłby to system wykorzystujący efekt Dopplera, lecz pomiar pseudoodległości oraz pomiary fazowe też byłyby możliwe. Reprezentacja kodu pseudoprzypadkowego miałaby się odbywać poprzez kluczowanie fazy, tj. dyskretne zmiany fazy fali nośne BPSK (ang. Binary Phase-Shift Keying). Wyznaczanie danych efemerydalnych satelitów nawigacyjnych (dane umożliwiające precyzyjne obliczenie współrzędnych satelitów) miałoby odbywać się z wykorzystaniem naziemnego systemu DSN, jednak z uwagi na ograniczenia związane z dokładnością zauważono iż potrzebny byłby niezależny od Ziemi segment Marsjańskiego Systemu Nawigacji Satelitarnej. W związku z powyższym rozważano wykorzystanie lądowników rozmieszczonych na powierzchni Marsa, które mogłyby pełnić funkcje stacji monitorujących.

Z uwagi na niedużą liczbę satelitów w planowanej konstelacji, dokładności wyznaczenia współrzędnych rzędu 10 metrów wymagałaby kilkugodzinnych sesji pomiarowych. Zakładano, iż w kolejnych fazach system mógłby być rozwijany.

Marsjański system nawigacji był także przedmiotem badań zleconych przez ESA w ramach programu eksploracji Marsa pod nazwą Aurora [5] (ustanowionego w 2001 roku). Koncepcja Europejska została zainicjowana w 2002 roku i nazwano ją MARCO POLO (MARtian COnstellation for Precise Object LOcation). W wyniku zastosowania podejścia efektywnego kosztowo oraz w wyniku analizy potrzeb co do zdolności wyznaczania pozycji i nawigacji w ramach przyszłych misji Marsjańskich ustalono, iż system MARCO POLO będą stanowiły satelity o masie 250 kilogramów budowane na bazie platformy Gammabus firmy Astrium (Rys. 4). Założono, że ładunkiem nawigacyjnym satelity będzie przeskalowany do 20 kg oraz do poboru energii 280 W ładunek podobny do tego, który był w tamtym czasie opracowywany dla satelitów Galileo.

Zaplanowano rozwój systemu w 3 fazach:

Faza 1 – 4 satelity na orbicie 3100 km, inklinacja 111°, dokładność 20 m, czas pomiarów do 20 godzin;

Faza 2 – 3 satelity na orbicie aerostsacjonarnej (odpowiednik geostacjonarnej dla Marsa), oraz 12 satelitów na orbitach o wysokości 8100 km w konstelacji Walkera na 3 płaszczyznach o inklinacji 55°, dokładność 5 m, pomiary w czasie rzeczywistym w określonych obszarach;

Faza 3 – 21 satelitów na orbitach o wysokości 8100 km w konstelacji Walkera na 3 płaszczyznach o inklinacji 55°, dokładność większa niż 5 m, pomiary w czasie rzeczywistym globalnie.

Niewątpliwie autonomiczny system pozycjonowania satelitarnego byłby korzystnym rozwiązaniem dla Marsa w kontekście przyszłych lotów załogowych i dalszej eksploracji kosmosu. Niemniej jednak badania związane z planowaniem uruchomienia konstelacji wymagają uwzględnienia takich aspektów jak efekty jonosferyczne, badanie pola grawitacyjnego Marsa, problem wyznaczania precyzyjnych orbit satelitów nawigacyjnych.  Przytoczone w tym artykule projekty zakończyły się na fazie koncepcyjnej i na dzień dzisiejszy z uwagi na ograniczony budżet agencji kosmicznych, nie podjęto decyzji o budowie dla Marsa odpowiednika Ziemskiego GNSS. Niemniej jednak wśród naukowych publikacji w ostatnich latach pojawia się opis rozważań, symulacji lub badań szczegółowych związanych z funkcjonowaniem przyszłego systemu nawigacji na Marsie.

Źródła:

[1] Bauer, F. GNSS Space Service Volume and Space User Data Update. 15th Meeting of the GNSS Provider’s Forum. November 2015

[2] Marquis, W. The GPS Block IIR/IIR-M Antenna Panel Pattern. Lockheed Martin Space Systems Company Presentation, 2014

[3] Ely T., Anderson R., Bar-Sever Y., Bell D., Guinn J., Jah M., Kallemeyn P., Levene E., Romans L., and Wu S. (1999). “Mars Network Constellation Design Drivers and Strategies”. Proceedings of the AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, Girdwood, Alaska, 16–19 August 1999. American Astronautical Society, San Diego, California.

[4] O’Keefe K., Lachapelle G., Skone S. Simulated positioning performance of the JPL mars network operating in conjunction with the European netlanders mission Proceedings of the National Technical Meeting, Institute of Navigation. 2004: 614-623.

[5] Fernández A., Pirondini F., Janin G., Study on Martian GNSS Executive Summary, DEIMOS Space S.L., 2003

Ważne: artykuł chroniony prawem autorskim, co oznacza że wszelkie prawa, w tym Autorów i Wydawcy są zastrzeżone. Zabronione jest dalsze rozpowszechnianie tego artykułu w jakiejkolwiek formie bez pisemnej zgody ze strony właściciela serwisu Kosmonauta.net – firmy Blue Dot Solutions. Napisz do nas wiadomość z prośbą o wykorzystanie. Niniejsze ograniczenia dotyczą także współpracujących z nami serwisów.