Constelațiile GPS ar putea fi stabilizate cu ajutorul sateliților de pe orbita lunară
Sistemele globale de poziționare sunt folosite zilnic de o mare parte a populației lumii, de la livrarea mărfurilor până la evitarea ambuteiajelor. Însă aceste sisteme au o vulnerabilitate: depind de stații terestre care pot fi afectate de pene de curent, dezastre naturale sau atacuri cibernetice. Dacă stațiile terestre rămân offline suficient timp, întregul sistem poate începe să „deriveze”, adică să acumuleze erori de poziționare.
Inginerii aerospațiali caută de ani de zile soluții pentru această problemă, însă fără prea mult succes. Un studiu recent, condus de Xia Lin și Baojun Lin de la Centrul de Inginerie pentru Microsateliți din Shanghai și publicat în revista Satellite Navigation, propune o soluție inedită: conectarea sateliților GPS cu sateliți aflați pe orbită în jurul Lunii.
De ce legăturile exclusiv terestre nu pot ancora pozițiile
Constelațiile tradiționale de navigație folosesc, pe lângă legăturile cu stațiile terestre, o tehnică numită acces multiplu cu diviziune în timp pentru a menține contactul cu sateliții vecini, măsurând distanțele relative cu precizie de ordinul centimetrilor. Deși utilă pentru determinarea distanței dintre sateliți, această metodă nu poate stabili pozițiile lor absolute în spațiu.
Gravitația Pământului în jurul axei sale de rotație este aproape simetrică, astfel încât toți sateliții dintr-un „înveliș orbital” se pot deplasa simultan față de pozițiile lor la sol. Această derivă, cunoscută în dinamica orbitală drept deficiență de rang orientațional, introduce treptat erori de poziție în sistem dacă nu este corectată de stațiile terestre. Iar dacă aceste stații rămân offline zile sau săptămâni întregi, erorile de poziție pot crește până la distanțe semnificative.
Inginerii aerospațiali au încercat mai multe soluții, printre care senzori de stele, contoare de pulsari sau „prezicerea” orbitei în avans. Niciuna nu funcționează însă cu precizia necesară pentru a menține sistemul global GPS la nivelul de performanță așteptat. De aceea, cercetătorii s-au orientat către o soluție nouă: Luna.
Orbitele lunare oferă un punct de referință
Mai precis, soluția implică sateliți care orbitează în jurul Lunii, în așa-numitul spațiu cislunar. Este esențial ca aceștia să se afle pe orbită în jurul Lunii, nu al Pământului, pentru a putea detecta și corecta deriva care afectează constelațiile legate de Pământ.
Pentru sateliții lunari, cercetătorii au ales orbite lunare eliptice înghețate (ELFO), aceleași traiectorii pe care proiectele LunaNet al NASA și Moonlight al ESA intenționează să le folosească pentru misiuni la polul sud al Lunii.
Derivă redusă în rețeaua simulată
Pentru a testa ideea, cercetătorii au realizat o simulare de 60 de zile folosind date reale de la 24 de sateliți operaționali BeiDou-3 pe orbită medie terestră (MEO) și o legătură simulată cu patru sateliți pe orbită ELFO. Au constatat că, lăsat complet la legăturile tradiționale exclusiv terestre, fără corecții de la stațiile terestre, sistemul a derivat cu aproximativ 7,85 metri pe parcursul celor două luni.
Această derivă s-a redus semnificativ când s-a folosit predicția traiectoriei, ajungând la doar 0,6 metri până în ziua 60, dacă sateliții își prevedeau modificările orbitale. Cele mai bune rezultate au venit însă din rețeaua simulată comună Pământ–Lună, cu o derivă de doar 0,35 metri pe parcursul experimentului de două luni.
Un beneficiu suplimentar al acestei configurații este că corecția funcționează în ambele sensuri. Sateliții legați de Pământ pot oferi date corective de poziție celor din jurul Lunii. Deși corecția nu a fost la fel de bună, cei patru sateliți ELFO simulați au deviat cu doar 2,26 metri față de pozițiile lor estimate.
O infrastructură lunară bine poziționată este esențială pentru viitoarele operațiuni cu echipaj uman planificate acolo. Un astfel de sistem ar putea rezolva simultan o problemă de pe Pământ și le-ar oferi viitorilor exploratori poziționarea precisă de care vor avea nevoie pe suprafața lunară.
