Aktualności

Rozwiązanie naukowców z IGiG znajdzie się w systemie nawigacyjnym Księżyca

30-03-2025

Każdy satelitarny system nawigacyjny wymaga sposobu przekazania informacji o aktualnych pozycjach satelitów oraz czasie. Informacje te nadawane są przez satelity w postaci tzw. depeszy nawigacyjnej i almanachu. Naukowcy z IGiG zaprojektowali depeszę nawigacyjną, która zostanie wykorzystana w systemie nawigacji i telekomunikacji Europejskiej Agencji Kosmicznej na Księżycu – Moonlight – jako kluczowy element systemu. Pierwsze satelity ze strukturą sygnału zaprojektowaną przez polski zespół zostaną wyniesione w 2028 r. na orbitę okołoksiężycową, a system uzyska pełną operacyjność w zakresie telekomunikacji, nawigacji i pozycjonowania w 2030 r.

Dzięki czemu działa GPS?
Każdy nawigacyjny system satelitarny, np. GPS czy też Galileo, wymaga przekazania informacji do użytkownika o dokładnej pozycji satelitów, z których wysyłane są sygnały. Odbiornik rejestruje te sygnały i wraz z pomierzoną pseudo-odległością od satelitów wylicza swoją pozycję. Dokładność pozycji satelitów przekazana w depeszy nawigacyjnej wpływa bezpośrednio na dokładność wyznaczonej pozycji odbiornika. Dlatego pozycja satelitów oraz poprawka zegara satelitarnego muszą być znane z najwyższą możliwą precyzją nie tylko w danym momencie czasowym, lecz również jako predykcja, gdyż depesza jest aktualizowana zazwyczaj co kilka godzin.

System nawigacji na Księżycu
Warunki na orbicie okołoksiężycowej różnią się znacząco od tych, które panują wokół Ziemi. Dlatego nie można zastosować bezpośrednio rozwiązań znanych z GNSS w systemie nawigacyjnym Moonlight. Zespół naukowców z IGiG zaprojektował strukturę depeszy nawigacyjnej oraz almanachu dostosowaną do systemu nawigacyjnego na Księżycu. Trzeba było wziąć pod uwagę fakt, że satelity nie będą poruszały się po orbitach kołowych jak ma to miejsce w GNSS, lecz po orbitach silnie mimośrodowych z perycentrum na wysokości 1 900 km i apocetrum – 14 000 km. Powoduje to znaczną różnicę prędkości ruchu satelitów. Ponadto, perturbacje orbit spowodowane potencjałem grawitacyjnym Księżyca są zupełnie inne niż na orbicie ziemskiej, gdyż Księżyc jest mniej spłaszczony niż Ziemia, ale z drugiej strony wykazuje się dużą asymetrycznością pomiędzy bliższą (widoczną z Ziemi) i dalszą stroną.

Symulator orbitalny
Prace nad zaprojektowaniem depeszy nawigacyjnej rozpoczęły się od stworzenia symulatora orbitalnego. Taki symulator został od podstaw stworzony w IGiG wykorzystując oprogramowane Bernese GNSS Software. Symulator uwzględnia wszystkie istotne siły działające na satelity na orbicie okołoksiężycowej, umożliwiające pozycjonowanie z dokładnością centymetrową. Symulator zawiera siły grawitacyjne potencjału Księżyca z rozdzielczością 100 km (na podstawie misji GRAIL), ruch obrotowy Księżyca (librację), przyciąganie Ziemi (wraz ze spłaszczeniem), przyciąganie Słońca i planet, siły pływowe deformujące powierzchnię Księżyca (niemal stałe od Ziemi i zmienne od Słońca) oraz efekty relatywistyczne. Siły niegrawitacyjne uwzględniają wpływ ciśnienia słonecznego (wraz z identyfikacją momentu wejścia satelity w cień Księżyca i Ziemi), albedo Księżyca, promieniowanie termiczne Księżyca oraz odrzut ze względu na nadawanie sygnału przez satelity (tzw. ciąg anteny). Do stworzenia modelu wykorzystano kształt i parametry satelity GPS wraz ze współczynnikami odbicia, rozproszenia i absorpcji korpusu satelity i paneli słonecznych. Tak szczegółowy model sił pozwolił na stworzenie symulatora, którym następnie były generowane pozycje satelitów na orbicie okołoksiężycowej. Kluczowe było tutaj doświadczenie zespołu w tworzeniu szczegółowych modeli satelitów Galileo i wyznaczania ich dokładnych orbit.

Oszczędność w kosmosie
Projektowanie misji kosmicznych wymaga oszczędności zarówno w zakresie masy satelity jak i ilości przesyłanych informacji. Dlatego podstawą zaprojektowania depeszy była minimalizacja bitów, które satelita musi wysłać do użytkownika. Zaproponowano tutaj dwa podejścia – jedno oparte o parametry Keplera opisujące orbitę wraz z poprawkami oraz drugie – oparte o wielomiany Czebyszewa. Pierwsze rozwiązania minimalizuje liczbę bitów niezbędną do przesłania. Posiada jednak wadę w postaci niskiej dokładności przy przelotach przez perycentrum ze względu na duże perturbacje orbity oraz niską skalowalność. Rozwiązanie oparte o wielomiany wymaga większej liczby bitów do reprezentacji orbity, jednak zwiększenie dokładności następuje poprzez dodanie dodatkowych wyrazów, dzięki czemu zapewnia nawet centymetrową dokładność (bądź lepszą). ESA ostatecznie przyjęła rozwiązanie mieszane, w którym pozycje satelitów będą przesyłane w postaci parametrów Keplerowskich, natomiast poprawki opisującej odstępstwa od orbity „idealnej” – w postaci wielomianów. Wszystkie rozwiązania spełniły wymogi dokładnościowe i nadają się do reprezentacji pozycji satelitów i całej konstelacji (almanachu) zarówno w czasie rzeczywistym, jak i w przypadku predykcji pozycji satelitów (przewidywań pozycji w przyszłości).

Rozwiązanie zostanie wdrożone w systemie ESA Moonlight
Zaprojektowany model zostanie wykorzystany w systemie nawigacji na Księżycu począwszy od 2028 r. System zapewni przyszłym misjom księżycowym bezpieczne lądowanie, astronautom bezpieczną nawigację na powierzchni Księżyca, czy też budowę stałej stacji w okolicach bieguna południowego. System satelitarny umożliwi również pozycjonowanie satelitom niskim poruszającym się blisko powierzchni Księżyca. Dotychczas na Księżycu nie został zbudowany system nawigacyjny, co sprawia, że skuteczność lądowań jest na poziomie 50%, co jest nieakceptowalne w szczególności w przypadku nadchodzących misji załogowych. Rozwiązanie polskiej zespołu przyczyni się znacząco do poprawy bezpieczeństwa w zakresie lądowania na Księżycu, a w dalszym kroku - kolonizacji innych ciał niebieskich.

Prace zostały zrealizowane w ramach umowy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA AO/1-10712/21/NL/CRS, projekt Fundamental techniques, models and algorithms for a Lunar Radio Navigation system). Autorem koncepcji reprezentacji orbity Keplerowskiej z poprawkami był dr inż. Grzegorz Bury, natomiast z wykorzystaniem wielomianów Czebyszewa – dr inż. Radosław Zajdel. Kierownikiem projektu w polskim zespole był prof. Krzysztof Sośnica.

Więcej na temat rozwiązania można przeczytać w artykule:

Bury, G., Zajdel, R. & Sośnica, K. (2025) Design of the broadcast ephemerides for the Lunar Communication and Navigation Services system. Prog Earth Planet Sci 12, 20 (2025). https://doi.org/10.1186/s40645-024-00676-1