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Légende de l'image : L'architecture « Lunar Network » de la NASA peut fournir des services de navigation et de communication à proximité de la Lune.

Notre envoyé spécial Chen Yang

Alors que le nouveau cycle de plans d'exploration et de développement lunaires devient de plus en plus populaire, la proposition visant à établir un système de navigation lunaire a également été mise à l'ordre du jour. Selon un article du South China Morning Post de Hong Kong du 14 juillet, des scientifiques chinois ont récemment proposé un plan de conception pour construire une constellation de communication et de navigation similaire au système de navigation Beidou, capable de desservir la Lune entière. Auparavant, les États-Unis, l’Europe et le Japon proposaient tous leurs propres plans de navigation lunaire. Alors, quels sont les défis liés à la construction d’un système de navigation lunaire ?

Des universitaires chinois proposent un plan de navigation lunaire

Le South China Morning Post a cité un article publié en juin dans la revue China Space Science and Technology selon lequel l'équipe de recherche chinoise a examiné de manière approfondie divers indicateurs tels que les communications par relais, la navigation lunaire, les coûts de construction et de maintenance des constellations, et a proposé un 21. Le concept d'une constellation de navigation spatiale proche de la Lune composée de 10 satellites vise à fournir une navigation à long terme et de haute précision pour les activités d'exploration à long terme et à haute densité des êtres humains sur la Lune.

"South China Morning Post" a déclaré qu'actuellement à la surface de la Terre ou dans l'espace proche de la Terre, le système de positionnement global (GPS) américain, le système de navigation par satellite chinois Beidou, le système de navigation par satellite européen "Galileo" et le satellite russe "GLONASS" sont principalement utilisés. Le système de navigation fournit des services de positionnement et de navigation de haute précision par tous les temps aux utilisateurs du monde entier. Ces systèmes mondiaux de navigation par satellite se composent généralement de 20 à 35 satellites, avec une précision de plusieurs mètres. Les utilisateurs peuvent utiliser la combinaison de signaux d'au moins 4 satellites pour positionner et obtenir des informations temporelles avec précision.

Le plan de navigation sur la surface lunaire proposé par les scientifiques chinois est similaire à celui-ci. La navigation nécessite qu'au moins quatre satellites soient visibles par la cible en même temps. Selon le rapport, l'étude propose également un itinéraire de construction d'une constellation spatiale proche de la Lune qui permettra progressivement de naviguer sur toute la Lune en trois étapes. L'équipe de recherche chinoise a déclaré que les recherches ultérieures combineraient la technologie d'optimisation des paramètres orbitaux pour former une solution de navigation lunaire plus systématique.

Le rapport mentionne que même si le document ne donne pas de calendrier de construction précis, le plan préliminaire du projet d'exploration lunaire de la Chine et le plan de la station internationale de recherche scientifique lunaire ont déjà été annoncés : la Chine envisage d'envoyer des astronautes sur la Lune avant 2030, et d'envoyer des astronautes sur la Lune d'ici 2035. Une station internationale de recherche scientifique lunaire avec des fonctions fondamentalement complètes et des éléments de support de base a été construite il y a deux ans avec le pôle sud lunaire comme noyau, et une version étendue sera construite d'ici 2045.

Les États-Unis, l’Europe et le Japon ont tous proposé des plans de navigation lunaire

Ces dernières années, la construction de constellations spatiales proches de la Lune est devenue un sujet brûlant dans la recherche aérospatiale. Avec de plus en plus d'activités d'exploration et de développement lunaires, l'idée d'établir un système de navigation lunaire est constamment proposée. Afin de répondre aux besoins de navigation du programme américain d'alunissage habité « Artemis », des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) ont confirmé en 2020, après des calculs, que le signal du satellite GPS était proche de la lune, à 380 000 kilomètres. Il est toujours capable de fournir des services. On dit que le vaisseau spatial en orbite lunaire peut obtenir les signaux de 5 à 13 satellites GPS et que la précision de positionnement est comprise entre 200 et 300 mètres.

Mais si l’on souhaite mener des activités d’exploration et de développement à grande échelle sur la surface lunaire, une telle précision de positionnement est loin d’être suffisante. Un rapport de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) montre que la puissance du signal d'un système mondial de navigation par satellite fonctionnant près de la Terre, près de la Lune, à 380 000 kilomètres de distance, ne représente que 1/30 de la puissance du signal au sol, et qu'en raison de l'obstruction du lune elle-même, ces signaux de navigation ne peuvent pas être reçus de la face cachée de la lune. Dans le même temps, la surface de la Lune est recouverte de cratères et les faibles signaux de navigation provenant de la Terre sont facilement bloqués par les collines et les bords des cratères. Par conséquent, des satellites de communication relais spéciaux sont nécessaires pour fournir un soutien. La Chine possède déjà une expérience réussie dans le relais des communications lunaires. Les satellites Queqiao-1 et Queqiao-2 lancés en 2018 et 2024 ont fourni un support de communication par relais pour plusieurs missions d'exploration lunaire.

En 2020, la NASA a proposé l'architecture « Lunar Network » pour soutenir le programme « Artemis », qui peut répondre aux besoins de communication entre les astronautes et les vaisseaux spatiaux sur et à proximité de la surface lunaire, et permet également aux astronautes et aux rovers de communiquer sur la surface lunaire. surface lunaire pour obtenir des informations de position et d'heure. Pour cette raison, la NASA a lancé le « Lunar Communication Relay and Navigation System » en janvier 2022 et prévoit de lancer plusieurs satellites opérant en orbite lunaire. Le 28 juin 2022, la sonde américaine « Capstone » a été lancée. La sonde de la taille d'un micro-ondes est présentée comme « le premier satellite de navigation lunaire au monde » et l'une de ses missions est de vérifier et de tester de nouvelles technologies de navigation afin de réduire le risque des futures missions.

L’Europe avance également des projets de services de communications lunaires. En 2021, l'Agence spatiale européenne (ESA) a publié le plan « Moonlight », proposant de construire un système de communication et de navigation partagé (LCNS) lunaire durable vers 2027, et prévoit de lancer le premier « Lunar Pathfinder » en 2025. Le satellite mène des études techniques vérification sur une orbite gelée elliptique.

En 2022, la JAXA japonaise a également proposé le « Lunar Navigation Satellite System (LNSS) », qui prévoit de déployer huit satellites sur l'orbite elliptique lunaire pour fournir des services de communication par relais et de navigation et de positionnement pour les détecteurs dans la région du pôle sud lunaire.

Il n'est pas facile de construire un système de navigation lunaire

Bien qu'il existe déjà quatre grands systèmes mondiaux de navigation et de positionnement à proximité de la Terre, il n'est pas facile de les « déplacer » vers la surface de la Lune. Selon le site Web de la NASA, la première chose qui affecte la construction du système de navigation lunaire est la question de l'heure lunaire. Les derniers calculs de la NASA montrent que selon l'effet de « dilatation du temps » de la théorie de la relativité, par rapport au temps passé à la surface de la Terre, le temps passé à la surface de la Lune est 57,5 ​​microsecondes plus rapide par jour terrestre, et même le temps passé à la surface de la Lune est différent de celui de l'orbite de la lune. Étant donné que la précision temporelle du système mondial de navigation et de positionnement a atteint le niveau de la microseconde, cet impact du temps lunaire ne peut être ignoré. Et la Lune n’a actuellement pas d’étalon horaire indépendant. Le programme d'exploration lunaire de chaque pays utilise sa propre échelle de temps et la convertit en « Temps universel coordonné ». Cependant, avec le nombre croissant d'activités d'exploration lunaire, le problème des normes d'heure lunaires incohérentes devient de plus en plus grave. En novembre 2022, des représentants d’agences spatiales mondiales et d’organisations universitaires se sont réunis au Centre européen de recherche et de technologie spatiales de l’Agence spatiale européenne pour rédiger des recommandations sur la manière de définir l’heure lunaire. Patrizia Tavera, directrice du Département du temps du Bureau international des poids et mesures, a déclaré que si une heure lunaire officielle n'était pas établie, les agences spatiales nationales et les entreprises privées agiraient selon leurs propres plans.

Deuxièmement, la NASA a déclaré que les quatre principaux systèmes mondiaux de navigation et de positionnement sont basés sur le système mondial d'observation géodésique (GGOS). Ce n'est que grâce à ce dernier que des coordonnées et des altitudes unifiées et coordonnées de la surface de la Terre peuvent être obtenues. Cependant, il n’existe actuellement aucun système de coordonnées géographiques similaire établi sur la surface lunaire‌. La National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) des États-Unis fait progresser les travaux de mesure connexes et établit un « Système de référence lunaire (LRS) », mais cela nécessite une grande quantité de données d'observation. La NASA a reconnu qu'elle ne s'attend pas à jouer un rôle dans le programme Artemis dans un avenir proche.

En outre, la mise en œuvre spécifique du plan de navigation lunaire sera également affectée par la forme et la masse de la lune elle-même. Par exemple, l'étoile relais Queqiao-2 adopte une grande orbite gelée elliptique autour de la lune comme orbite de mission. Cela est dû au fait que la forme et la structure de la lune sont irrégulières et que les vaisseaux spatiaux volant à proximité de la lune sont affectés par des facteurs tels que la gravité de la lune. , et leurs orbites de vol sont sujettes aux déviations.

Il convient de noter que les programmes de navigation lunaire des États-Unis, de l'Europe et du Japon prévoient de fournir des services de navigation lunaire améliorés grâce à une coopération mutuelle et d'établir des normes internationales. Les États-Unis et l’Europe commenceront également à piloter l’utilisation de signaux de navigation par satellite faibles émis par des sondes terrestres pour calculer des positions sur la Lune à partir de 2024. ▲