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Didascalia immagine: L'architettura "Lunar Network" della NASA può fornire servizi di navigazione e comunicazione vicino alla Luna.

Il nostro corrispondente speciale Chen Yang

Man mano che il nuovo ciclo di piani di esplorazione e sviluppo lunare diventa più popolare, anche la proposta di istituire un sistema di navigazione lunare è stata messa all’ordine del giorno. Secondo un rapporto del South China Morning Post di Hong Kong del 14 luglio, gli scienziati cinesi hanno recentemente proposto un piano di progettazione per costruire una costellazione di comunicazione e navigazione simile al sistema di navigazione Beidou che possa servire l'intera luna. In precedenza, Stati Uniti, Europa e Giappone avevano proposto i propri piani di navigazione lunare. Quindi quali sono le sfide nella costruzione di un sistema di navigazione lunare?

Gli studiosi cinesi propongono un piano di navigazione lunare

Il South China Morning Post ha citato un articolo pubblicato sulla rivista China Space Science and Technology a giugno in cui si afferma che il gruppo di ricerca cinese ha considerato in modo esauriente vari indicatori come le comunicazioni tramite relè, la navigazione lunare, i costi di costruzione e manutenzione delle costellazioni, e ha proposto un 21 Il concetto di una costellazione di navigazione spaziale vicino alla Luna composta da 10 satelliti mira a fornire una navigazione ad alta precisione e a lungo termine per le attività di esplorazione a lungo termine e ad alta densità degli esseri umani sulla Luna.

Il "South China Morning Post" ha affermato che attualmente sulla superficie terrestre o nello spazio vicino alla Terra vengono utilizzati principalmente il sistema di posizionamento globale (GPS) degli Stati Uniti, il sistema di navigazione satellitare Beidou della Cina, il sistema di navigazione satellitare europeo "Galileo" e il satellite russo "GLONASS". Il sistema di navigazione fornisce servizi di posizionamento e navigazione ad alta precisione in qualsiasi condizione atmosferica agli utenti di tutto il mondo. Questi sistemi di navigazione satellitare globali sono solitamente costituiti da 20-35 satelliti, con una precisione di diversi metri. Gli utenti possono utilizzare la combinazione di segnali di almeno 4 satelliti per posizionare con precisione e ottenere informazioni sull'ora.

Il piano di navigazione sulla superficie lunare proposto dagli scienziati cinesi è simile a questo. La navigazione richiede che almeno quattro satelliti siano visibili contemporaneamente al bersaglio. Secondo il rapporto, lo studio propone anche un percorso di costruzione della costellazione spaziale quasi lunare che realizzerà gradualmente la navigazione dell’intera luna in tre fasi. Il gruppo di ricerca cinese ha affermato che la ricerca di follow-up combinerà la tecnologia di ottimizzazione dei parametri orbitali per formare una soluzione di navigazione lunare più sistematica.

Il rapporto afferma che, sebbene il documento non fornisca un calendario di costruzione specifico, il piano preliminare per il progetto di esplorazione lunare della Cina e il piano per la stazione internazionale di ricerca scientifica lunare sono stati annunciati in precedenza: la Cina prevede di inviare astronauti sulla Luna prima del 2030, e per inviare astronauti sulla Luna entro il 2035. Una stazione internazionale di ricerca scientifica lunare con funzioni sostanzialmente complete ed elementi di supporto di base è stata costruita due anni fa con il polo sud lunare come nucleo, e una versione ampliata sarà costruita entro il 2045.

Gli Stati Uniti, l’Europa e il Giappone hanno tutti proposto piani di navigazione lunare

Negli ultimi anni, la costruzione di costellazioni spaziali quasi lunari sta diventando un tema caldo nella ricerca aerospaziale. Con il crescente numero di attività di esplorazione e sviluppo lunare, viene costantemente proposta l'idea di creare un sistema di navigazione lunare. Per soddisfare le esigenze di navigazione del programma statunitense di allunaggio con equipaggio "Artemis", gli scienziati del Jet Propulsion Laboratory della National Aeronautics and Space Administration (NASA) nel 2020 hanno confermato, dopo i calcoli, che il segnale del satellite GPS era vicino alla luna, a 380.000 chilometri di distanza. È ancora in grado di fornire servizi. Si dice che il veicolo spaziale nell'orbita lunare possa ricevere i segnali di 5-13 satelliti GPS e che la precisione di posizionamento sia compresa tra 200 e 300 metri.

Ma se si vogliono svolgere attività di esplorazione e sviluppo su larga scala sulla superficie lunare, tale precisione di posizionamento è lungi dall’essere sufficiente. Un rapporto della Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) mostra che la potenza del segnale di un sistema di navigazione satellitare globale che opera vicino alla Terra vicino alla Luna, a 380.000 chilometri di distanza, è solo 1/30 della potenza del segnale terrestre e, a causa dell'ostruzione del luna stessa, questi segnali di navigazione non possono essere ricevuti dal lato nascosto della luna. Allo stesso tempo, la superficie della Luna è ricoperta di crateri e i deboli segnali di navigazione provenienti dalla Terra vengono facilmente bloccati dalle colline e dai bordi dei crateri. Pertanto, sono necessari speciali satelliti di comunicazione relè per fornire supporto. La Cina ha già esperienza di successo nella trasmissione di comunicazioni lunari. I satelliti Queqiao-1 e Queqiao-2 lanciati nel 2018 e nel 2024 hanno fornito supporto di comunicazione per molteplici missioni di esplorazione lunare.

Nel 2020, la NASA ha proposto l'architettura "Lunar Network" per supportare il programma "Artemis", che può soddisfare le esigenze di comunicazione tra astronauti e veicoli spaziali sulla e vicino alla superficie lunare e consente anche agli astronauti e ai rover di comunicare sulla superficie lunare Rugged superficie lunare per ottenere informazioni sulla posizione e sull'ora. Per questo motivo, la NASA ha lanciato il “Lunar Communication Relay and Navigation System” nel gennaio 2022 e prevede di lanciare più satelliti operanti in orbita lunare. Il 28 giugno 2022 è stata lanciata la sonda statunitense “Capstone”. La sonda, delle dimensioni di un microonde, è definita “il primo satellite di navigazione lunare al mondo” e una delle sue missioni è verificare e testare nuove tecnologie di navigazione per ridurre il rischio di missioni future.

L’Europa sta inoltre portando avanti piani per servizi di comunicazione lunare. Nel 2021, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha pubblicato il piano "Moonlight", proponendo di costruire un sistema lunare condiviso di comunicazione e navigazione (LCNS) sostenibile intorno al 2027, e prevede di lanciare il primo "Lunar Pathfinder" nel 2025. verifica in un'orbita ellittica congelata.

Nel 2022, la giapponese JAXA ha anche proposto il "Lunar Navigation Satellite System (LNSS)", che prevede di schierare otto satelliti nell'orbita ellittica lunare per fornire comunicazioni di rilancio e servizi di navigazione e posizionamento per i rilevatori nella regione del polo sud lunare.

Non è facile costruire un sistema di navigazione lunare

Sebbene esistano già quattro principali sistemi globali di navigazione e posizionamento vicino alla Terra, non è facile “spostarli” sulla superficie della Luna. Secondo il sito web della NASA, la prima cosa che influenza la costruzione del sistema di navigazione lunare è la questione del tempo lunare. Gli ultimi calcoli della NASA mostrano che, secondo l'effetto della "dilatazione del tempo" della teoria della relatività, rispetto all'ora sulla superficie terrestre, l'ora sulla superficie della Luna è 57,5 ​​microsecondi più veloce per giorno terrestre, e anche l'ora sulla superficie della Luna è diverso da quello dell'orbita della Luna. Considerando che la precisione temporale del sistema globale di navigazione e posizionamento ha raggiunto il livello del microsecondo, questo impatto del tempo lunare non può essere ignorato. E la Luna attualmente non ha uno standard temporale indipendente. Il programma di esplorazione lunare di ogni paese utilizza la propria scala temporale e la converte in "Tempo universale coordinato". Tuttavia, con il crescente numero di attività di esplorazione lunare, il problema degli standard incoerenti del tempo lunare sta diventando sempre più serio. Nel novembre 2022, rappresentanti delle agenzie spaziali globali e delle organizzazioni accademiche si sono incontrati presso il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale dell’Agenzia spaziale europea per elaborare raccomandazioni su come definire il tempo lunare. Patrizia Tavera, direttrice del Dipartimento Tempo dell'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure, ha affermato che se non verrà stabilita un'ora lunare ufficiale, le agenzie spaziali nazionali e le aziende private agiranno secondo i propri piani.

In secondo luogo, la NASA ha affermato che i quattro principali sistemi globali di navigazione e posizionamento si basano sul Global Geodetic Observing System (GGOS). Solo attraverso quest'ultimo è possibile ottenere coordinate e altitudini della superficie terrestre unificate e coordinate. Tuttavia, attualmente non esiste un sistema di coordinate geografiche simile stabilito sulla superficie lunare‌. La National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) degli Stati Uniti sta portando avanti il ​​lavoro di misurazione correlato e sta stabilendo un "Sistema di riferimento lunare (LRS)", ma ciò richiede una grande quantità di dati di osservazione. La NASA ha riconosciuto che non si aspetta che svolga un ruolo nel programma Artemis nel prossimo futuro.

Inoltre, l’attuazione specifica del piano di navigazione lunare sarà influenzata anche dalla forma e dalla massa della Luna stessa. Ad esempio, la stella relè Queqiao-2 adotta una grande orbita ellittica attorno alla luna come orbita di missione. Questo perché la forma e la struttura della luna sono irregolari e i veicoli spaziali che volano vicino alla luna sono influenzati da fattori come la gravità della luna. e le loro orbite di volo sono soggette a deviazioni.

Vale la pena notare che i programmi di navigazione lunare di Stati Uniti, Europa e Giappone stanno pianificando di fornire servizi di navigazione lunare migliorati attraverso la cooperazione reciproca e la creazione di standard internazionali. Gli Stati Uniti e l’Europa inizieranno inoltre a sperimentare l’uso dei deboli segnali di navigazione satellitare emessi dalle sonde terrestri per calcolare le posizioni sulla Luna a partire dal 2024. ▲