Objavljeno: 28.9.2021 | Avtor: Matej Huš | Monitor Oktober 2021

Komunikacija in navigacija na Luni

Na Zemlji smo se kar razvadili, da na vsakem koščku pričakujemo pokritost z globalnim navigacijskim sistemom ter dostop do interneta. Na Mesecu je ta hip še drugače, saj si mora vsaka misija s seboj peljati plovilo ali satelit, ki omogoča komunikacijo z Zemljo. Evropska vesoljska agencija želi še v tem desetletju univerzalni satelitski komunikacijsko-navigacijski sistem na Mesecu, ki bi ga zgradili zasebniki.

Če bo na Luni stala vesoljska postojanka, bo komunikacijski in navigacijski sistem nuja. Slika: ESA

Prihodnje leto bo minilo pol stoletja, odkar je človek zadnjikrat hodil po Luni. Eugene Cernan je 14. decembra 1972 zgodaj končal svoj tretji vesoljski sprehod, nato pa sta zvečer s Harrisonom Schmittom vzletela z površja, spojila lunarni modul z glavnim modulom misije Apollo 17 in se skupaj z Ronaldom Evansom odpravila proti Zemlji. Tedaj si nihče ni predstavljal, da bo do naslednjega človeškega obiska našega satelita trajalo tako zelo dolgo.

Zdi se, da je zanimanje za Mesec v tem desetletju ponovno zraslo. NASA je pred petimi leti začela izvajati projekt Artemis, ki ima glavni cilj ponovno vrnitev človeka na Mesec, v njem pa sodelujejo tudi druge države, vključno z Evropsko unijo. Pričakujejo, da se bo let s posadko zgodil leta 2024. Nova ameriška administracija je podprla projekt, plovila pa bo izdelal SpaceX.

Američani še zdaleč niso edini, ki kažejo okrepljeno zanimanje za našo spremljevalko. Številne odmevne dosežke smo že videli, denimo prvi nadzorovani pristanek na oddaljeni strani Meseca, ki je Kitajcem uspel predlani (misija Chang'e-4). Evropska vesoljska agencija (ESA) in NASA načrtujeta 40-tonsko postajo Gateway, ki jo bodo sestavili v Lunini orbiti in bo omogočila do 90-dnevno bivanje astronavtom, zlasti kot prehodna postaja pri osvajanju Lune ali bolj oddaljenih teles. ESA bo za Gateway izdelala komunikacijski modul ESPRIT.

Galileo uporaben tudi na Luni

Čeprav so sateliti GPS okrog 20.000 kilometrov nad Zemljo, Galileo pa še nekoliko več (23.000 km), so lahko uporabni tudi v bližini Lune na razdalji skoraj 400.000 kilometrov. Signali, ki jih oddajo, so resda usmerjeni proti Zemlji, a nekaj jih uide tudi po strani, sateliti pa so povsod okoli Zemlje.

Leta 2019 je NASA med misijo MMS (Magnetospheric Multiscale) na razdalji 187.000 kilometrov ulovila signal GPS in ga uporabila za določitev orbite. Pathfinder bo gradil na tem podatku in uporabljal signale evropskega sistema Galileo. Pathfinder bo imel med kroženjem po eliptični orbiti okrog južnega pola Meseca v vidnem polju tudi satelite Galileo, ki bodo resda vsi v istem kvadrantu in katerih signali bodo šibki, a v principu jih je mogoče uporabiti.

Seveda pa je končni cilj lasten navigacijski in komunikacijski sistem na Luni.

ESA načrtuje European Large Logistic Lander, ki bo namenjen misijam brez posadke, tako oskrbovalnim misijam za Artemis kakor čisto samostojnim tehničnim in znanstvenoraziskovalnim misijam, in naj bi redno vozil na Luno od konca tega desetletja dalje. Na Luno bodo v takšni ali drugačni obliki letele vsaj še Kitajska, Indija, Japonska in Rusija. Kitajci govorijo celo o lunarni bazi s človeškimi prebivalci do leta 2030, ruska misija Luna 25 pa bo naslednjo misijo na Mesec brez posadke izstrelila oktobra letos. Skratka, na Mesecu bo gneča.

Svet se je spremenil

Pred petdesetimi leti so bile komunikacije sicer enako hitre kot danes ali celo malce hitrejše, če gledamo zakasnitve (primerjajte prenos košarkarske tekme s sobno anteno ali prek interneta!), a dostopnosti in prepustnosti ni bilo niti za vzorec. Telefoni so bili žični, internetov predhodnik Arpanet pa je šele sramežljivo začel povezovati prve univerze v ZDA.

Pristanek na Luni leta 1969 so prenašali po televiziji, kar je bil osupljiv dosežek za tisti čas, ki si ga je v živo ogledalo 600 milijonov ljudi. A ti seveda o tem niso tvitali, si pošiljali hitrih sporočil ali fotografij. Prav tako je bila povezava astronavtov z Zemljo omejena. Neil Armstrong in Buzz Aldrin sta imela eno samo povezavo z Zemljo, in sicer S-Band Transponder za komunikacijo z nadzornim središčem NASE.

Ena izmed zemeljskih postaj je Goonhilly v Veliki Britaniji. Slika: Goonhilly Earth Station

V svojih skafandrih sta imela radio VHF, ki je v lunarni modul pošiljal zvok in podatke z biosenzorjev. Komunikacija z Zemljo pa je potekala prek enotnega kanala S, kjer je imel vsak tip informacij svoje mesto. Lunarni modul je imel frekvenco 2282,5 MHz, modul v orbiti 2287,5 MHz. Zvok in biometrični podatki so bili na FM-podnosilcu širine 1,25 MHz, telemetrija pa na 1,024 MHz.

Nadaljnja komunikacija z Zemljo je potekala v pasu S (UHF), torej na frekvencah 2276 in 2119 MHz (proti Zemlji in nazaj). Glasovna komunikacija je bila amplitudno modulirana. Na Zemlji pa so imeli dobrih 30 postaj na petih kontinentih, tako da je v vsakem trenutku vsaj ena videla Luno.

Video pristanka na Luni so morali posneti s posebno kamero, ki je zmogla le 320 vrstic s frekvenco 10 sličic na sekundo, saj je bilo to mogoče stlačiti v odmerjenih 500 kHz, medtem ko bi klasičnih 525 vrstic pri 30 sličicah na sekundo (NTSC) zahtevalo več pasovne širine, kot je je bilo na voljo.

Danes nam takšne omejitve ne padejo več na misel. Svet je bolj povezan kot kadarkoli, hitre širokopasovne povezave med različnimi kraji na Zemlji pa so postale samoumevne. Še v krajih, kjer klasične infrastrukture ni, jih bomo kmalu dobili s satelitskim internetom SpaceX Starlink ali Amazon Kuiper. Podobno želimo tudi na Luni.

Moonlight bo potreboval najmanj tri satelite. Slika: SSTL

Mobilno omrežje gradi Nokia

Ameriška NASA pa je lani podpisala 14 milijonov dolarjev vredno pogodbo z Nokio, ki je del programa Artemis. Nokia bo na Luni postavila sprva omrežje 4G, kasneje pa 5G. Uporabljalo se bo za komunikacijo z roverji, navigacijo in pretočne storitve. To bo prvo mobilno omrežje na tujem telesu.

Poleg tega NASA pripravlja že LunaNet, ki bo nekakšen lunarni ekvivalent interneta. Načrtujejo medsebojno povezano omrežje orbiterjev, roverjev, mobilnih in stacionarnih sistemov na Luni. Če je Nokijino omrežje prvi korak, je LunaNet ambiciozen končni cilj.

Poleg komunikacije zahtevamo tudi navigacijo. Na Zemlji nimamo več le GPS, temveč evropski Galileo, ruski GLONASS, kitajski Baidou itd. Satelitski navigacijski sistemi se široko uporabljajo, kot eden izmed pomočnikov celo v letalskem prometu. Na Luni vsega tega ni, pa bi tam še bolj koristila informacija, kje točno je neki rover. Prav vsaka misija na Luno zato potrebuje velike zemeljske antene, ki jih je kar nekaj, ter posebno opremo na samem plovilu. Kot je dejal direktor za navigacijo pri ESI Paul Verhoef, to znese okrog 40 kilogramov opreme samo zato, da plovila, roverji in sonde vedo, kje so.

Predhodnik Moonlighta bo satelit Pathfinder, ki bo krožil po eliptični orbiti. Slika: SSTL

Težave z Luno

Luna je že vrsto let – v geološkem smislu – plimsko zaklenjena z Zemljo. To pomeni, da se tako hitro vrti okrog lastne osi, kakor hitro kroži okrog Zemlje. Ko torej Luna naredi en krog okrog Zemlje, kar traja 27,3 dneva (siderska perioda), in postreže z izmenjavo vseh men (ščip, prvi krajec, mlaj, zadnji krajec), se hkrati zavrti enkrat okrog svoje osi. Zaradi tega je proti Zemlji vedno obrnjena ista stran, ki jo imenujemo bližnja stran. Opazili bomo, da se Lunine mene ponovijo na vsakih 29,5 dneva (sinodska perioda), ker mora Luna narediti malo več kot cel krog okrog Zemlje, da pride na isto mesto relativno na Sonce, saj se tudi Zemlja giblje okrog Sonca. Da je ena stran Lune bližnja, druga pa oddaljena, pa ne pomeni, da je katera izmed njiju temna. Še vedno sta vsaka osvetljeni točno polovico časa, in sicer 14,7 dneva. Ko je bližnja stran v temi, vidimo mlaj, ko je osončena, vidimo ščip.

V praksi to pomeni, da z oddaljene strani Lune neposredna komunikacija z Zemljo ni mogoča. Potrebujemo vsaj eno vmesno postajo, denimo satelit ali plovilo v Lunini orbiti, ker se vrti tudi Zemlja, pa še več sprejemnikov na različnih krajih na Zemlji. Tudi ko je Chang'e-4 pristajal na oddaljeni strani, je z Zemljo komuniciral prek satelita Queqiao v orbiti okrog točke L2 glede na Luno in Zemljo.

L2 je oznaka za drugo Lagrangeevo točko. Za pare vesoljskih teles jih obstaja pet, v njih pa majhno telo teoretično miruje glede na večji telesi (v praksi gre za stacionarne rešitve problema treh teles). Poenostavljeno to pomeni, če želimo, da neki satelit ohranja stalno pozicijo glede na dve telesi, so edine možnosti Lagrangeeve točke.

Čeprav je svetloba hitra, so vesoljske razdalje tako ogromne, da predstavljajo znatne omejitve. Do Marsa je povprečno 225 milijonov kilometrov, največ pa kar 400 milijonov kilometrov. To pomeni, da svetloba (in vsakršna komunikacija) do tja potuje tudi do 22 minut. Do Lune je 356–406 tisoč kilometrov, torej svetloba v eno smer potuje 1,2–1,3 sekunde. Moteče, a ne tragično za komunikacijo.

Projekt Moonlight

Luna bo torej potrebovala zmogljiv in zanesljiv komunikacijski sistem. Ker bi bilo potratno, da bi vsaka misija vzpostavljala svojega, je ESA začela projekt Moonlight. Ta bo postavil enotno hrbtenico, ki jo bodo lahko uporabljale vse prihodnje misije. Drugi cilj, ki ga želijo doseči sočasno, je vzpostavitev globalnega navigacijskega sistema. Na Zemlji se uporabljajo različni sateliti za oba namena, na Mesecu pa bi bilo to učinkovito združiti.

Dasi uradno ne del Moonlighta, bo Lunar Pathfinder nekakšen prototip projekta, ki bo začel delovati leta 2024 z življenjsko dobo osem let. Satelit Pathfinder je plod sodelovanja podjetij SSTL (Surrey Satellite Technology Ltd) in Goonhilly Earth Station z ESO. Šlo bo za prvi komercialni komunikacijski satelit v Lunini orbiti. Krožil bo v eliptični orbiti, ki bo v glavnem pokrivala južni pol Meseca. S površjem Lune bo komuniciral prek pasov S (2025–2110 MHz, 2200–2290 MHz) in UHF (390–405 MHz, 435–450 MHz), z Zemljo pa v pasu X (7190–7235 MHz, 8450–8500 MHz). Na Zemlji bo seveda potreboval več postaj, glavna pa bo v Cornwallu. Če bo s Pathfinderjem šlo po načrtih, bo naslednji korak izstrelitev več satelitov, ki bodo nudili celovito in stalno pokrivanje Lune – Moonlight.

ESA je izbrala dva konzorcija, ki bosta v okviru iniciative Moonlight predstavila svoji navigacijsko-komunikacijski konstelaciji satelitov okrog Lune. Projekt je trenutno v fazi preverjanja izvedljivosti, kar se imenuje faza A/B1. Oba konzorcija morata sestaviti verodostojen načrt, nato pa bo ESA prihodnje leto izbrala končno rešitev. En konzorcij vodi britansko podjetje SSTL (Surrey Satellite Technology Limited) skupaj s SES, z Airbusom in GMV-NSL, medtem ko bosta za zemeljski del povezav skrbela norveški Kongsberg Satellite Services in britanski Goonhilly Earth Station. Drugi konzorcij vodi italijanski Telespazio, v njem pa sodelujejo Inmarsat, Thales Alenia Space, MDA, OHB Systems, Hispasat, ALTEC, Argotec, Nanoracks Europe, milanska politehnika in zasebna univerza Bocconi v Milanu.

Razlogov, da bi imeli enotno navigacijsko-komunikacijsko omrežje na Luni, je več. Predvsem bo to poenostavilo in pocenilo vse nadaljnje misije, saj bodo uporabljale skupno infrastrukturo. Namesto 40 kg opreme bosta za preprostejša vozila dovolj sprejemnik in višinomer. Zlasti na oddaljeni strani Lune, kjer neposredna komunikacija z Zemljo ni mogoča, bo moč krmiliti manjše naprave, denimo roverje, ne da bi s seboj peljali še lasten komunikacijski satelit. Tam bi lahko postavili tudi teleskope, ki bi potem enostavno komunicirali z Zemljo.

Trenutno kaže, da bo ESA sistem naročila kot storitev. Sateliti in ostala programska oprema bodo v lasti zasebnega konzorcija, ki jo bo financiral in postavil, ESA (in drugi) pa bo plačevala uporabnino za svoje misije. To ni tako neverjetno, saj tudi NASA privatizira čedalje več operacij. Po upokojitvi raketoplanov Space Shuttle sta plovili za prevoz ljudi na vesoljsko postajo razvila SpaceX in Boeing.

Kaj in kako zdaj

Prva faza Moonlighta bo trajala 12–18 mesecev. Končne izdelke bodo potrebovali do zasedanja evropskih ministrstvo konec prihodnjega leta, ko se bo razpravljalo o proračunu. Projekt naj bi potem v naslednjo fazo vstopil leta 2023.

O tehničnih podrobnosti zato še ni dosti znanega, ker konzorcija šele pripravljata natančen opis. V teoriji bi zadoščali že trije sateliti, a jih bo za večjo zanesljivost in redundanco gotovo več. Ločljivost sistema bo sprva 100 metrov, kasneje pa bi z dodajanjem satelitov lahko narasla do 300 metrov. Toliko je tudi zahteva NASE pri lastnih misijah.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki

Monitor na Facebooku

Monitor TV na YouTube

44GtTRq9vUM

  • Polja označena z * je potrebno obvezno izpolniti
  • Pošlji