GPS повсеместно распространен на Земле. Он управляет всем, от точной съемки до навигации самолетов. Чтобы реализовать наше видение лунного исследования с постоянным присутствием человека, нам понадобится такая же точность на Луне.
Все начинается с точных часов.
Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) разрабатывает структуру для точного измерения лунного времени. Они прокладывают путь для лунного GPS, который может обеспечить тип точного определения местоположения, необходимый для лунной навигации, а также может внести вклад в будущие космические миссии.
«Предлагаемая структура, лежащая в основе лунного координатного времени, в конечном итоге может позволить проводить исследования за пределами Луны и даже за пределами нашей Солнечной системы».
Биджунатх Патла, физик, НИСТ
GPS работает, потому что измеряет время с предельной точностью. Каждый спутник GPS имеет атомные часы. Приемники GPS принимают сигналы от нескольких спутников GPS одновременно, а затем определяют их местоположение по времени, необходимому для получения этих сигналов. Все глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), такие как система Galileo ЕКА, работают по одному и тому же принципу.
Но задача заключается в создании лунной ГНСС, которая может точно координироваться с земной ГНСС. Относительность — вот в чем загвоздка.
Относительность Эйнштейна говорит нам, что двое часов в разных местах будут тикать с разной скоростью из-за локальной гравитации. Атомные часы на поверхности Луны будут тикать быстрее, чем на Земле, примерно на 56 миллисекунд в день, потому что гравитация слабее. Это не имеет большого значения для GPS потребительского уровня. Но когда дело доходит до точных действий, таких как посадка космического корабля, разная скорость часов становится проблемой.
Относительность также говорит нам, что люди на Земле ощущают время иначе, чем люди на Луне. Гравитационные эффекты от Луны, вращающейся вокруг Земли, и Земли, вращающейся вокруг Солнца, могут оказывать выраженное влияние на навигацию и связь.
Решением этих проблем от NIST является «Главное лунное время». Оно устанавливает временную точку отсчета для одного места на Луне, а все остальные места ссылаются на нее, подобно тому, как работает UTC на Земле.
Система позиционирования Луны (LPS) будет состоять из сети высокоточных атомных часов в различных местах на Луне. Флот лунных спутников также будет содержать атомные часы. Все эти прецизионные часы будут обеспечивать сигналы времени, необходимые для точной навигации.
Атомные часы точны, потому что они основаны на колебаниях атомов, часто цезия-133, но также используют такие элементы, как рубидий или водород. Фактически, официальное определение секунды основано на колебаниях цезия-133. Их точность экстремальна: самые точные из них могут показывать время с точностью до одной секунды на протяжении миллиарда лет.
Часы на цезии-133 могут быть тяжелыми по сравнению с другими типами атомных часов, поэтому спутники часто используют атомные часы на рубидии. Система GPS чаще всего использует рубидий, но также используются цезиевые и водородные часы, в зависимости от требований. Система Galileo ЕКА использует как рубидиевые, так и водородные часы на одном спутнике, причем рубидиевые часы служат резервными.
«Это как если бы вся Луна была синхронизирована с одним «часовым поясом», скорректированным с учетом гравитации Луны, а не с часами, которые постепенно рассинхронизируются с земным временем», — сказал физик NIST Биджунат Патла.
«Эта работа закладывает основу для принятия системы навигации и синхронизации, аналогичной GPS, которая будет использоваться пользователями, находящимися как на Земле, так и на околоземном пространстве, для исследования Луны», — сказал физик NIST Нил Эшби.
NASA и их партнеры в проекте Artemis намерены в конечном итоге создать устойчивое присутствие на Луне. Там есть ресурсы in situ, которые можно использовать для продолжения усилий, такие как водяной лед и редкоземельные элементы.
При таком уровне активности потребность в точной навигации очевидна. По мере того, как уровень сложности всей этой активности растет, потребность в надежном определении местоположения и навигации станет острой.
«Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что космический корабль сможет приземлиться в пределах нескольких метров от предполагаемого пункта назначения», — сказал Патла.
Луна также в конечном итоге будет служить промежуточной площадкой или отправной точкой для миссий в Солнечную систему. Поскольку эти усилия будут принимать форму в ближайшие десятилетия, для координации сложных миссий потребуется точное время. Исследователи говорят, что атомные часы на спутниках в точках Лагранжа могут использоваться для передачи времени между Землей и Луной.
«Предлагаемая структура, лежащая в основе лунного координатного времени, в конечном итоге может позволить исследования за пределами Луны и даже за пределами нашей солнечной системы», — сказал Патла. «Как только люди разовьют возможности для таких амбициозных миссий, конечно».
«Это понимание также лежит в основе точной навигации в окололунном пространстве и на поверхности небесных тел, тем самым играя ключевую роль в обеспечении взаимодействия различных систем позиционирования, навигации и синхронизации, охватывающих от Земли до Луны и самых дальних регионов внутренней Солнечной системы», — пишут авторы в своей статье.
