Źródło: A. Radomska, Bezpieczeństwo systemów nawigacyjnych w środowisku cybernetycznym [w:] Bezpieczeństwo w środowisku lotniczym i kosmicznym, red. R. Bielawski, B. Grenda, Warszawa 2018, s. 177–178.
tują możliwości określania pozycji w czasie rzeczy-wistym dla innej planety niż Ziemia, ponieważ mają one zasięg globalny. „Globalny” należy rozumieć jako odnoszący się do całego świata, czyli w tym pojmowaniu znanego nam świata, który można zde-finiować jako całość globu ziemskiego. W tym miej-scu należy zauważyć, że jest to zasadne, ponieważ wszystkie satelity segmentów kosmicznych
poszcze-gólnych systemów nawigacji satelitarnej wchodzą-cych w skład systemu GNSS są usytuowane w taki sposób, by transmisja ich sygnałów radiowych była kierowana ku powierzchni Ziemi, nie zaś w odległe obszary przestrzeni kosmicznej. W tej kwestii moż-na dostrzec potencjał współpracy systemu GNSS z marsjańskim systemem nawigacji satelitarnej w przyszłości. Otóż wiązki sygnałów wysyłane
przez segment kosmiczny systemu GNSS można po-dzielić na wiązkę główną oraz wiązki boczne. Sateli-ty zostały umieszczone na sztucznych orbitach oko-łoziemskich w taki sposób, by główny sygnał trans-misji, zgodnie z założeniami o globalnych systemach nawigacji satelitarnej, był skierowany w stronę Ziemi. Jednak zasięg obu rodzajów wiązek ma sze-rokość kątową większą niż zakres szerokości kąto-wej w kontekście widzialności globu na wysokości, na której są rozmieszczone satelity systemu GNSS.
Podsumowując, należy stwierdzić, że znaczna część transmitowanego sygnału radiowego mija Ziemię i jest wypromieniowywana w przestrzeń kosmiczną.
W szczególności dotyczy to wiązek bocznych oraz częściowo wiązki głównej. Istnieje możliwość, że sygnatura fal elektromagnetycznych, która nie dotrze do globu, będzie odebrana przez urządzenia tech-niczne znajdujące się poza ziemskim zasięgiem sys-temu, poniżej wysokości orbit satelitów. Stanowi to dość idealistyczną koncepcję, gdyż zdolność do po-zycjonowania systemu GNSS, czyli tak zwana miara zdolności serwisu (Space Service Volume – SSV), opiera się na parametrach, które wraz ze wzrostem odległości ulegają zmianie, najczęściej na nieko-rzyść użytkownika. Do tych parametrów należą: mi-nimalna moc odbierana, lokalizacja wzrokowa sate-litów segmentu kosmicznego, precyzja wyznaczania pseudoodległości (odległości jednostronnej od sate-lity do danego odbiornika) oraz współczynnik geo-metrycznej dokładności w czterech wymiarach (Geometric Dilution of Precision – GDOP), czyli trzech przestrzennych i jednym czasowym. Może za-tem budzić wątpliwość, czy idea utworzenia mar-sjańskiego systemu nawigacji satelitarnej nie jest koncepcją zbyt futurystyczną, wyprzedzającą zasoby posiadanej wiedzy w tym zakresie. Optymistyczny wariant stanowi misja pod kryptonimem „Magneto-spheric Multi-Scale”, koordynowana przez Narodo-wą Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (National Aeronautics and Space Administration – NASA). Jej wynik dowiódł, że przemieszczające się w formacji satelity (w liczbie czterech) z odbiorni-kami są w stanie śledzić jednocześnie od ośmiu do 12 satelitów segmentu kosmicznego systemu GPS--NAVSTAR o apogeum orbity tej formacji satelitów wynoszącym 70 tys. km.
Rozwój badań może doprowadzić do tego, że sate-lity marsjańskiego systemu nawigacji satelitarnej będą śledzić satelity systemu GNSS na podobnej za-sadzie. Następnie sygnał przechwycony przez te pierwsze mógłby zostać skierowany w stronę Czer-wonej Planety i w ten sposób uzyskano by łączność między nią a Ziemią. Aby to osiągnąć, należy roz-wiązać problem dzielącego oba ciała niebieskie dy-stansu szacowanego na 56 mln km.
Dotychczas bezzałogowe eksploracje, choćby naj-bardziej znanego łazika Curiosity Rover, dowodzą, że Mars nie tylko znajduje się wciąż w kręgu zainte-resowania badaczy, lecz także współczesna techno-logia pozwala na tego rodzaju misje. Wiążą się one z koniecznością utrzymania łączności oraz nawi-gowania obiektami wysłanymi przez człowieka w przestrzeń kosmiczną. W tym celu wykorzystuje się sieć dalekiej łączności kosmicznej, która jest za-rządzana przez centrum badawcze należące do NASA, funkcjonujące pod nazwą Laboratorium Na-pędu Odrzutowego NASA (NASA Jet Propulsion Laboratory – NASA JPL). Ma ona swoje odpo-wiedniki na terytorium takich krajów, jak: Rosja, Chi-ny, Indie i Japonia oraz w Europie, działające pod akronimem ESTRACK (European Space Tracking).
Jest przy tym prawdopodobne, że w najbliższym czasie Europa stanie się niezależna w aspekcie two-rzenia sieci dalekiej łączności kosmicznej. Trwają prace modernizacyjne stacji komercyjnej Goonhilly Earth Station, znajdującej się w Kornwalii w Wiel-kiej Brytanii. Docelowo ma ona służyć do zapewnia-nia łączności z obiektami położonymi daleko od Zie-mi, na przykład z sondami kosmicznymi badającymi powierzchnię Księżyca lub Marsa, i do ich nawiga-cji12. We wspomnianej sieci stosuje się wiele technik zapewniających jak najdokładniejszy pomiar. Nale-ży wśród nich wyróżnić:
– przesunięcie Dopplera – służy do pomiarów prędkości, z jaką przemieszcza się obiekt w prze-strzeni kosmicznej, oraz określania położenia kąto-wego w przyjętym układzie odniesienia;
– Delta DOR (Delta Differential One-way Ran-ge) – polega na transmisji sygnałów radiowych ze statku kosmicznego lub sondy, odbieranych przez dwie rozstawione w dużej odległości od siebie stacje naziemne; różnica czasu nadejścia sygnału jest mie-rzona dokładnie (służy do obliczenia namiaru) z uwzględnieniem korekcji opóźnienia nadejścia tych sygnałów z powodu przejścia przez warstwy atmosfery ziemskiej z jednoczesnym śledzeniem aktywnych, naturalnych źródeł emisji fal elektroma-gnetycznych, takich jak kwazary występujące w przestrzeni kosmicznej;
– pomiary kodowe odległości – nazywane także pomiarem pseudoodległości, wykonywane na po-dobnej zasadzie jak stosowane w globalnych syste-mach nawigacji satelitarnej, bazujące na przesunię-ciu kodowym i następnie autokorelacji transmitowa-nego sygnału między obiektem w przestrzeni kosmicznej i odbiornikiem naziemnym.
Pierwotny pomysł zbudowania marsjańskiego sys-temu nawigacji satelitarnej nie jest niczym nowym.
Pojawił się już w 1999 roku, a jego inicjatorem była NASA. Przedstawiono wówczas koncepcję pod
na-12 Goonhilly – pierwsza komercyjna stacja łączności kosmicznej dalekiego zasięgu. Urania – postępy astronomii. Europejska Agencja Kosmicz-na, 2018, https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/goonhilly-pierwsza-komercyjna-stacja-lacznosci-kosmicznej-dalekiego-zasiegu-4185.html/.
30.12.2018.
zwą Mars Surveyor Program, która finalnie miała doprowadzić do utworzenia systemu nawigacji sate-litarnej funkcjonującego jako Mars Network. Aby projekt nie zakończył się wyłącznie na teoretycznych rozważaniach, naukowcy z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA przeprowadzili serię badań, w tym wykonali między innymi obliczenia matema-tyczne decydujące o zdolności systemu do pozycjo-nowania obiektów oraz opracowali studium jego praktycznej wykonalności metodą realistycznych sy-mulacji. W toku badań opracowano wstępną archi-tekturę techniczną marsjańskiego systemu nawigacji satelitarnej, która zapewniałaby najwyższy stopień efektywności pomiarów. Skupiono się przede wszystkim na rozwinięciu infrastruktury tego syste-mu w kontekście satelitów segmentu kosmicznego (rys.). Ze względu na to, że konieczne byłoby nawią-zywanie łączności z satelitami segmentu kosmiczne-go systemu GNSS, ustalono, że optymalną wysoko-ścią umieszczenia urządzeń technicznych na sztucz-nych orbitach kołowych wokół Marsa będzie 800 km nad jego powierzchnią. Jest to wysokość znacznie przekraczająca zakres rozmieszczenia satelitów nad Ziemią. Najbardziej prawdopodobnym powodem, dla którego satelity tego systemu zostałyby wynie-sione właśnie na tę wysokość, jest dążenie do unik-nięcia zakłóceń transmisji między konstelacjami sa-telitów (ziemskich i marsjańskich), powodowanych przez zjawiska naturalne występujące w atmosferze planety, na przykład burze piaskowe o zasięgu glo-balnym. Prognozowano umieszczenie czterech sate-litów w okolicach kół podbiegunowych Marsa oraz dwóch w obszarze równika. Podane układy odniesie-nia opierają się na szerokościach geograficznych przyjętych na Ziemi, które postanowiono zastosować również wobec Czerwonej Planety. Wszystkie sześć satelitów ma stanowić mikrosatelity, co oznacza, że ich masa nie przekraczałaby 100 kg. Zredukowanie masy segmentu kosmicznego marsjańskiego syste-mu nawigacji satelitarnej najpewniej jest podykto-wane słabszymi właściwościami pola grawitacyjne-go (względem Ziemi) oraz praktycznie nieistnieją-cym polem magnetycznym na Marsie. Przekłada się to na fakt, że ciężkie satelity nie byłyby utrzymywa-ne przez oba rodzaje pól na sztucznych orbitach. Ist-niałoby zatem ryzyko, że zostałyby wyparte w prze-strzeń kosmiczną. Ich liczba miałaby być zwiększa-na w ramach kolejnych faz rozwoju konstelacji.
Natomiast wszystkie orbity miałyby być orbitami wstecznymi, czyli takimi, po których ruch mikrosa-telitów byłby przeciwny do ruchu obrotowego Mar-sa. Oprócz opracowania szyku konstelacji mikrosa-telitów zaproponowano, w jakie urządzenia nadaw-czo-odbiorcze mogłyby zostać one wyposażone w celu sprawnego przetwarzania informacji. Zasad-ne jest przy tym dokonanie podziału między
odbie-raniem sygnału z segmentu kosmicznego systemu GNSS a nadawaniem go ku powierzchni Marsa.
W związku z tym uzgodniono, że za moduł łączno-ści z „ziemskim” systemem nawigacji satelitarnej posłuży pasmo X gwarantujące daleki zasięg propa-gacji fal elektromagnetycznych. W przypadku utrzy-mywania łączności między mikrosatelitami a obiek-tami znajdującymi się na powierzchni Marsa planuje się wykorzystanie urządzeń technicznych pracują-cych w paśmie częstotliwości fal UHF. W efekcie nawiązywanie łączności z domniemanym segmen-tem użytkownika odbywałoby się za pośrednic-twem dwóch kanałów w pasmach częstotliwości wynoszących 435–442 MHz i 400–405 MHz, przy współpracy z wielodostępem i z podziałem często-tliwości (Frequency-Division Multiple Access – FDMA). O ile segment użytkownika marsjańskiego systemu nawigacji satelitarnej może być interpreto-wany dość intuicyjnie i kojarzyć się z odbiorem da-nych zarówno przez ludzi, jak i sondy kosmiczne, o tyle interesującą kwestię stanowi segment naziem-ny. Bazując na przykładzie systemu GNSS, można przyjąć w uproszczeniu, że stanowią go stacje mo-nitorujące i korygujące pomiary. W systemie mar-sjańskim rozważano utworzenie stacji monitorują-cych w postaci lądowników rozstawionych na po-wierzchni planety13.
Chociaż pierwszym inicjatorem zbudowania mar-sjańskiego systemu nawigacji satelitarnej było NASA, projektem zainteresowano się także w Europie.
Europejska Agencja Kosmiczna (European Space Agency – ESA) zleciła podczas jednej z misji eksploracji powierzchni Marsa (pod kryptonimem
„Aurora” w 2001 roku) wykonanie badań i pomia-rów pod kątem utworzenia systemu satelitarnego na tej planecie. Prace koncepcyjne zostały podjęte w 2002 roku pod nazwą MARCO POLO (Martian Constellation for Precise Object Location). Wizja europejska odbiega nieco od założeń amerykań-skich, w szczególności dotyczących masy satelitów, którą zamierzano zwiększyć do 250 kg, a także wysokości sztucznych orbit. Europejska Agencja Kosmiczna zaproponowała fazy rozwojowe tego sys-temu przedstawione w tabeli 3.
Zakładając, że marsjański system nawigacji sateli-tarnej rzeczywiście powstanie, można prognozować, że będzie wykorzystywany do:
– dokładnego wyznaczania pozycji i precyzyjnej nawigacji na powierzchni Marsa sprzężonych z nie-zawodną synchronizacją wszystkich systemów;
– kontrolowania wyznaczonych danych stacjonują-cych na orbitach satelitów, które nie wchodzą w skład konstelacji marsjańskiego systemu nawiga-cji satelitarnej;
– nadzorowania startów z planety i lądowań na jej powierzchni statków kosmicznych oraz pojazdów
13 M. Gruszczyński, Marsjański System Nawigacji Satelitarnej – nauka czy naukowa fikcja? KOSMONAUTA.net, https://kosmonauta.net/2018/08/
marsjanski-system-nawigacji-satelitarnej-nauka-czy-naukowa-fikcja/. 31.12.2018.
Źródło: M. Boucher, Generation InterPlanetary Internet, 2000, SPACEREF, http://www.spaceref.com/news.html?id=87/. 31.12.2018.