GPS در همه جا روی زمین وجود دارد. همه چیز از نقشه برداری دقیق گرفته تا ناوبری هواپیما را راهنمایی می کند. برای تحقق بخشیدن به چشم انداز خود از اکتشاف ماه با حضور پایدار انسانی، به همین دقت در ماه نیاز داریم.
موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) در حال توسعه چارچوبی برای اندازه گیری دقیق زمان قمری است. آنها راه را برای GPS قمری هموار می کنند که می تواند نوع موقعیت یابی دقیق لازم برای ناوبری در ماه را امکان پذیر کند و همچنین می تواند به ماموریت های فضایی آینده کمک کند.
«چارچوب پیشنهادی زیربنای زمان مختصات ماه در نهایت می تواند اکتشاف فراتر از ماه و حتی فراتر از منظومه شمسی ما را امکان پذیر کند.»
بیجونات پاتلا، فیزیکدان، NIST
GPS کار می کند زیرا زمان را با دقت بسیار بالایی اندازه گیری می کند. هر ماهواره GPS یک ساعت اتمی دارد. گیرندههای GPS سیگنالها را از چندین ماهواره GPS به طور همزمان دریافت میکنند و سپس مکان آنها را بر اساس زمان دریافت آن سیگنالها تعیین میکنند. همه سیستمهای ماهوارهای ناوبری جهانی (GNSS)، مانند سیستم گالیله ESA، بر اساس یک اصل کار میکنند.
اما چالش ایجاد یک GNSS قمری است که می تواند به طور دقیق با GNSS زمینی هماهنگ شود. نسبیت نقطه گیر است.
نسبیت انیشتین به ما می گوید که دو ساعت در مکان های مختلف به دلیل گرانش محلی با سرعت های متفاوتی تیک می زنند. یک ساعت اتمی در سطح ماه میتواند در حدود ۵۶ میلیثانیه در روز سریعتر از یک روی زمین تیک تیک بزند، زیرا گرانش ضعیفتر است. این موضوع برای GPS سطح مصرف کننده چندان مهم نیست. اما وقتی صحبت از فعالیت های دقیق مانند فرود فضاپیما می شود، سرعت ساعت متفاوت مشکل ساز است.
نسبیت همچنین به ما می گوید که افراد روی زمین زمان را متفاوت از افراد روی ماه تجربه می کنند. اثرات گرانش از ماه در حال چرخش به دور زمین و زمین که به دور خورشید می چرخد می تواند تأثیر قابل توجهی بر ناوبری و ارتباطات داشته باشد.
راهحل NIST برای این مشکلات «Master Moon Time» است. این یک نقطه مرجع زمانی برای یک مکان در ماه تعیین میکند و همه مکانهای دیگر به آن اشاره میکنند، مشابه نحوه عملکرد UTC در زمین.
سیستم موقعیت یاب ماه (LPS) از شبکه ای از ساعت های اتمی با دقت بالا در مکان های مختلف در ماه تشکیل شده است. ناوگان ماهواره های قمری نیز حاوی ساعت های اتمی خواهد بود. همه این ساعت های دقیق سیگنال های زمانی مورد نیاز برای ناوبری دقیق را ارائه می دهند.
ساعتهای اتمی دقیق هستند زیرا بر اساس نوسانات اتمها، اغلب سزیم ۱۳۳، و همچنین با استفاده از عناصری مانند روبیدیم یا هیدروژن هستند. در واقع، تعریف رسمی ثانیه بر اساس نوسان سزیم-۱۳۳ است. دقت آنها بسیار زیاد است: دقیق ترین آنها می توانند زمان را در عرض یک ثانیه و بیش از یک میلیارد سال نگه دارند.
ساعتهای سزیوم-۱۳۳ میتوانند در مقایسه با انواع دیگر ساعتهای اتمی سنگین باشند، بنابراین ماهوارهها اغلب از ساعتهای اتمی روبیدیوم استفاده میکنند. سیستم GPS معمولاً از روبیدیوم استفاده میکند، اما ساعتهای سزیمی و هیدروژنی نیز بسته به نیاز استفاده میشوند. سیستم گالیله ESA از ساعتهای روبیدیوم و هیدروژن در یک ماهواره استفاده میکند و ساعتهای روبیدیوم به عنوان پشتیبان عمل میکنند.
بیجونات پاتلا، فیزیکدان NIST، می گوید: به جای اینکه ساعت ها به تدریج با زمان زمین هماهنگ شوند، مانند این است که کل ماه در یک «منطقه زمانی» تنظیم شده برای گرانش ماه هماهنگ شود.
نیل اشبی، فیزیکدان NIST، گفت: این کار پایه و اساس اتخاذ یک سیستم ناوبری و زمانبندی مشابه GPS را ایجاد میکند که به کاربران نزدیک زمین و زمین برای اکتشاف ماه خدمت میکند.
ناسا و شرکای آنها در تلاش آرتمیس قصد دارند تا در نهایت حضوری پایدار در ماه داشته باشند. منابعی در محل وجود دارد که میتوان از آنها برای بیشتر تلاشها استفاده کرد، چیزهایی مانند یخ آب و عناصر کمیاب خاکی.
با این سطح از فعالیت، نیاز به ناوبری دقیق آشکار است. با افزایش سطح پیچیدگی در تمام آن فعالیت ها، نیاز به موقعیت یابی و ناوبری قابل اعتماد شدید خواهد شد.
پاتلا گفت: ‘هدف این است که اطمینان حاصل شود که فضاپیماها می توانند در چند متری مقصد مورد نظر خود فرود بیایند.’
ماه همچنین در نهایت به عنوان یک منطقه صحنه یا نقطه پرش برای ماموریت ها به منظومه شمسی عمل خواهد کرد. همانطور که این تلاش در دهه های آینده شکل می گیرد، زمان بندی دقیق برای هماهنگی ماموریت های پیچیده مورد نیاز خواهد بود. محققان می گویند که ساعت های اتمی در ماهواره ها در نقاط لاگرانژ می توانند برای انتقال زمان بین زمین و ماه استفاده شوند.
پاتلا گفت: چارچوب پیشنهادی زیربنای زمان مختصات قمری در نهایت میتواند اکتشاف فراتر از ماه و حتی فراتر از منظومه شمسی ما را ممکن کند. البته زمانی که انسان ها توانایی چنین ماموریت های بلندپروازانه ای را توسعه دهند.
این درک همچنین پایه ناوبری دقیق در فضای سیس قمری و سطوح اجرام آسمانی است، بنابراین نقشی محوری در تضمین قابلیت همکاری سیستمهای مختلف موقعیت، ناوبری و زمانبندی از زمین تا ماه و تا دورترین نواحی خورشید درونی ایفا میکند. نویسندگان در مقاله خود می نویسند.
