ЕКА: Три этапа создания лунной навигационной системы

Возникла новая лунная экономика исследований Луны, сообщает Европейское космическое агентство. Этим занимаются различные космические агентства, частные компании и государственно-частные партнёрства, развивая инициативы, связанные с роботами, средой обитания, транспортом и т.д. Все предлагаемые миссии имеют схожие навигационные и коммуникационные потребности, которые потенциально и эффективно могут быть удовлетворены с помощью специальной лунной навигационной системы, сообщает издание Inside GNSS.

О дорожной карте внедрения лунной PNT в три этапа, начиная с использования уже существующих созвездий Земля-ГНСС через высокочувствительные космические приёмники, «ВГ» писал ещё два года назад. Новые предлагаемые решения на базе ГНСС, адаптированные к Луне, могут обеспечить отличную производительность, а также многие эксплуатационные и научные преимущества для исследования Луны.

В рамках совместных усилий нескольких директоратов, ESA (Европейское космическое агентство) в настоящее время работает над определением Лунной службы связи и навигации (LCNS) в рамках инициативы «Лунный свет». С октября 2020 года ЕКА готовит запуск специального системного исследования для оценки архитектуры LCNS с учётом потребностей пользователей как в связи, так и в навигации.

Несмотря на то, что это ключевая технология для обеспечения большого количества запланированных лунных миссий, сигналы ГНСС от земных созвездий могут достигать только ближней стороны Луны или, в более общем плане, областей в цислунарном пространстве, которые не скрыты Луной. Кроме того, ввиду требуемой точности и доступности, необходимых для обеспечения автономной посадки и наведения луноходов, одних сигналов земной ГНСС недостаточно. Современный навигационный подход для такого рода миссий основан на сочетании нескольких датчиков и взаимодействии с наземными операционными группами, что ограничивает автономные бортовые возможности и неизбежно задерживает даже самое простое перемещение между близкими местоположениями. Специальная лунная навигационная система могла бы значительно улучшить существующие подходы. Это позволило бы осуществлять лунную навигацию в районах, не имеющих прямой видимости с Земли, глобально повысить точность определения местоположения пользователя и общую доступность услуг. Предлагаемые системы усиления включают дополнительные спутники на лунных орбитах и статические дальномерные маяки на лунной поверхности.

Предметом нескольких внутренних исследований ESA и промышленных исследований с целью достижения хорошего охвата Южного полюса стали эллиптические лунные замороженные орбиты (ELFO). Будучи очень стабильными, они не требуют большого числа станций, что делает их пригодными для лунных радионавигационных систем.

Спутники вокруг Луны дают большой объём позиционирования. В то же время PNT-маяки могут быть наиболее простым средством позиционирования в определённом регионе. Одно из основных преимуществ использования маяка по сравнению со спутниками – то, что местоположение маяка необходимо определять лишь изредка, в то время как для спутников на лунных орбитах необходимо непрерывное точное определение орбиты (POD). Концепция надводных маяков уже широко использовалась на Земле до распространения технологии ГНСС, главным образом для морской навигации (напр. «Лоран»). В случае Луны, PNT-маяки могли бы поддерживать лунную навигационную систему следующим образом:

• Передача дальномерных сигналов, синхронизированных с основными орбитальными аппаратами Лунной навигационной системы (ЛНС);

• Выступать в качестве опорной станции для орбитальных аппаратов ЛНС;

• Осуществлять местное дифференциальное навигационное обслуживание лунной поверхности;

• Предоставлять навигационные данные земных ГНСС лунным пользователям;

• Выступать в качестве точки совместного размещения нескольких селенодезических технологий, таких как лазерные ретрорефлекторы, приёмник ГНСС Земли и совместимый с очень длинной базовой интерферометрией (VLBI) передатчик, который может предоставить дополнительные интересные научные возможности.

Совместное использование поверхностного маяка и лунных орбитальных аппаратов значительно улучшит геометрию позиционирования для лунных посадочных аппаратов, нацеленных на местоположение в непосредственной близости от маяка, и пользователей в непосредственной близости.

Помимо того, что лунная радионавигационная система позиционирования на основе ГНСС будет служить источником точного времени и местоположения, она также может дать много научных возможностей. Сама система может быть использована в качестве научного инструмента. Технологии ГНСС были разработаны для обеспечения точной навигации на Земле, и различные научные эксперименты могли на этой системе базироваться. Точное позиционирование – основное применение измерений ГНСС – позволяет, например, изучать деформацию кристаллов, обусловленную движением тектонических плит и недрами Земли. ГНСС также широко используется на Земле для характеристики ионосферы Земли и для детальных оценок тропосферы Земли.

Глобальная инфраструктура лунной навигации (и связи) в случае разработки может принести большое количество эксплуатационных выгод и стать основным стимулом для лунных институциональных и коммерческих миссий. Эта концепция обсуждалась в двухчастном документе ESA в виде предложения о постепенном развёртывании лунной службы ПНТ, основанной на использовании технологии ГНСС и состоящей из трёх этапов:

I. Решение, основанное на использовании существующих ГНСС-созвездий, уже может быть достаточным для удовлетворения навигационных требований пользователей, осуществляющих передачу данных с Земли на Луну и выходящих на лунную орбиту.

II. При ориентации на посадку на Южном полюсе требования навигационных пользователей могут быть выполнены путём добавления простой трёхспутниковой лунной группировки вместе с лунным наземным радиомаяком.

III. Эта начальная группировка может быть затем постепенно модернизирована с помощью дополнительных дальномерных спутников на лунной орбите, специально отобранных для улучшения доступности услуг в других лунных широтах. Для достижения желаемого уровня производительности ESA предлагает вывести на орбиту ещё 12 лунных спутников, которые могли бы обеспечить автономную службу глобального покрытия PNT для Луны.

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный канал на TamTam