Технологии

НАСА исследует верхние пределы глобальных навигационных систем

13 Января 2021
НАСА исследует верхние пределы глобальных навигационных систем

Лунная программа США Artemis («Артемида») обещает установить устойчивое присутствие людей на Луне, будет искать ресурсы, делать революционные открытия и разрабатывать технологии, которым надлежит стать ключевыми для будущего исследования глубокого космоса.

Чтобы поддержать эти амбиции, навигационные инженеры НАСА из Программы космической связи и навигации (SCaN) разрабатывают навигационную архитектуру, которая обеспечит точные и надёжные сервисы определения местоположения, навигации и времени (PNT) для миссий Artemis. Сигналы ГНСС будут одним из компонентов этой архитектуры. Использование ГНСС на высокой околоземной орбите и в лунном пространстве улучшит синхронизацию, обеспечит точные и гибкие манёвры, снизит затраты и даже позволит определять автономную бортовую орбиту и траекторию.

Под ГНСС  Дэнни Бэйард из НАСА понимает группировки спутников PNT, эксплуатируемых США, Европейским Союзом, Россией, Китаем, Индией и Японией. GPS, группировка PNT, созданная ВВС США.

На Земле сигналы ГНСС позволяют осуществлять навигацию и обеспечивать точное время в критически важных приложениях, таких как банковское дело, финансовые транзакции, электрические сети, сотовые сети, телекоммуникации и т.д. В космосе космический аппарат может использовать эти сигналы для определения своего местоположения, скорости и времени, что имеет решающее значение для операций миссии.

«Мы расширяем возможности использования сигналов ГНСС в космосе, - сказал заместитель директора SCaN по политике и стратегическим коммуникациям Джей Джей Миллер, который координирует деятельность PNT в агентстве. - Это расширит возможности НАСА, поскольку агентство планирует исследование Луны человеком в рамках программы Artemis».

Космические аппараты, находящиеся рядом с Землей, долгое время полагались на сигналы ГНСС для получения данных PNT. Космические аппараты, находящиеся на низкой околоземной орбите на высоте менее 1800 миль (3000 км), могут рассчитывать своё местоположение с помощью сигналов ГНСС, точно так же, как пользователи на земле могут использовать свои телефоны для навигации.

Это даёт преимущества для этих миссий, позволяя многим спутникам автономно реагировать на непредвиденные события в режиме реального времени, обеспечивая безопасность миссии. Приемники ГНСС также могут избавить от необходимости в дорогостоящих бортовых часах и упростить наземные операции, что позволяет сэкономить деньги на миссии. Кроме того, точность ГНСС может помочь миссиям проводить измерения из космоса.

На высоте более 1800 миль навигация с помощью ГНСС становится проблемной. Это пространство называется объёмом космической службы (Space Service Volume) и простирается от 1800 миль до примерно 22 000 миль (36 000 км), или геосинхронной орбиты. На высотах за пределами самих созвездий ГНСС пользователи должны начать полагаться на сигналы, полученные с противоположной стороны Земли.

С противоположной стороны земного шара Земля блокирует большую часть сигналов ГНСС, поэтому космический аппарат в Объёме космической службы должен вместо этого «прислушиваться» к сигналам, которые распространяются над Землёй. Эти сигналы распространяются под углом от антенн ГНСС.

Формально приём ГНСС в Объёме космической службы основан на сигналах, принимаемых в пределах примерно 26 градусов от самого сильного сигнала антенн. Однако НАСА добилось заметных успехов в использовании более слабых сигналов боковых лепестков ГНСС, которые выходят под ещё большим углом от антенн, для навигации внутри Объёма космической службы.

С 1990-х годов инженеры НАСА работали над тем, чтобы понять возможности этих боковых лепестков. В рамках подготовки к запуску первого метеорологического спутника – Геостационарного Оперативного Экологического спутника-R в 2016 году НАСА попыталось лучше документировать силу и характер боковых лепестков, чтобы определить, может ли спутник соответствовать требованиям PNT.

«Благодаря ранним измерениям на орбите и документации возможностей боковых лепестков ГНСС будущие миссии могут быть уверены в том, что их потребности в PNT будут удовлетворены, - сказал Фрэнк Бауэр, который начал работу по ГНСС PNT в Центре космических полётов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. – Наше понимание этих шаблонов сигналов выявило множество потенциальных новых приложений ГНСС».

Эксперты по навигации в Центре реконструировали характеристики антенн спутников GPS, наблюдая за сигналами из космоса. Изучая сигналы, получаемые спутниками от боковых лепестков, инженеры соединили воедино их структуру и силу. Используя эти данные, они разработали подробные модели диаграмм направленности спутников GPS в рамках проекта, названного экспериментом по определению характеристик антенны GPS.

Документируя эти характеристики, НАСА исследовало возможность использования сигналов боковых лепестков для навигации далеко за пределами того, что считалось Объёмом космической службы, и в лунном пространстве. В последние годы магнитосферная многомасштабная миссия (MMS) успешно определяла своё местоположение с помощью сигналов GPS на расстояниях почти на полпути от Луны.

Чтобы развить успех MMS, инженеры НАСА по навигации смоделировали доступность сигнала ГНСС вблизи Луны. Их исследования показывают, что эти сигналы могут сыграть решающую роль в амбициозных инициативах НАСА по исследованию Луны, обеспечивая беспрецедентную точность навигации.

«Наше моделирование показывает, что GPS можно расширить до лунных расстояний, просто дополнив существующие высотные навигационные системы GPS антеннами с более высоким коэффициентом усиления на пользовательских космических кораблях, - сказал инженер по навигации Бен Эшман, НАСА. - GPS и ГНСС могут сыграть важную роль в предстоящих миссиях Artemis – от запуска до операций на поверхности Луны».

В то время как MMS полагалась исключительно на GPS, НАСА работает над совместимым подходом, который позволил бы лунным миссиям использовать преимущества нескольких созвездий одновременно. Космические аппараты вблизи Земли получают достаточно сигналов от одной группировки PNT, чтобы вычислить их местоположение. Однако на лунных расстояниях сигнала ГНСС меньше. Моделирование показывает, что использование сигналов от нескольких созвездий улучшило бы способность миссий последовательно вычислять свое местоположение.

Чтобы доказать и проверить эту возможность на Луне, НАСА планирует эксперимент с лунным приёмником ГНСС (LuGRE), разработанным в сотрудничестве с Итальянским космическим агентством. LuGRE будет выполнять одну из коммерческих миссий НАСА по обслуживанию лунной полезной нагрузки. Эти миссии полагаются на североамериканские компании в доставке лунного груза, который продвигает науку и разведочные технологии.

НАСА планирует высадить LuGRE в бассейне Mare Crisium на Луне в 2023 году. Ожидается, что там LuGRE получит первое местоположение ГНСС на поверхности Луны. LuGRE будет получать сигналы как от GPS, так и от Galileo. Собранные данные будут использованы для разработки действующих лунных систем ГНСС для будущих полётов на Луну. 


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

Короткая ссылка:  vestnik-glonass.ru/~bkcK2
25.04.2024
В современном автомобильном мире автомобили превращаются из простых видов транспорта во взаимосвязанные технологические центры. Подключённые автомобили используют множество цифровых функций и технологий для повышения безопасности, удобства и в целом удовольствия от вождения.
22.04.2024
На базе ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ВНИИФТРИ) открыли уникальный многофункциональный метрологический бассейн, который поможет кратно повысить точность измерений.
19.04.2024
Отечественные разработчики создали устройство высокоточной навигации, которое уже тестируется в «умном» сельском хозяйстве, до конца года его планируют протестировать на море. Об этом сообщил генеральный директор ГП КС Алексей Волин на встрече с представителями индустрии в рамках Демо-дня ИЦК «Спутниковая связь» в Великом Новгороде.
18.04.2024
Космическая сфера становится всё более перегруженной и спорной, поэтому военные осознают роль, которую инновации и возможности частного сектора будут играть в стремлении достигнуть превосходства США в космосе. Используя скорость, гибкость и технологические достижения коммерческих партнёров, космические силы стремятся создать более устойчивую, распределённую и эффективную космическую архитектуру, которая сможет сдерживать противников и поддерживать объединённые силы по всему спектру конфликтов.

СТАТЬИ ГЛОНАСС

Необходим поиск отечественных специалистов в области кибербезопасности сельского хозяйства
Перспективы реализации дорожной карты одного из направлений Национальной технологической инициативы (НТИ) в области сельского хозяйства, по просьбе журнала «Вестник ГЛОНАСС», оценил эксперт в навигационно-информационной сфере Семён Видный. В современных, быстроизменяющихся условиях особого решения требуют вопросы безопасности (направление SafeNet), тем более на таком значимом для государства агросекторе. В этом направлении на данный момент – огромное количество профессиональных участников. Но большинство из них используют иностранные наработки, что в настоящий момент и на перспективу неприемлемо. Также все профессионалы никогда не занимались этим специфическим сектором экономики – сельским хозяйством. Так что здесь придётся ещё поискать участников.
Аграриям предстоит работать в одной системе координат
Как известно, основой современного цифрового агрокомплекса является картогорафирование. Семён Видный, эксперт в области применения современных навигационно-информационных технологий в сельском хозяйстве поделился с читателями журнала «Вестник ГЛОНАСС» с кругом решаемых проблем при обработке массивов картографических данных. Таким образом, выяснилось, что все используют данные в различных системах координат, но пытаются укладывать их на одну картографическую основу и, соответственно, получают нестыковки и ошибки. Всё это приводит к тому, что используемые данные из Роскадастра, из Центров химизации и от высокоточных источников (данные дистанционного зондирования Земли, данные с беспилотников и высокоточных навигационных или геодезических приборов) не состыковываются друг с другом и только вводят в заблуждение сельхозтоваропроизводителей и собственников сельхозземель. И это также отражается на отношениях со смежными землепользователями.