Освоение Луны потребует разработки новых дифференциальных методов навигационных спутниковых систем
Международные космические агентства задались вопросом использования глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в космосе. Планируется расширение их применения в пределах и за пределами текущего объёма космических услуг, например, в лунных миссиях.
На основе результатов демонстрации осуществимости навигации ГНСС на лунных высотах, лунные миссии будут оснащены приёмником ГНСС для поддержки автономной навигации в непосредственной близости от Луны. Опираясь на неинвазивные, консолидированные дифференциальные методы, ГНСС обеспечат поддержку приложений для лунных орбитальных аппаратов, таких как совместная навигация, групповой полёт, орбитальные манёвры, дистанционное зондирование, системы дополнения и т.д.
Большая динамика и геометрия таких дифференциальных сценариев ГНСС отличают их от текущих вариантов использования на Земле и низкой околоземной орбите. Эти характеристики приводят к повышенной чувствительности к рассогласованию времени измерений между орбитальными аппаратами.
Итальянские исследователи представили обзор методов оценки расхождений и ограничений по отношению к наземным приложениям. В их работе представлена оценка длины базовой линии между лунной миссией CubeSat, VMMO и миссией связи-ретранслятора Lunar Pathfinder. В частности, используются реальные измерения ГНСС, полученные с помощью инженерной модели приёмника NaviMoon в радионавигационной лаборатории Европейского космического агентства (ESA/ESTEC). Для генерации сигналов ГНСС в этих аппаратно-программных тестах используется имитатор созвездия радиочастот.
Проведённые анализы показали недействительность обычных наземных дифференциальных методов измерения дальности ГНСС для космических сценариев из-за введения значительных смещений. Были предложены обновлённые алгоритмы измерения дальности, и была подтверждена их способность устранять ошибки измерения дальности, общие для обоих задействованных приёмников.
Учитывая импульс, набранный космическим сектором для исследования Луны как частными, так и государственными субъектами, ожидается, что научные и коммерческие инициативы будут расширяться в 2020-х годах на основе инициативы Moonlight Европейского космического агентства (ЕКА) и программы Artemis Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). В этом контексте разработка решений по наведению, навигации и управлению, не зависящих от отслеживания и управления наземными сегментами, крайне желательна для исследования Луны. В частности, регион южного полюса Луны привлекает внимание с точки зрения создания баз для человеческой деятельности и исследований.
В этом контексте ЕКА и НАСА совместно с Итальянским космическим агентством планируют запустить демонстрационные миссии на орбите вокруг Луны. Это Surrey Satellite Technology Ltd. (SSTL) Lunar Pathfinder, который, как планируется, будет запускать приёмник NaviMoon в 2025 году, и Firefly Blue Ghost Mission 1, запускающий многосозвездный приёмник ГНСС в 2024 году в рамках эксперимента по лунному приёмнику GNSS. Оба будут отслеживать сигналы Galileo E1, E5a и GPS L1 C/A, L5 и возвращать измерения псевдодальности, фазы несущей и доплеровского сдвига. Успех этих двух миссий затем будет способствовать расширению объёма космической службы (SSV) на окололунное пространство. SSV определяется как объём в космосе, в настоящее время охватывающий от 3000 км до 36 000 км над поверхностью Земли, в котором охарактеризованы доступность и производительность сигналов ГНСС.
Помимо оснащения навигационной системой и нахождения на Луне или вокруг неё в одно и то же время, эти миссии также будут взаимодействовать, потенциально передавая сообщения друг другу или действуя как распределённые системы, учитывая их эффективность и экономическую эффективность по сравнению с монолитными миссиями. Взаимодействие между этими различными космическими объектами вокруг Луны оправдывает необходимость разработки методов измерения дальности между космическими аппаратами, применимых к окрестностям Луны. Семейство методов измерения дальности дифференциальной ГНСС (ДГНСС) широко использовалось в последние десятилетия как на Земле, так и в космосе для улучшения положения конкретного пользователя, учитывая их неинвазивность, поскольку они полагаются исключительно на канал связи между взаимодействующими пользователями ГНСС.
В работе итальянцев исследовался случай дифференциальной ГНСС на основе кода для двух лунных орбитальных аппаратов, как это никогда ранее не проводилось. Было показано, что обычно используемые наземные алгоритмы для методов дифференциальной ГНСС на основе кинематического кода неприменимы для сценария приёмников ГНСС на лунных орбитах, несмотря на их индивидуальную способность осуществлять навигацию с использованием сигналов ГНСС от наземных созвездий.
Другим моментом, который рассматривался в этой работе, является чувствительность алгоритмов к качеству оценки смещения часов приёмника. Это особенно важно для сценария орбитальных аппаратов, учитывая высокие относительные скорости и большую скорость изменения ISR по смещению временной метки между набором измерений ГНСС двух пользователей. Учитывая большие доплеровские сдвиги, характерные для такого рода сценариев ГНСС, ошибка в оценке смещения часов приёмника может значительно снизить характеристики дальности.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников