NASA 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 NASA 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 NASA 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 NASA, 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 NASA 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 NASA 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 NASA 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 NASA 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, NASA 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 NASA по навигации смоделировали доступность сигнала ГНСС вблизи Луны. Их исследования показывают, что эти сигналы могут сыграть решающую роль в амбициозных инициативах NASA 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, NASA. — 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, NASA 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, NASA 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.

NASA 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.

Источник: Вестник ГЛОНАСС