Низкоорбитальные спутники для надёжного позиционирования, навигации и синхронизации

Повседневная жизнь всё больше зависят от геопространственной связи, цифровой связи и удалённого сотрудничества. И всё это сильно зависит от услуг PNT, которые обеспечивают ГНСС. Эта зависимость, возможно, чрезмерная зависимость, несёт с собой ключевую уязвимость. Быстро разрабатываются и внедряются альтернативы и решения для резервного копирования – в некоторых случаях даже обязательные – для критически важных приложений, отраслей и инфраструктуры.

По заявлению Тайлера Рейда, технического директора компании Xona Space Systems, разработчика низкоорбитальных спутников для предоставления услуг позиционирования, навигации и времени (PNT), компания создаёт собственную спутниковую группировку, коммерческие спутники, предназначенные для навигационных функций. В компании не пытаются использовать некоторые из систем, ориентированных на связь, но используют экосистему, которая поддерживает быстрый рост низкоорбитальных спутниковых систем (LEO).

Рейд имеет в виду такие системы связи, как SpaceX Starlink с примерно 800 из запланированных 4500 спутников, OneWeb с более чем 70 из запланированных 720, Telesat с 300 и Amazon, наметивший строительство более 3000 спутников. Было много предложений и исследований по использованию подобных спутников связи для PNT. Но достаточно сложно, а то и функционально нецелесообразно добавлять элементы PNT в спутники, уже оптимизирующие ограниченные бортовые ресурсы.

Вместо того, чтобы пытаться использовать такие системы, компания работает над созданием специальной группировки из 300 или более спутников LEO. «Мы подходим к этому поэтапно, – говорит Брайан Чен, соучредитель отдела развития бизнеса. – На текущем этапе исследований и разработок используются локальные сети наземных передатчиков. В 2023 году мы планируем иметь 40 спутников LEO над густонаселёнными районами, 70 – в 2024 году и полную группировку из 300 – в 2026 году. Мы можем извлечь выгоду из экосистемы в аэрокосмической отрасли спутникового бизнеса, создавая спутниковые компоненты и подсистемы, используя эту экономию за счёт масштаба».

Нынешний всплеск активности в разработке альтернатив PNT вызван в первую очередь интересом и ростом интеллектуальных и автономных систем, а также акцентом на надёжность для обеспечения безопасности при рассмотрении уязвимостей PNT на основе ГНСС. Ставки высоки, как и ожидания. «Посмотрите на авиаперевозки, где на каждые 10 миллиардов пройденных миль приходится один смертельный исход, – говорит Рейд. – Точность навигации, необходимая для авиаперелётов, составляет сотни метров, даже железнодорожный и другие виды транспорта могут быть в диапазоне более 3 метров, но для автономии автомобиля вам нужно 30 см или меньше, а для соответствия авиаперелёту допустим только один 30-сантиметровый отказ на каждые 1 миллиард миль». Должны быть соблюдены не только пороговые значения точности, но, что более важно, надёжность и отказоустойчивость.

Позиционирование и навигация эволюционировали от 25-метровой точности первой спутниковой навигационной системы в середине прошлого века до 3 метров с GPS. Теперь, с дополнениями, GPS/ГНСС может давать 10 см или меньше в режиме реального времени практически в любой точке мира. Автономные системы не полагаются только на ГНСС, они используют несколько датчиков для двух типов пространственного разрешения. Для относительного позиционирования существуют комбинации камер, LiDARов, радарных и ультразвуковых датчиков, датчиков скорости вращения колес и многого другого. Для абсолютного позиционирования ГНСС интегрирована с IMU. Ожидания (и часто заявленные требования) для интеллектуальных и автономных систем составляют 10 см в 95% случаев и 30 см при вышеупомянутом чрезвычайно низком уровне отказов. Возможно, ГНСС может удовлетворить эти потребности, но многие считают, что это невозможно, если принять во внимание риск, который представляют такие уязвимости.

Спутники ГНСС имеют встроенные атомные часы, которые обновляются с соответствующего наземного сегмента.

«Огромным компонентом спутников ГНСС являются часы долговременной стабильности, которые дают большие преимущества на орбите, – говорит Рейд. – Но когда вы углубляетесь в требования к этим часам, то видите, например, случаи использования их правительством, когда весь наземный сегмент отключается на несколько недель. Конечно, на случай таких непредвиденных обстоятельств было бы здорово иметь там эти активы и стандарты атомной частоты. Но они резко увеличивают стоимость и сложность спутника. Что мы решили сделать, так это сохранить эту сложность на земле, а затем перенести синхронизацию сети на спутники. Итого, мы по-прежнему поддерживаем хорошую краткосрочную стабильность на спутниках».

При полном наборе спутников LEO (около 300) может быть достигнуто такое же снижение точности (DOP), как и у ГНСС, а затем начинается работа по повышению точности. Рейд указал, что точность будет поэтапной, первоначально в метрах, наряду с услугами перевода времени и поправок. Затем – уровни 30 см и 10 см для предполагаемых интеллектуальных и автономных приложений.

В отрасли предсказывают, что позиционирование на основе LEO может обеспечить в 10 раз большую точность (для некоторых приложений) и в 100 раз лучшее подавление помех, чем морально устаревшие системы ГНСС. К этому времени в следующем году первые два низкоорбитальных корабля компании должны быть на орбите и готовы к испытанию своих решений PNT.

Источник: Вестник ГЛОНАСС