Китайские исследователи предложили необычный способ сделать спутниковую навигацию значительно менее зависимой от наземных станций. В качестве внешнего ориентира для околоземной группировки предлагается использовать аппараты на специальных орбитах вокруг Луны. Разница между воздействием земной и лунной гравитации позволяет обнаруживать постепенный дрейф спутников и корректировать их положение без постоянной опоры на инфраструктуру на поверхности Земли.

Компьютерное моделирование с использованием данных китайской системы BeiDou-3 показало многообещающий результат: средняя ошибка определения дальности за 60 суток снизилась с 7,85 до 0,35 метра. В перспективе подобная схема может одновременно повысить автономность земных навигационных систем и стать частью будущей инфраструктуры позиционирования возле Луны и на её поверхности. Однако пока технология существует преимущественно в расчётах — взаимодействие с лунными аппаратами исследователи моделировали, поэтому концепцию ещё предстоит проверить в реальном космосе.

Почему спутникам всё ещё нужна Земля

Современные глобальные навигационные системы кажутся практически полностью автономными. Спутники постоянно движутся по известным орбитам и передают пользователям информацию, необходимую для определения координат.

Но за этой внешней автономностью находится сложная наземная инфраструктура.

Положение спутников необходимо регулярно и очень точно контролировать. Даже небольшие отклонения со временем накапливаются, поэтому наземные станции отслеживают параметры орбит и помогают поддерживать требуемую точность всей системы.

Одна из задач разработчиков будущих навигационных сетей — научить спутниковые группировки самостоятельно определять изменения своих орбит на протяжении длительного времени.

Обмен данными между спутниками решает проблему лишь частично

Один из очевидных вариантов автономизации заключается в измерении расстояний непосредственно между спутниками.

Аппараты могут обмениваться сигналами и определять взаимное положение друг относительно друга. Благодаря этому каждый участник группировки получает информацию о состоянии соседних спутников.

Однако здесь возникает фундаментальная проблема.

Представим несколько объектов, расстояния между которыми остаются неизменными. Если вся эта система одновременно немного сместится или повернётся, измерения между объектами практически не позволят обнаружить такое изменение.

Похожая ситуация возникает и со спутниковой группировкой. Аппараты хорошо определяют своё положение относительно друг друга, но вся система постепенно может начать смещаться относительно выбранной системы координат Земли.

По мере накопления такого дрейфа растёт и ошибка навигации.

Китайские учёные предложили добавить к системе Луну

Исследователи из Китайской академии наук решили добавить второй независимый ориентир — Луну.

Для эксперимента была рассмотрена система из 24 спутников BeiDou-3, расположенных на средних околоземных орбитах. К ней виртуально добавили ещё четыре космических аппарата, обращающихся уже вокруг Луны.

Для последних выбрали так называемые эллиптические замороженные лунные орбиты — ELFO.

Особенность подобных орбит заключается в том, что определённое сочетание их параметров позволяет сравнительно долго сохранять необходимые характеристики движения аппарата, несмотря на неоднородность гравитационного поля Луны и другие возмущения.

Именно такие орбиты рассматриваются как один из перспективных вариантов размещения будущей лунной навигационной инфраструктуры.

Луна становится своеобразным гравитационным якорем

Основная идея исследования связана не столько с физическим положением Луны, сколько с различиями гравитационных условий.

Околоземные спутники BeiDou находятся преимущественно под воздействием гравитационного поля Земли. Движение лунных аппаратов, напротив, в гораздо большей степени определяется Луной.

Это создаёт две системы, ошибки движения которых развиваются по-разному.

Если околоземная группировка начинает постепенно дрейфовать, измерение расстояний только между её собственными спутниками не всегда позволяет достаточно хорошо обнаружить этот процесс.

Но когда в расчётах появляются аппараты, движущиеся в другой гравитационной системе возле Луны, накопившееся расхождение становится значительно заметнее.

Фактически лунная группировка предоставляет дополнительную независимую точку отсчёта.

Точность в моделировании выросла более чем в 20 раз

Для проверки концепции учёные использовали реальные данные межспутниковых измерений BeiDou-3, накопленные за 60 суток.

Связь с предполагаемыми лунными спутниками при этом моделировалась математически — реальных аппаратов ELFO в эксперименте пока не использовали.

Результаты оказались впечатляющими.

При полностью автономной работе околоземной группировки средняя ошибка дальности для пользователей за рассматриваемый период достигала 7,85 метра.

Использование обычного прогнозирования орбит позволяло уменьшить показатель приблизительно до 0,60 метра.

После добавления виртуальной лунной группировки ошибка сократилась уже до 0,35 метра.

Таким образом, по сравнению с вариантом без дополнительной коррекции точность в проведённом моделировании улучшилась более чем в двадцать раз.

Наземные станции могут стать менее критичными

Если концепция подтвердится в реальных испытаниях, она способна заметно изменить архитектуру будущих спутниковых навигационных систем.

Полностью отказываться от наземных станций при этом необязательно. Гораздо важнее другое: группировка сможет дольше поддерживать необходимую точность самостоятельно.

Это особенно полезно при временной потере связи с наземной инфраструктурой, технических сбоях или работе в условиях, когда регулярная коррекция затруднена.

Дополнительный независимый ориентир также способен повысить устойчивость всей системы.

Одновременно появится навигационная инфраструктура для Луны

У предложенной архитектуры есть ещё одно важное преимущество. Лунные спутники можно использовать не только для помощи земной навигационной системе.

Та же группировка способна обслуживать космические аппараты, станции, луноходы и другие объекты непосредственно возле Луны.

По мере развития лунных программ необходимость в подобной инфраструктуре будет только увеличиваться. Аппаратам потребуется определять координаты без постоянного обращения к земным центрам управления, а будущим экспедициям понадобится аналог привычных земных спутниковых навигационных сервисов.

Идея создания подобной системы рассматривается не только Китаем. Американские и европейские космические программы также изучают варианты размещения навигационных аппаратов на подходящих лунных орбитах.

До практического применения ещё далеко

Несмотря на хорошие результаты расчётов, говорить о создании готовой автономной системы пока рано.

Главное ограничение нынешней работы заключается в том, что данные BeiDou были реальными, а лунная часть эксперимента — смоделированной.

Следующим важным этапом станет проверка концепции с настоящими космическими аппаратами на орбитах Луны. Только такой эксперимент позволит оценить влияние реальных погрешностей связи, особенностей оборудования, нестабильности орбит и множества других факторов, которые невозможно полностью воспроизвести в математической модели.

Тем не менее сама концепция открывает интересное направление развития спутниковой навигации. Вместо создания полностью независимых систем для Земли и Луны их можно частично объединить.

В таком случае Луна фактически превратится в удалённый космический ориентир для земных спутников, а созданная вокруг неё инфраструктура одновременно станет основой собственной навигационной сети для будущих лунных миссий.