Подготовка новой спутниковой группировки на Луне
AstroNews.ru - 21 Апреля 2022 18:54:06
Тестовая версия уникального спутникового навигационного приемника была доставлена для проведения испытаний на космическом аппарате Lunar Pathfinder. Приемник спутниковой навигации NaviMoon предназначен для выполнения самого дальнего в истории позиционирования от Земли, используя сигналы, которые будут в миллионы раз слабее тех, что используются нашими смартфонами или автомобилями.
"Эта инженерная модель приемника NaviMoon - самый первый образец аппаратуры, который будет изготовлен в рамках инициативы ЕКА "Луна" по разработке специализированных телекоммуникационных и навигационных услуг для Луны", - объясняет Хавьер Вентура-Травесет, глава Научного управления ЕКА по навигации и руководитель всех мероприятий ЕКА по лунной навигации.
"Он будет доставлен на борту космического аппарата Lunar Pathfinder на орбиту вокруг Луны, откуда выполнит самую дальнюю из когда-либо сделанных навигационных фиксаций местоположения на расстоянии более 400 000 км с точностью менее 100 м. Это представляет собой необычайный инженерный вызов, поскольку на таком расстоянии слабые сигналы Galileo и GPS, которые он использует, будут едва различимы на фоне космического шума. Эта демонстрация будет означать настоящую смену парадигмы для лунной орбитальной навигации".
Lunar Pathfinder размером со стиральную машину создается в качестве коммерческой миссии компанией Surrey Satellite Technology Ltd, SSTL, в Великобритании. ЕКА финансирует эту систему, включая приемник NaviMoon весом 1,4 кг, который будет размещен рядом с основным передатчиком Х-диапазона космического аппарата, связывающим его с Землей.
"Получение физического оборудования для миссии - это всегда фантастика", - говорит Лили Форвард, системный инженер SSTL. Этот инженерный образец приемника будет интегрирован в нашу версию миссии "FlatSat Test Bed" для проверки связи и правильной работы всех наших систем перед получением летного образца приемника и антенны в конце этого года".
Это будет первая полноценная миссия SSTL за пределами Земли, добавляет она: "Закладывая фундамент для многочисленных научных миссий, которые придут после него, Lunar Pathfinder - это спутник-ретранслятор связи, предназначенный для обслуживания активов как на ближней, так и на дальней стороне. Он будет двигаться по "эллиптической лунной орбите" для длительного покрытия Южного полюса - особого внимания для будущих исследований. Затем через регулярные промежутки времени мы будем ориентировать космический аппарат на Землю, чтобы протестировать приемник NaviMoon".
Фиксация положения Satnav с помощью приемника будет сравниваться с традиционной радиолокацией, осуществляемой с помощью передатчика X-диапазона Lunar Pathfinder, а также с лазерной локацией, осуществляемой с помощью ретрорефлектора, предоставленного НАСА и разработанного компанией KBR.
"Это будет впервые, когда эти три метода измерения будут использоваться вместе в глубоком космосе", - объясняет инженер-навигатор ЕКА Пьетро Джордано. Существует длинное наследие лунной лазерной дальнометрии, восходящее к миссиям "Аполлон", а используемый нами ретрорефлектор - это эволюция лунного орбитального разведчика НАСА". Сочетание всех методов измерения позволит еще больше улучшить оценку орбиты, что потенциально может превзойти возможности радиозондирования.
"В принципе, это может означать, что будущие миссии смогут автономно перемещаться к Луне, используя только спутниковые навигационные сигналы без помощи с земли".
Поиск сверхслабых сигналов спутниковой навигации
Сигналы спутниковой навигации, используемые на Земле, уже исчезающе слабые, эквивалентные одной паре автомобильных фар, освещающих всю Европу. К тому времени, когда эти сигналы достигают Луны, они преодолевают расстояния более чем в 20 раз больше, затухая в пространстве, как рябь от камня, брошенного в воду.
"К тому же, спутниковые навигационные группировки не предназначены для передачи сигнала в космос, держат свои антенны направленными на Землю", - добавляет Пьетро. Поэтому мы полагаемся на гораздо более слабые сигналы "боковых лепестков", как свет, льющийся с краев фонарика. Чтобы иметь возможность использовать эти сигналы, мы обратились к специалисту по космической спутниковой навигации, чьи методы обработки сигналов оказались действительно волшебным ингредиентом".
Компания SpacePNT, расположенная в Швейцарии, курировала разработку приемника NaviMoon. "Мы начали работать над идеей спутникового позиционирования на лунном расстоянии еще в 2013 году как над научной задачей", - объясняет Сирил Боттерон, возглавляющий компанию.
"Сочетание двухчастотных сигналов Galileo с сигналами существующих спутников GPS - вот что сделало эту идею осуществимой. Хотя, наряду с требуемой чрезвычайной чувствительностью, другой большой проблемой является то, что с Луны все спутники спутниковой навигации находятся в одной и той же узкой геометрии неба вокруг Земли, периодически вращаясь вне поля зрения".
Решение, которое предложила SpacePNT, использует более чем полувековой опыт исследования Луны. Компания установила в приемник динамическую программную модель всех сил, действующих на спутник, включая гравитационное влияние Луны, Земли, Солнца и планет, а также очень незначительное давление самого солнечного света - давление солнечного излучения - наряду с такими факторами, как направление радиосигнала.
Сирил объясняет: "По тому, какое ускорение мы испытываем, приемник может судить о том, что он, скорее всего, находится в определенной точке своей орбиты. Обычно спутниковому приемнику требуются сигналы от четырех спутников, чтобы зафиксировать свое положение, но при таком подходе даже менее четырех сигналов все равно достаточно для получения полезной информации, ограничивая модель, чтобы минимизировать любые ошибки".
На британскую компанию European Engineering & Consultancy, EECL, была возложена задача превратить проект SpacePNT в полностью протестированное оборудование, а также разработать критически важный малошумящий усилитель, который просеивает шум для усиления полезных сигналов.
"Усилитель представляет собой высококлассный диплексер, охватывающий двухчастотные диапазоны спутниковой навигации, настроенный вручную с использованием лучших компонентов и с применением технологии теплоотвода для дальнейшего снижения нежелательных шумов", - говорит Бен Кениевич, основатель ECCL.
"Наряду с участием в других аспектах проектирования, мы также построили, испытали и доставили приемник в SSTL, используя нашу чистую комнату для сборки и испытаний, отвечающую космическим требованиям".
Lunar Pathfinder будет готов к запуску в конце 2024 года, предлагая услуги ближней, дальней, орбитальной и полярной сторон для миссий, запускаемых в ближайшие годы, закладывая основу для созвездия объединенных телекоммуникационных и навигационных спутников вокруг Луны.
"Наша лунная инициатива предполагает первоначальное размещение трех-четырех спутников на лунной орбите, которые будут предоставлять услуги не менее пяти часов подряд в течение суток, ориентируясь на южный полюс Луны, где изначально планируется большинство миссий", - добавляет Хавьер. "Наша система задумана как расширяемая, и идея заключается в постепенном увеличении созвездия, и, скорее всего, в том, чтобы также включить поверхностные маяки на Луне. Это позволит обеспечить полное покрытие лунной поверхности, более высокую доступность и отличную точность".