Международные космические агентства ставят перед собой амбициозную задачу: использовать глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) в космосе. Планируется расширить их применение за пределы традиционных задач, включив в него лунные миссии.
Результаты демонстрации возможностей навигации ГНСС на лунных орбитах указывают на перспективность оснащения лунных миссий приёмниками ГНСС для автономной навигации в непосредственной близости от Луны. Унифицированные дифференциальные методы ГНСС позволят оптимизировать работу лунных орбитальных аппаратов, например, для совместной навигации, группового полёта, орбитальных маневров, дистанционного зондирования, систем дополнения и т.д.
Динамика и геометрия дифференциальных сценариев ГНСС в космическом пространстве значительно отличаются от земных. Эти особенности повышают чувствительность к несоответствию временных измерений между орбитальными аппаратами.
Итальянские исследователи провели анализ методов оценки расхождений и ограничений по отношению к наземным приложениям. В исследовании оценивалась длина базовой линии между лунной миссией CubeSat, VMMO и миссией связи-ретранслятора Lunar Pathfinder. Для этого использовались реальные измерения ГНСС, полученные с помощью инженерной модели приёмника NaviMoon в радионавигационной лаборатории Европейского космического агентства (ESA/ESTEC). Результаты исследования показали неэффективность стандартных наземных методов измерения дальности ГНСС для космических сценариев. Поэтому были предложены обновлённые алгоритмы измерения дальности, доказавшие свою способность устранять ошибки в измерениях.
С учётом растущего интереса к исследованию Луны как со стороны частных, так и государственных организаций, ожидается расширение научных и коммерческих инициатив в 2020-х годах.
Программа Artemis НАСА и инициатива Moonlight Европейского космического агентства (ЕКА) стимулируют разработку решений по наведению, навигации и управлению, не зависящих от наземных сегментов.
В этом контексте ЕКА и НАСА совместно с Итальянским космическим агентством планируют запустить демонстрационные миссии на окололунную орбиту. Это такие миссии как Surrey Satellite Technology Ltd. (SSTL) Lunar Pathfinder, планируемый к запуску в 2025 году с приёмником NaviMoon, и Firefly Blue Ghost Mission 1, запускающий многосозвездный приёмник ГНСС в 2024 году в рамках эксперимента по организации лунной связи GNSS. Обе миссии будут отслеживать сигналы Galileo E1, E5a и GPS L1 C/A, L5, и передавать данные на Землю.
Успех этих двух миссий позволит расширить зону охвата космической службы (SSV) в окололунном пространстве. SSV - это область в космосе, в настоящее время охватывающая от 3000 км до 36 000 км над поверхностью Земли, где охарактеризованы доступность и производительность сигналов ГНСС.
Помимо предоставления услуг на Луне и вокруг неё, эти миссии будут взаимодействовать друг с другом, передавая сообщения или работая как распределённые системы, что повысит эффективность и экономическую целесообразность по сравнению с одноцелевыми миссиями.
В работе итальянцев был изучен случай дифференциальной ГНСС на основе кода для двух лунных орбитальных аппаратов. Исследование показало, что стандартные наземные алгоритмы для кинематических методов ДГНСС неприменимы для сценария приёмников ГНСС на лунных орбитах, несмотря на их способность осуществлять навигацию с использованием сигналов ГНСС от наземных созвездий.
Ещё одним важным аспектом, рассмотренным в работе, является чувствительность алгоритмов к оценке смещения времени. Это особенно актуально для орбитальных аппаратов, учитывая высокие относительные скорости и значительные изменения ISR по смещению временной метки между наборами измерений ГНСС двух пользователей. Из-за больших доплеровских сдвигов, характерных для таких сценариев ГНСС, ошибка в оценке смещения часов приёмника может значительно влиять на данные измерений дальности.
