Системы глобального позиционирования (GPS) стали неотъемлемой частью повседневной жизни миллионов людей по всему миру. Они помогают кораблям безопасно доставлять грузы, а водителям — объезжать закрытые участки дорог по пути домой. Однако у этих систем есть уязвимость: они опираются на наземные станции, которые могут выйти из строя из-за отключений электроэнергии, стихийных бедствий или кибератак. Если такие станции надолго перестанут работать, вся система начнёт постепенно «дрейфовать». Аэрокосмические инженеры годами пытаются решить эту проблему, но пока без особого успеха. Новая работа исследовательской группы под руководством Ся Линя и Баоцзюня Линя из Шанхайского инженерного центра микроспутников, опубликованная в журнале Satellite Navigation, предлагает возможный выход — связать спутники GPS с аппаратами, вращающимися вокруг Луны.
Чтобы понять суть проблемы, нужно разобраться в орбитальной механике. Помимо связи с наземными станциями, традиционные навигационные группировки Земли используют метод множественного доступа с временным разделением для поддержания контакта с соседними спутниками, измеряя относительные расстояния с точностью до сантиметров. Это помогает определить, насколько далеко друг от друга находятся аппараты, но не позволяет установить их абсолютное положение в пространстве. Гравитация Земли вокруг оси вращения почти симметрична, поэтому все спутники в одной «орбитальной оболочке» могут смещаться относительно своих позиций на земле одновременно. Этот дрейф, известный специалистам по орбитальной динамике как ориентационная ранговая недостаточность, постепенно вносит ошибки в позиционирование, если его не корректировать с помощью наземных станций. А если те не работают днями или неделями, ошибка может накопиться до значительных величин.
Инженеры пробовали разные способы борьбы с этим: звёздные датчики, счётчики пульсаров, заблаговременное «прогнозирование» орбиты. Однако ни один из них не даёт нужной точности, чтобы глобальная система GPS работала на ожидаемом уровне. Тогда исследователи обратились к необычному решению — Луне. Точнее, к спутникам, которые вращаются вокруг Луны, в так называемом цислунном пространстве. Принципиально важно, что они должны быть на орбите именно вокруг Луны, а не вокруг Земли, чтобы замечать и исправлять «дрейф», затрагивающий земные группировки. Для лунного аппарата учёные выбрали эллиптические лунные замороженные орбиты (ELFO) — траектории, которые планируют использовать проекты NASA LunaNet и ESA Moonlight для поддержки миссий на южном полюсе.
Чтобы проверить свою идею, исследователи провели 60-дневное моделирование с использованием реальных данных от 24 действующих спутников BeiDou-3 на средней околоземной орбите и смоделированной связи с четырьмя аппаратами на орбитах ELFO. Выяснилось, что при использовании только традиционных земных перекрёстных связей без коррекции с наземных станций система за два месяца сместилась примерно на 7,85 метра. Этот дрейф заметно снижался при применении прогнозирования траектории — к 60-му дню он падал всего до 0,6 метра, если спутники предсказывали изменение своей орбиты. Но наилучший результат дала смоделированная совместная сеть Земля — Луна: дрейф составил всего 0,35 метра за два месяца эксперимента.
Дополнительное преимущество такой схемы в том, что коррекция работает в обе стороны. Спутники, привязанные к Земле, могут передавать данные о положении лунным аппаратам. Правда, точность оказалась чуть ниже: ошибка для четырёх смоделированных спутников ELFO составила 2,26 метра от ожидаемой позиции. Наличие хорошо позиционированной лунной инфраструктуры критически важно для запланированных пилотируемых операций на Луне. Подобная система способна и решить проблему на Земле, и обеспечить будущих исследователей точным позиционированием, которое им понадобится на лунной поверхности. Об этом сообщает издание Universe Today.