В статье описываются анализ возможностей автономных систем навигации в дальнем космосе, в частности в окрестностях Луны. Особое внимание уделяется SSV-зоне и практическому применению данных навигационных систем в современных миссиях.
Ключевые слова: АСН, спутниковая навигация, космический аппарат,ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, высокочувствительный сигнал, Луна., искусственный интеллект.
Введение
Освоение дальнего космоса и лунного пространства становится одним из приоритетных направлений развития современной космонавтики. Для эффективного управления автоматическими и пилотируемыми космическими аппаратами (КА) за пределами низкой околоземной орбиты (НОО) необходимы высокоточные системы навигации, обеспечивающие определение координат и параметров движения в условиях ограниченного доступа к наземной инфраструктуре. В этой связи особое значение приобретает использование автономных спутниковых навигационных систем (АСН) и концепции Signal-in-Space Visibility (SSV) — зоны, в которой сигналы навигационных спутников доступны для приёма в космосе.
На околоземных орбитах основными источниками навигационных данных являются системы ГЛОНАСС, GPS, Galileo и BeiDou. Однако по мере удаления от Земли, особенно при полётах к Луне, на лунной орбите и за её пределами, качество и устойчивость сигналов резко снижаются. Несмотря на это, исследования последних лет показали, что навигационные сигналы можно использовать и за пределами номинальных зон покрытия. Это стало возможным благодаря приёму боковых лепестков антенн спутников, а также благодаря накоплению опыта эксплуатации КА в высоких орбитах.
Постановка цели и задач
Цель данной работы заключается в анализе возможностей использования АСН в дальнем космосе, в частности, в окрестностях Луны. Особое внимание уделяется SSV-зоне и практическому применению данных навигационных систем в современных миссиях. Для этого были поставлены следующие задачи:
– изучить информацию об автономных спутниковых навигациях;
– проанализировать стратегии и решения для преодоления основных проблем навигации в дальнем космосе;
– описать примеры и миссии использования автономной спутниковой навигации.
Основная часть
В традиционных условиях спутниковой навигации (на орбитах до 20 000 км) приём сигналов осуществляется в пределах основного лепестка диаграммы направленности антенны навигационного спутника. Однако при выходе за пределы геостационарной орбиты (около 35 786 км) и особенно вблизи Луны, основной сигнал становится недоступен. В таких условиях возможно использование Signal-in-Space Visibility (SSV) — зоны, в которой навигационные сигналы могут быть приняты в боковых или задних лепестках диаграммы направленности антенны спутника.
SSV Signal-in-Space Visibility (SSV) — это концепция, разработанная для оценки качества навигационных сигналов, доступных вне основной зоны покрытия спутниковых систем. Она включает в себя три уровня:
– Глобальная SSV — приём сигналов на расстояниях до 36 000 км от Земли.
– Региональная SSV — использование сигналов в определённых зонах, например, на лунной орбите.
– Локальная SSV — приём в пределах одной конкретной миссии (например, около Марса или Луны).
Среди основных проблем навигации в дальнем космосе можно выделить:
– Слабый уровень сигнала (до -170 dBW), что требует сверхчувствительных приёмников и длительной интеграции сигнала.
– Ограниченное количество видимых спутников — в ряде случаев аппарат может принимать сигналы от 1–2 спутников, чего недостаточно для полного решения навигационной задачи.
– Большие ошибки эфемерид при использовании классических наземных моделей для спутников на расстояниях> 50 000 км.
– Асимметрия геометрии спутников, ведущая к ухудшению точности позиционирования.
Для преодоления вышеуказанных трудностей применяются следующие подходы:
– Использование бортовых высокочувствительных GNSS-приёмников с длительной корреляцией (до 100 мс и более).
– Построение априорной модели движения аппарата, которая уточняется по ограниченному количеству сигналов.
– Применение алгоритмов фильтрации (например, Калмана) для оценки состояния КА в условиях ограниченной информации.
– Использование альтернативных источников навигации: радиоинтерферометрия, визуальная одометрия, лазерная альтиметрия.
Практические примеры использования GNSS и навигации в SSV: от MMS до миссий Artemis
Современные космические миссии успешно демонстрируют возможность применения спутниковых навигационных систем вне классической околоземной орбиты, используя концепцию Signal-in-Space Visibility.
– Миссия Magnetospheric Multiscale (MMS)
NASA запустило четыре космических аппарата MMS в 2015 году для изучения магнитосферы Земли. Эти аппараты находятся на высокоэллиптических орбитах, достигающих расстояний до 70 000 км от Земли. Несмотря на то, что это далеко за пределами геостационарной орбиты, аппаратам удалось использовать GPS-сигналы, принимаемые в боковых лепестках антенн навигационных спутников. Это позволило улучшить навигационную точность и обеспечить синхронизацию бортовых систем [1].
– Миссии THEMIS и GOES
Ранее, в 2007–2010 годах, миссии THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) и геостационарные спутники GOES также показали успешный приём GPS-сигналов на расстояниях свыше 30 000 км, что подтвердило работоспособность идеи SSV и дало толчок к разработке специализированных приёмников [2].
– Проект LuGRE и программа Artemis
В рамках программы Artemis NASA и партнеры разрабатывают лунную навигационную инфраструктуру, где особое внимание уделяется проекту Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE) — модулю, который установлен на лунном посадочном аппарате и способен принимать сигналы GPS и Galileo на лунной поверхности и в орбите Луны. Этот проект демонстрирует перспективу расширения спутниковой навигации в дальний космос, обеспечивая локальную автономию космических аппаратов [3].
Параллельно развивается концепция LunaNet — распределённой системы связи и навигации, основанной на множестве малых спутников вокруг Луны, которые будут передавать сигналы, создавая расширенную навигационную сеть. LunaNet призвана стать аналогом земных GNSS для лунного пространства и дальнего космоса, обеспечивая постоянное покрытие и высокую точность [4].
Технические особенности и оборудование для навигации в SSV
Навигация в дальнем космосе и в зоне SSV предъявляет особые требования к аппаратуре и методам обработки сигналов. Рассмотрим ключевые технические аспекты и решения:
– Для приёма слабых навигационных сигналов на больших расстояниях применяются специализированные GNSS-приёмники с улучшенной чувствительностью — до -190 dBW и ниже. Они способны работать с длительной интеграцией сигнала (до сотен миллисекунд) и обрабатывать слабые боковые лепестки сигнала. Примером такого оборудования является приёмник Boeing Navigator и российский Аргус-ГНСС [5].
– Использование многочастотных сигналов (L1, L2, L5 для GPS, Galileo E1, E5) позволяет уменьшить влияние ионосферных и иных помех, повышая точность позиционирования. Дополнительно применяются алгоритмы коррекции ошибок и фильтры Калмана для повышения стабильности результатов.
– В условиях ограниченного количества видимых спутников активно используются модели движения аппарата и прогнозные алгоритмы. Это включает в себя интеграцию данных инерциальных навигационных систем (ИНС) с GNSS-данными для компенсации пропадания сигналов. Фильтр Калмана и его расширенные модификации являются стандартом для оценки состояния КА [6].
Перспективы развития навигации в окрестностях Луны и дальнем космосе
Развитие автономных навигационных систем для миссий в дальнем космосе является приоритетным направлением современных космических программ. В ближайшие десятилетия планируется создание комплексных лунных навигационных сетей, способных обеспечивать стабильное и высокоточное позиционирование.
– Развитие лунных GNSS
Проекты, такие как LunaNet, предусматривают создание малоспутниковых группировок вокруг Луны, которые будут генерировать навигационные сигналы, подобно земным GNSS. Это обеспечит навигацию для лунных баз, посадочных аппаратов и орбитальных станций. Подобные сети позволят не только повысить точность, но и обеспечить резервирование и надёжность систем.
– Межпланетные системы навигации
В долгосрочной перспективе рассматриваются навигационные системы для межпланетных перелётов, основанные на комбинации сигналов GNSS, лазерных маяков и космических маяков с искусственным интеллектом для автономного определения положения КА [7].
– Интеграция с искусственным интеллектом и машинным обучением
Искусственный интеллект и алгоритмы машинного обучения обещают существенно повысить эффективность обработки навигационных данных в сложных условиях, прогнозировать поведение аппаратуры и адаптироваться к меняющейся обстановке в космосе.
Заключение
Навигация по АСН в окрестностях Луны и дальнем космосе является важным и активно развивающимся направлением космической науки и техники. Использование концепции Signal-in-Space Visibility позволило значительно расширить возможности спутниковой навигации за пределами традиционных орбит. Современные миссии, такие как MMS и проекты в рамках программы Artemis, демонстрируют практическую реализацию этих идей и наработки в области технического обеспечения.
Будущее за развитием специализированных навигационных сетей для лунного и межпланетного пространства, а также интеграцией с новыми технологиями обработки данных, что обеспечит надежность, автономность и высокую точность навигации в космосе.
Литература:
1. Данные миссии NASA MMS показали, как частицы в магнитосфере разгоняются до 16 000 км/с // iXBT.com. — 2025. — URL: https://www.ixbt.com/news/2025/04/09/nasa-mms-16–000.html
2. Самый далекий GPS-сигнал: миссия NASA по изучению магнитного поля попала в Книгу рекордов // TechInsider. — 2021. — URL: https://www.techinsider.ru/technologies/286142-samyy-dalekiy-gps-signal-missiya-nasa-po-izucheniyu-magnitnogo-polya-popala-v-knigu-rekordov/
3. Михайлов Н. В. Автономная навигация космических аппаратов с использованием спутниковых радионавигационных систем: автореф. дис. … канд. техн. наук. — М., 2018. — 23 с.
4. Особенности конструкции высокочувствительных GNSS-приёмников // Блог компании NGEOS. — 2021.
5. Жодзишский М. И., Курынин Р. В., Серкин Ф. Б. Чувствительность приёмников ГНСС // Научный вестник МГТУ ГА. — 2017. — № 224. — С. 78–83.
6. Автономные методы навигации космических аппаратов в межпланетном пространстве // Истина МГУ. — URL: https://istina.msu.ru/projects/5663461/
