Как сообщает Вестник ГЛОНАСС, Луна – ближайший к человечеству естественный спутник с ценными ресурсами и перспективой стать важной базовой станцией для выхода человечества в дальний космос. Создание лунной глобальной навигационной спутниковой системы, предоставляющей услуги позиционирования, навигации и синхронизации в реальном времени (PNT) для исследования и освоения Луны, стало насущной темой для учёных.

Многоорбитальная лунная группировка ГНСС с оптимизированной комбинацией орбит DRO (дальней ретроградной орбиты) и гало-орбит предлагается путём объединения преимуществ обоих. Эта многоорбитальная группировка может компенсировать тот факт, что один тип орбиты требует большего количества спутников для полного покрытия Луны, используя меньшее количество спутников для предоставления услуг PNT всей лунной поверхности. Были проведены эксперименты по моделированию, чтобы проверить, отвечают ли многоорбитальные созвездия всем требованиям позиционирования на поверхности Луны, и сравнить эффекты покрытия, позиционирования и затенения четырёх конструкций созвездий, которые прошли тест, и, наконец, получить набор хорошо работающих лунных спутников.

Луна — единственный естественный спутник Земли, где имеется большое количество стратегических ресурсов, таких как редкоземельные элементы, и она также может стать базой для будущих исследований и освоения космоса. В результате стратегической важности Луны страны во всём мире выделили значительные финансовые, материальные и человеческие ресурсы на её исследование и изучение, что привело к увеличению числа миссий по исследованию Луны. Перед лицом растущего числа миссий на Луну НАСА заявило в своём плане исследования Луны о своём намерении создать лунную навигационную систему для обеспечения безопасности и успеха будущих миссий. Однако глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС), которая в настоящее время более успешно используется на Земле, сложнее применить на Луне из-за расстояния Земля-Луна, и необходимо учитывать эффект затенения и мощность сигнала. Следовательно, необходимо расширить услуги ГНСС на Луну и построить лунную систему ГНСС для обеспечения непрерывного и стабильного обслуживания PNT в окололунном пространстве.

В июне 2018 года спутник-ретранслятор миссии Magpie Bridge китайского лунного проекта Chang E-IV вышел на гало-орбиту вокруг Земли-Луны L2 LP, став первым в мире спутником, работающим на гало-орбите L2.

Для запуска спутников на LPO несколько лет назад была предложена концепция создания линии космической связи Земля-Луна. Предлагалось разместить спутники на орбите вблизи точки L2 для вещания и связи с тыльной областью Луны. Позже продемонстрировали возможность орбит около точки L2 с хорошим покрытием для окололунных зондов и создание группировок ретрансляционной связи на LPO. Была разработана общая схема миссии спутниковой связи с точечной ретрансляцией на основе характеристик и технических трудностей миссии спутника с точечной ретрансляцией L2. Предложена конструкция лунной группировки связи с использованием комбинации гало-орбиты и DRO, которая представляет собой пятиспутниковую группировку, состоящую из трёх гало-орбитальных спутников и двух спутников DRO, которая обеспечивает 100% непрерывное покрытие всей поверхности Луны. Однако созвездие связи имеет только однократное покрытие Луны, поэтому его можно использовать только для связи в реальном времени, а не для навигации и позиционирования.

Далее, разными авторами предложена лунная группировка ГНСС, которая состоит из спутников Гало, вращающихся вокруг точек L1 и L2, для предоставления услуг навигации и определения местоположения для лунных зондов. Исследована теория построения лунных созвездий ГНСС. Предложена идея использования гало-орбит с точками L1 и L2 для реализации лунной системы ГНСС. Те же авторы предложили конструкцию созвездия, используя комбинацию южных и северных семейств гало-орбит, но конструкция созвездия имеет плохой охват лунного экватора, а будущие пользователи лунной поверхности не смогут постоянно встречать минимальное количество одновременных спутников наблюдения, необходимое для навигации и позиционирования. Китайский исследователь Лэй Чжан разработал двухспутниковую навигационную систему вокруг точек Лагранжа L1 и L2 в пространстве Земля-Луна и продемонстрировал, что эту систему можно использовать для навигации космических аппаратов Земля-Луна, но её эффекта позиционирования недостаточно для реального исследования Луны. Перейра предложил временную конструкцию лунной группировки ГНСС, но группировка была ограничена орбитальными условиями.

Паскуале идентифицирует набор параметров оптимизации для кеплеровских орбит в задаче двух тел о спутниках Луны, предлагая основу для многокритериальной оптимизации и строит созвездие, которое отвечает потребностям связи и навигации окололунного пространства. Однако он не обсуждает «гибридную» орбиту, состоящую из кеплеровских орбит и LPO, а рассматривает LPO как расширенную часть созвездия кеплеровских орбит. Точно так же Занотти строит лунное созвездие ГНСС, используя многоцелевую оптимизацию для кеплеровских орбит в задаче двух тел Луна-спутник, но не рассматривает «гибридные» орбиты.

Подводя итог этим исследованиям, можно предположить, что все они используют методы оптимизации для решения проблемы проектирования лунных навигационных и коммуникационных созвездий, в основном на основе кеплеровских орбит для формирования навигационных созвездий или с использованием LPO для формирования коммуникационных созвездий, и никаких навигационных созвездий, состоящих из LPO, не было разработано. Это связано с тем, что LPO являются некеплеровскими орбитами, которые не могут использовать число орбитального корня для выражения орбитального состояния спутника, и их единственные приближённые аналитические решения существуют в ограниченной задаче трёх тел. Для решения задачи проектирования лунной навигационной группировки, состоящей из LPO, с помощью алгоритма оптимизации это сложнее, чем кеплеровы орбиты. Поэтому в этом исследовании мы используем характеристики орбиты для поиска по сетке созвездий-кандидатов для определения оптимальной орбиты.

Учёными предлагается многоорбитальная лунная группировка ГНСС для устранения выявленных недостатков. Конструкция созвездия использует преимущества лучшего покрытия лунных полярных областей гало-орбитой и стабильного покрытия лунных экваториальных областей гало-орбитой, а также сочетает гало-орбиту с DRO для выполнения требований к полному покрытию лунных навигационных услуг с использованием меньшего количества спутников.