Низкоорбитальная навигационная система Xona Pulsar
source: Xona Space Systems, Inc.
Успех Starlink проложил дорогу молодым компаниям, претендующим на заполнение низкой околоземной орбиты своими малыми и не очень спутниками. Производить аппараты на конвейере, запускать сотнями и тысячами, разрабатывать и разворачивать группировку за десятки месяцев — всё это «New Space». Теперь HawkEye360 следит за пожарами лесными и людскими, Spire собирает данные о погоде, OneWeb догоняет Маска, SatelliteVU запускает в космос тепловизоры…а Xona Space Systems готовит для нас новую навигационную систему Pulsar!
Лирическое отступление. А стартап по сбору космического мусора Astrosale пока не взлетел.
История Xona началась в 2019 году с участия в кэмпе Space Camp: Mission 3 от инкубатора Seraphim. За прошедшие три года компания привлекла около $10 млн. инвестиций, разрослась до 30 человек, отметилась на ведущих мероприятиях отрасли и получила уважаемых людей из ublox, Lockheed и DoD в совет директоров. На днях Xona объявила, что завершила тестирование своего первого спутника-демонстратора, и его запуск фалконом запланирован на 25 мая.
Идея использования низких орбит не нова. Существующие сейчас ГНСС GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou — всё это системы второго поколения на средних и геосинхронных орбитах, а до них существовали низкоорбитальные группировки Transit, Циклон, Цикада.
Отличие систем XX века от Pulsar в масштабе. Первые спутниковые навигационные системы использовали группировки из менее чем десятка аппаратов. Их буквально приходилось ждать, планируя сеансы навигации. В отличие от них, Xona Pulsar только на первых этапах предполагает группировку из 300 спутников.
Что нам может предложить навигация на низкоорбитальных аппаратах на новом витке своего развития? Она пытается играть на существующих недостатках ГНСС второго поколения.
В GPS и подобных системах второго поколения спутники выступают далёкими маяками, медленно ползущими по небосклону. Расстояние до них порядка 20 000 км, а время пролета от горизонта до горизонта единицы часов. Огромное расстояние до спутника приводит к тому, что сигнал на выходе антенны пользователя слаб, порядка -160 дБВт (10–16 Вт). Он легко может быть подавлен помехами. Простая глушилка с аллиэкспреса с мощностью излучения в 500 мВт может выключить прием сигналов в радиусе до километра.
Опуская спутник со средней орбиты на низкую мы существенно приближаем его к потребителю. Мощность увеличивается как квадрат расстояния, и на этом мы можем выиграть около 26 дБ (в четыреста раз по мощности). При этом мы немного проиграем на изменении ширины диаграммы направленности антенны. Или, наоборот, выиграем, если запустить ещё больше спутников и уменьшить зону обслуживания каждого. Итоговый выигрыш от перехода на среднюю орбиту оценивается примерно в 20 дБ (в сто раз по мощности на стороне пользователя).
Но низкоорбитальные спутники, чтобы они оставались массовыми, должны быть простыми. Спутники GPS или ГЛОНАСС простыми не назовешь — это аппараты с массой более тонны и несколькими кВт мощности. К счастью для Pulsar’а, на этих спутниках есть что упрощать. Спутники GPS как швейцарский нож: излучение сигналов во множестве диапазонов, обслуживание системы КОСПАС-САРСАТ, датчики судного дня и т.д. В спутнике от Xona оставят два сигнала, обеспечив каждый из них уровнем около 20 Вт на выходе передающей антенны — сопоставимо с мощностью одного сигнала, подводимого к антенне спутника GPS.
Увеличение уровня сигнала на 20 дБ существенно повышает устойчивость приема к помехам. Радиус работы указанного выше постановщика помех сокращается с многих сотен метров до 10–20. В некоторых случаях уровня сигнала может хватить даже для работы внутри помещений. А для защиты от спуфинга сигнал предлагают шифровать.
Чтобы сэкономить на потреблении и стоимости аппаратов, предлагается отказаться от рубидиевых (около 35 Вт) и водородных стандартов частоты (около 70 Вт) на борту спутника. Их заменят термостатированным генератором (OCXO) или компактным атомным стандартом (CSAC). А чтобы обеспечить долговременную стабильность стандартов, их будут подстраивать от навигационных сигналов ГНСС второго поколения!
Раз уж синхронизируемся по ГНСС, то и траекторию движения новых спутников можно тоже определять с помощью фазовых измерений сигналов GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Beidou. Это минимизирует вложения в наземный комплекс управления и упрощает всю систему.
Таким образом, на качественном уровне Xona Pulsar можно рассматривать как ретранслятор информации от GPS. Цифровое зеркало, которое находится вне зоны поражения постановщиков помех, принимает навигационные сигналы GPS, формирует на их основе свои, шифрует и перенаправляет на землю.
Перейдем от помехоустойчивости к точности. В существующих ГНСС точность позиционирования ограничивается не уровнем принимаемого сигнала, а многолучевостью, ошибками эфемеридно-временного обеспечения и подобными факторами. Поэтому увеличение уровня сигнала в Pulsar’е не дает значительного улучшения точности.
Чтобы в городских условиях существенно улучшить точность позиционирования для большинства потребителей — автомобилей, пешеходов, дронов — предлагается использовать более широкополосные сигналы и упростить использование режима PPP (precise point positioning). В существующих системах PPP уже дает точность около 10 см, но сходится относительно долго — минуты и единицы минут, т.к. спутниковое созвездие GPS и т.п. систем изменяется медленно. При использовании же низкоорбитальных спутников их типичное время пролета от горизонта до горизонта менее или чуть более 10 минут. Условия приема изменяются очень быстро. Разработчики системы нацелены на сходимость PPP по сигналам Pulsar на уровне единиц секунд при использовании оперативных данных об атмосфере.
Но где взять оперативные данные об атмосфере? Из системы Pulsar, принимая сигнал одного спутника другим спутником. Зная положения спутников можно сравнить задержку сигнала с расчетной и оценить уровень электронов в ионосфере и прочие параметры.
И, наконец, о стоимости. Утверждается, что Starlink неплохо разогрел индустрию, появились предложения для тех или иных подсистем спутников по демократичным ценам. В таких условиях и при массовом производстве целевой показатель стоимости аппарата — $1 млн за спутник Pulsar против $345 млн за один спутник GPS Block III. И это не говоря об экономии на наземном сегменте.
С нетерпением жду запуска спутника и выпуска интерфейсного контрольного документа с описанием структуры сигнала, чтобы его принять и оценить, смогли ли разработчики приблизиться к заявленному.
Ссылки:
