Uma olhada nas estrelas: navegação com Multi

Sep 22, 2023

Resultados experimentais e de simulação das constelações de satélites Starlink, OneWeb, Orbcomm e Iridium LEO são apresentados, demonstrando a eficácia e a tremenda promessa das estruturas de navegação oportunistas cegas agnósticas de LEO propostas.

ZAHER (ZAK) M. KASSAS, SHARBEL KOZHAYA, JOE SAROUFIM, HAITHAM KANJ, SAMER HAYEK

LABORATÓRIO DE PERCEPÇÃO, INTELIGÊNCIA E NAVEGAÇÃO DE SISTEMAS AUTÔNOMOS (ASPIN), THE OHIO STATE UNIVERSITY, COLUMBUS, OHIO

Estamos testemunhando uma renovada corrida espacial. Dos gigantes da tecnologia às startups e aos governos, todos reivindicam uma participação no lançamento da sua própria constelação de satélites de órbita baixa da Terra (LEO). Estas constelações prometem transformar a nossa vida quotidiana, oferecendo conectividade de banda larga em qualquer parte da Terra, e beneficiarão a investigação científica em áreas como a deteção remota. No entanto, nem todas essas constelações são criadas iguais. As chamadas megaconstelações, compostas por dezenas de milhares de satélites, estão a caminho de se tornarem realidade. O Starlink da SpaceX é o pioneiro, com o ambicioso plano de implantar quase 12.000 satélites LEO. Estas constelações serão bem recebidas pelas atuais constelações que habitam LEO e, coletivamente, poderão inaugurar uma nova era de posicionamento, navegação e cronometragem (PNT).

Este artigo apresenta resultados PNT de última geração com sinais de oportunidade (SOPs) de satélite LEO multiconstelação de quatro constelações de satélites LEO (Starlink, OneWeb, Orbcomm e Iridium) e fornece uma visão geral de uma navegação oportunista agnóstica LEO receptor, que não pressupõe nenhum conhecimento prévio dos sinais de downlink LEO. O receptor é capaz de adquirir e rastrear sinais desconhecidos de satélite LEO de forma cega, produzindo observáveis ​​​​de navegação Doppler com precisão de nível Hz. Uma estrutura de rastreamento e navegação simultânea diferencial (DSTAN) é desenvolvida para lidar com a natureza pouco conhecida das efemérides dos satélites LEO e erros de relógio desconhecidos.

Resultados experimentais de navegação em um receptor estacionário e em um veículo terrestre também são apresentados. Para o receptor estacionário, começando com uma estimativa inicial a cerca de 3.600 km de distância, explorando sinais de 4 Starlink, 2 OneWeb, 1 Orbcomm e 1 Iridium, foi alcançado um erro de posição 2D final de 5,1 m. O veículo terrestre, equipado com uma unidade de medição inercial (IMU) de nível industrial e um altímetro, percorreu 1,03 km em 110 segundos (os sinais GNSS estavam disponíveis apenas nos primeiros 0,11 km). Ao explorar sinais de 4 Starlink, 1 OneWeb, 2 Orbcomm e 1 Iridium, o erro quadrático médio da posição 3D (RMSE) e o erro 3D final do DSTAN foram de 9,5 me 4,4 m, respectivamente. Estes resultados representam a primeira exploração de sinais desconhecidos do satélite OneWeb LEO para fins PNT e o primeiro LEO PNT multiconstelação com satélites Starlink, OneWeb, Orbcomm e Iridium.

O artigo conclui apresentando resultados de simulação que servem como um pico para o futuro quando as constelações Starlink e OneWeb forem implantadas. O DSTAN poderia alcançar precisão em nível decimétrico e em nível de medidor com medições de pseudoalcance e Doppler, respectivamente, ao longo de uma trajetória de 23 km sem GNSS.

Estão nascendo megaconstelações de satélites LEO (por exemplo, Starlink, OneWeb e Kuiper), juntando-se às constelações LEO existentes (por exemplo, Orbcomm, Globalstar, Iridium, entre outros) [1]. Esses satélites irão inundar a Terra com uma infinidade de sinais, diversos em frequência e direção, que poderiam ser usados ​​para PNT de forma dedicada ou oportunista.figura 1retrata as quatro constelações de satélites LEO consideradas neste artigo.

Para compensar as limitações do GNSS, pesquisadores estudaram a exploração de SOPs terrestres para PNT na última década [2]. A exploração dos SOPs não permaneceu na Terra, já que os satélites LEO receberam atenção considerável recentemente como potenciais SOPs. Vários estudos teóricos e experimentais foram conduzidos em PNT baseado em LEO [3-5].