Sistema de navegación por satélite lunar

tl;dr: Comience con una constelación GNSS terrestre en una órbita lunar media, pero agregue más satélites en órbitas polares para asegurarse de que todavía puede obtener una buena solución sentado en el fondo de un cráter en uno de los polos.

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Las naves espaciales principales para todos los sistemas GNSS de la Tierra están en órbita terrestre media (MEO) y esto permite que suficientes miembros de una constelación relativamente pequeña sean visibles y muy por encima del horizonte en cualquier momento para la mayoría de los lugares de la Tierra, y que puedan moverse con bastante lentitud a través del cielo.

La Luna no tiene atmósfera, por lo que no hay problema con el agua variable a lo largo de los caminos y las perturbaciones ionosféricas que distorsionan los tiempos de la señal de diferentes satélites, pero todavía hay cráteres que bloquean el horizonte que la gente conducirá entre y hacia abajo, así que creo que el modelo terrestre Las constelaciones GNSS son viables, aunque es posible que necesite algunas más y las coloque en órbitas polares.

La respuesta a ¿Qué (realmente) hace que Iridium sea "la única compañía de comunicaciones satelitales móviles verdaderamente global del mundo"? es que están en órbitas polares, no 55° y 56° como el GNSS terrestre. La respuesta a ¿Por qué las órbitas en la constelación de Iridium tienen una inclinación de 86,4°? es que cualquier otra cosa que no sea 90 ° se usa para evitar colisiones, y 86,4 ° se usa específicamente para hacer que los pases ecuatoriales sean paralelos al meridiano (haciendo coincidir la velocidad de rotación de la Tierra en el cruce).

• órbita polar lunar

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¿Hay alguna forma de establecer un sistema de posicionamiento por satélite lunar que pueda estar operativo durante décadas? ¿Necesitarían los satélites llevar combustible adicional para ajustar y "reestabilizar" periódicamente sus órbitas?

¡Sí! y ¡Sí!

• ¿Los satélites GPS operativos alguna vez realizan maniobras orbitales para mantenerse en posición?
• ¿Por qué los satélites GPS tienen una excentricidad creciente con el tiempo?

En MEO, los satélites GNSS realmente necesitan muy poco mantenimiento de la posición. La aglomeración de orden superior del campo gravitatorio de la Tierra es muy débil, las perturbaciones aún provienen de la gravedad del Sol y la Luna y de la presión solar. La respuesta allí es que el mantenimiento de la estación es ocasional, tal vez anual, solo para mantenerlos espaciados en un patrón agradable, uniformemente espaciado y fácilmente predecible para los receptores antiguos y heredados. Se podría diseñar un sistema GNSS moderno (para la Tierra o la Luna) teniendo en cuenta receptores más inteligentes y de mayor calidad.

Los mascones lunares de gas lunar que son extremadamente grumosos en su campo gravitatorio en comparación con el de la Tierra, pero estos son fenómenos bastante localizados cerca de la superficie lunar y, por lo tanto, se reflejan en términos de orden muy alto en los armónicos espaciales del campo de salsa lunar. En otras palabras, no serían un problema en una órbita lunar media lejos de la superficie.

Ahora, el tamaño y la frecuencia de las maniobras de mantenimiento de la posición podrían ser mayores. Si la Luna es un efecto pequeño en una órbita media terrestre, entonces la Tierra tendrá un efecto 81 veces menor en una órbita media lunar.

Esta perturbación podría ser tan predecible, efímera y distribuible entre los satélites que no resulta ser un gran problema.

Y dado que los satélites de propulsión totalmente eléctricos se están convirtiendo cada vez más en la forma estándar de hacer satélites de comunicaciones desde Starlink en LEO hasta grandes satélites comerciales y gubernamentales en GEO, creo que el mayor delta-v de mantenimiento de la estación por año en la órbita media lunar no será un desafío para una constelación de satélites moderna.

• ¿Los (relativamente) nuevos autobuses satelitales "totalmente eléctricos" como el Boeing 702SP son realmente totalmente eléctricos? ¿La RCS y la descarga de impulso se realizan con iones?

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De Los límites de la navegación por satélite: los desafíos del GPS en el Ártico de All About Circuits

Figura 1. Skyplots de la constelación de satélites GPS para Copenhague a 56° N (izquierda) y para Longyearbyen a 78° N (derecha). Gráficos generados con el software Leica Geo Office.