Un regard sur les étoiles : navigation avec Multi

Sep 22, 2023

Les résultats expérimentaux et de simulation des constellations de satellites Starlink, OneWeb, Orbcomm et Iridium LEO sont présentés, démontrant l'efficacité et l'énorme promesse des cadres de navigation opportunistes aveugles agnostiques LEO proposés.

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

LABORATOIRE DE PERCEPTION, D'INTELLIGENCE ET DE NAVIGATION DES SYSTÈMES AUTONOMES (ASPIN), L'UNIVERSITÉ D'ÉTAT DE L'OHIO, COLUMBUS, OHIO

Nous assistons à une nouvelle course à l’espace. Des géants de la technologie aux startups en passant par les gouvernements, tout le monde revendique son intérêt dans le lancement de sa propre constellation de satellites en orbite terrestre basse (LEO). Ces constellations promettent de transformer notre vie quotidienne, en offrant une connectivité haut débit partout sur Terre, et bénéficieront à la recherche scientifique dans des domaines tels que la télédétection. Cependant, toutes ces constellations ne sont pas égales. Les soi-disant mégaconstellations comprenant des dizaines de milliers de satellites sont en passe de devenir une réalité. Starlink de SpaceX est clairement le favori, avec un plan ambitieux de déploiement de près de 12 000 satellites LEO. Ces constellations seront accueillies favorablement par les constellations actuelles habitant LEO et, collectivement, elles pourraient inaugurer une nouvelle ère pour le positionnement, la navigation et le timing (PNT).

Cet article présente les résultats PNT de pointe actuels avec les signaux d'opportunité (SOP) des satellites LEO multi-constellations provenant de quatre constellations de satellites LEO (Starlink, OneWeb, Orbcomm et Iridium) et donne un aperçu d'une navigation opportuniste indépendante de LEO. récepteur, qui ne suppose aucune connaissance préalable des signaux de liaison descendante LEO. Le récepteur est capable d'acquérir et de suivre les signaux satellites LEO inconnus de manière aveugle, produisant des observables de navigation Doppler avec une précision au niveau Hz. Un cadre de suivi et de navigation différentiels simultanés (DSTAN) est développé pour traiter la nature mal connue des éphémérides des satellites LEO et des erreurs d'horloge inconnues.

Des résultats expérimentaux de navigation sur un récepteur stationnaire et un véhicule terrestre sont également présentés. Pour le récepteur stationnaire, en commençant par une estimation initiale à environ 3 600 km, en exploitant les signaux de 4 Starlink, 2 OneWeb, 1 Orbcomm et 1 Iridium, une erreur de position 2D finale de 5,1 m a été obtenue. Le véhicule terrestre, équipé d'une centrale inertielle (IMU) de qualité industrielle et d'un altimètre, a parcouru 1,03 km en 110 secondes (les signaux GNSS n'étaient disponibles que pour les premiers 0,11 km). En exploitant les signaux de 4 Starlink, 1 OneWeb, 2 Orbcomm et 1 Iridium, l'erreur quadratique moyenne de position 3D (RMSE) et l'erreur 3D finale de DSTAN étaient respectivement de 9,5 m et 4,4 m. Ces résultats représentent la première exploitation de signaux satellites OneWeb LEO inconnus à des fins PNT et le premier PNT LEO multi-constellation avec les satellites Starlink, OneWeb, Orbcomm et Iridium.

L'article se termine en présentant des résultats de simulation servant d'avant-garde pour l'avenir lorsque les constellations Starlink et OneWeb seront déployées. DSTAN pourrait atteindre une précision de niveau décimétrique et métrique avec des mesures de pseudo-distance et Doppler, respectivement, sur une trajectoire de 23 km sans GNSS.

Des méga-constellations de satellites LEO voient le jour (par exemple Starlink, OneWeb et Kuiper), rejoignant les constellations LEO existantes (par exemple Orbcomm, Globalstar, Iridium, entre autres) [1]. Ces satellites inonderont la Terre d'une pléthore de signaux, de fréquence et de direction diverses, qui pourraient être utilisés pour le PNT de manière dédiée ou de manière opportuniste.Figure 1représente les quatre constellations de satellites LEO considérées dans cet article.

Pour compenser les limites du GNSS, les chercheurs ont étudié l'exploitation des SOP terrestres pour le PNT au cours de la dernière décennie [2]. L’exploitation des SOP n’est pas restée terrestre, car les satellites LEO ont récemment reçu une attention considérable en tant que SOP potentielles. Plusieurs études théoriques et expérimentales ont été menées sur le PNT basé sur LEO [3-5].