Е.И. Старовойтов1, А.А. Логунов2, А.В. Николаев3, А.В. Колесников4, Д.В. Федосов5, А.Б. Прошин6

1 АО «НИИМА «Прогресс» (Москва, Россия)

2 ПАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева» (г. Королев, Россия)

3 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (Москва, Россия)

4,5 НПООО «КВ-Связь» (г. Омск, Россия)

6 Московский технический университет связи и информатики (Москва, Россия)

1 estarovoitov@yandex.ru, 2 artlog906@yandex.ru, 3 alarmoren@yandex.ru, 4 kolesnikov.radio@yandex.ru, 5 xferra@mail.ru, 6 alex_p77@mail.ru

Постановка проблемы. Индустриализация Луны требует защиты находящихся там людей и электронной техники от внешних воздействующих факторов космического пространства. Решением является размещение обитаемых баз в лавовых трубках, при этом становятся актуальными задачи подповерхностной навигации, топопривязки, ориентирования космонавтов и космических роботов. В связи с этим представляют интерес технические решения на базе методов индукционной навигации и радионавигации, разработанные для горной промышленности, а также на основе комплексирования данных лазерных локационных систем (ЛЛС) с данными инерциальной навигации и одометрии.

Цель. Обосновать применение ЛЛС и навигационной системы с индукционной связью для определения местоположения космонавтов и техники при их перемещении в лавовых трубках под поверхностью Луны, а также предложить технические требования к этим системам.

Результаты. Продемонстрировано, что навигационные системы с индукционной связью и на основе ЛЛС позволяют создать цифровую модель лавовой трубки, каждый участок которой содержит информацию о местоположении, параметрах движения и углах ориентации мобильного робота. Показан порядок формирования лавовой трубки: 1) производится картирование, определяется сечение и строится 3D-модель лавовой трубки с помощью ЛЛС; 2) после определения геометрических параметров лавовой трубки устанавливается волновод для движения по ней космонавтов и мобильных роботов, использующих индукционную систему навигации в сочетании с инерциальными датчиками и одометром (по этому же волноводу проходит линия связи для обмена информацией с диспетчерским пунктом). Представлены результаты моделирования на ЭВМ характеристик системы навигации с индукционной связью, а также определены требования к ЛЛС на основе 3D Flash Ladar технологии. Выполненные оценки показывают техническую реализуемость предложенной технологии.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют организовать эффективное передвижение космонавта совместно с мобильным роботом в лавовой трубке.

Старовойтов Е.И., Логунов А.А., Николаев А.В., Колесников А.В., Федосов Д.В., Прошин А.Б. Лазерная локация и навигационные системы с индукционной связью для исследования лавовых трубок на Луне // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 3. С. 48−61. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202503-07

1. Луна ‒ шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под ред. В.П. Легостаева, В.А. Лопоты. М. Энергия. 2011. 584 с.
2. Крючков Б.И, Куликов И.Н., Бурдин Б.В. Исследование и использование лавовых туннелей в перспективных лунных миссиях (часть I) // Пилотируемые полеты в космос. 2021. № 4(41). С. 101–116. DOI 10.34131/MSF.21.4.101-116.
3. Крючков Б.И, Куликов И.Н., Бурдин Б.В. Исследование и использование лавовых туннелей в перспективных лунных миссиях. (часть 2) // Пилотируемые полеты в космос. 2022. № 1(42). С. 98–118. DOI 10.34131/MSF.22.1.98-118.
4. Zhao S., Qian Y., Xiao L., Zhao J., He Q., Huang J., Wang J., Chen H., Xu W. Lunar Mare Fecunditatis: A Science-Rich Region and a Concept Mission for Long-Distance Exploration // Remote Sensing. 2022. V. 14. № 5. P. 1062. DOI 10.3390/rs14051062.
5. Greeley R. Lava tubes and channels in the lunar Marius Hills // The Moon. 1971. V. 3. P. 289–314. DOI 10.1007/BF00561842.
6. Cruikshank D.P., Wood C.A. Lunar rilles and Hawaiian volcanic features: Possible analogues // The Moon. 1972. V. 3. P. 412–447. DOI 10.1007/BF00562463.
7. Kaku T., Haruyama J., Miyake W., Kumamoto A., Ishiyama K., Nishibori T., Yamamoto K., Crites S., Michikami T. Yokota Y., Sood R., Melosh J., Chappaz L., Howell K. Detection of intact lava tubes at Marius Hills on the Moon by SELENE (Kaguya) Lunar Radar Sounder // Geophysical Research Letters. 2017. V. 44. № 20. P. 10,155-10,161. DOI 10.1002/2017GL074998.
8. Carrer L., Pozzobon R., Sauro F., Castelletti D., Patterson G.W., Bruzzone L. Radar evidence of an accessible cave conduit on the Moon below the Mare Tranquillitatis pit // Nature Astronomy. 2024. V. 8. № 9. P. 1119–1126. DOI 10.1038/s41550-024-02302-y.
9. Sauro F., Pozzobon R., Massironi M., De Berardinis P., Santagata T., De Waele Jo. Lava tubes on Earth, Moon and Mars: A review on their size and morphology revealed by comparative planetology // Earth-Science Reviews. 2020. V. 209. P. 103288. DOI 10.1016/j.earscirev.2020.103288.
10. Патент на изобретение RUS 2022112599 от 05.05.2022. Способ навигации и измерения расстояний в протяженных объектах / Федосов Д.В.
11. Федосов Д.В., Колесников А.В. Обоснование концепции системы связи диапазона средних волн в подземных квазиодномерных сооружениях // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2023. Т. 26. №3. C. 89–97. DOI 10.18469/1810-3189.2023.26.3.89-97.
12. Николаев А.В., Старовойтов Е.И., Федосов Д.В., Колесников А.В., Филин М.А. Навигация беспилотного транспорта на основе электромагнитной индукции // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 24. № 11. С. 583–589. DOI 10.17587/ mau.24.583-589.
13. Патент на изобретение RUS 2023107633 от 29.03.2023. Способ навигации транспортной и технологической машины по однопроводной линии радиопередачи / Николаев А.В., Старовойтов Е.И., Кондрашов З.К., Скиба Е.С., Амбарян А.А., Бодунов Д.М., Прохоркин Д.А., Колесников А.В., Федосова Н.Б.
14. Патент на изобретение RUS 2090974 от 02.08.1994. Устройство СВЧ-связи в подземных выработках шахт / Кисмерешкин В.П, Лобова Г.Н.
15. Патент на изобретение RUS 2017110995 от 31.03.2017. Способ и система мобильной связи для протяженных объектов / Федосов Д.В.
16. Лутонин А.С., Богданова К.А. Разработка роботизированной платформы для подземного геомониторинга // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 12. С.209–216. DOI 10.24412/2071-6168-2021-12-209-217.
17. Aizat M., Azmin A., Rahiman W. A Survey on Navigation Approaches for Automated Guided Vehicle Robots in Dynamic Surrounding // IEEE Access. 2023. V. 11. P. 33934–33955. DOI 10.1109/ACCESS.2023.3263734.
18. Шевелев И.М., Затонский А.В. Решение задачи одометрического позиционирования горно-выемочной машины под землей посредством применения фильтра Калмана // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2021. Т. 21. № 2. С. 123–135. DOI 10.14529/ctcr210212.
19. Kim K., Im Ju., Jee G. Tunnel Facility-based Vehicle Localization in Highway Tunnel using 3D LIDAR // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2022. V. 23. № 10. P. 17575–17583. DOI 10.1109/TITS.2022.3160235.
20. Грязнов Н.А., Купренюк В.И., Соснов Е.Н. Лазерная информационная система обеспечения сближения и стыковки космических аппаратов // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 5. С.27–33. DOI 10.1364/JOT.82.000286.
21. Hansen R.C. Electrically Small, Superdirective and Superconducting Antennas. Newark. NJ: Wiley. 2006. 182 p.
22. Давыдов А.Г., Пименов Ю.В. Возможности программы ЭДЭМ для разработки устройств антенной техники // Антенны. 2006. № 12(115). С. 54–67.
23. ЭДЭМ. Программа для расчета электромагнитных полей и исследования электродинамических свойств структур из проводящих элементов. Возможности программы для расчета электромагнитных полей. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://edem3d.ru/index.php?action=content&id=2, дата обращения 19.03.2025.
24. Mizuno T., Ikeda H., Nagano T., Baba T., Mita M., Mimasu Y., Hoshino T. Three dimensional Image Sensor with MPPC for Flash LIDAR // Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 2020. V. 63. № 2. P. 42–49. DOI 10.2322/ tjsass.63.42.
25. Joo J.-E., Hu Y., Kim S., Kim H., Park S., Kim J.-H., Kim Y., Park S.-M. An Indoor-Monitoring LiDAR Sensor for Patients with Alzheimer Disease Residing in Long-Term Care Facilities // Sensors. 2022. V. 22. № 20. P. 7934. DOI 10.3390/s22207934.
26. Xia X., Ye M., He J., Hu K., Zhao Y. A novel TDC/ADC hybrid reconstruction ROIC for LiDAR // IEICE Electronics Express. 2019. V. 16. № 3. P. 20181076. DOI 10.1587/elex.16.20181076.