Galileo vil hjælpe Lunar Pathfinder med at navigere rundt på månen

ESA's Lunar Pathfinder-mission til månen vil bære en avanceret satellitnavigationsmodtager, for at udføre den første satnav-positioneringsfix nogensinde i månens kredsløb. Denne eksperimentelle nyttelast markerer et foreløbigt skridt i en ambitiøs ESA-plan for at udvide pålidelig satellitnavigationsdækning – såvel som kommunikationsforbindelser – til opdagelsesrejsende omkring og i sidste ende på månen i løbet af dette årti.

Skal opsendes i kredsløb om månen inden udgangen af ​​2023, den offentlig-private Lunar Pathfinder comsat vil tilbyde kommercielle data-relætjenester til månemissioner – samtidig med at de operationelle grænser for satellitnavigationssignaler strækkes.

Navigationssatellitter som Europas Galileo-konstellation er beregnet til at levere positionering, navigation og timing tjenester til vores planet, så det meste af energien fra deres navigationsantenner stråler direkte mod jordskiven, blokerer dets brug for brugere længere væk i rummet.

"Men dette er ikke hele historien, " forklarer Javier Ventura-Traveset, at lede ESA's Galileo Navigation Science Office og koordinere ESA's månenavigationsaktiviteter. "Navigationssignalmønstre udstråler også sidelæns, som lys fra en lommelygte, og tidligere test viser, at disse antennes "sidelapper" kan bruges til positionering, forudsat at passende modtagere er implementeret."

Ligesom mennesker eller biler på jorden, satellitter i lav kredsløb om Jorden er stærkt afhængige af satellitnavigationssignaler for at bestemme deres baneposition, og da ESA viste, at positionering i højere kredsløb var mulig, et stigende antal satellitter i geostationær kredsløb anvender i dag satnav-modtagere.

Men geostationær bane er 35 786 km oppe, mens månen er mere end ti gange længere væk, i en gennemsnitlig afstand på 384 000 km. I 2019 dog NASA's Magnetospheric Multiscale Mission erhvervede GPS-signaler for at udføre en fix og bestemme dens kredsløb fra 187 166 km væk, tæt på halvvejs Jord-måne afstanden.

Javier tilføjer:"Dette vellykkede eksperimentelle bevis giver os høj tillid, da den modtager, vi vil gå ombord på Lunar Pathfinder, vil have en væsentligt forbedret følsomhed, anvender både Galileo- og GPS-signaler og vil også have en satnav-antenne med høj forstærkning."

Denne højfølsomme modtagers hovedantenne er udviklet gennem ESA's General Support Technology Program, med modtagerens hovedenhed udviklet gennem ESA's Navigation Innovation and Support Program, NAVISP.

Modtagerprojektet ledes af ESA navigationsingeniør Pietro Giordano:"Den højfølsomme modtager vil være i stand til at detektere meget svage signaler, millioner af gange svagere end dem, der blev modtaget på Jorden. Brugen af ​​avancerede indbyggede orbitalfiltre vil gøre det muligt at opnå hidtil uset kredsløbsbestemmelsesnøjagtighed på autonom basis."

Lunar Pathfinders modtager forventes at opnå en positioneringsnøjagtighed på omkring 100 m - mere nøjagtig end traditionel jordsporing.

Tilgængeligheden af ​​satellitnavigation vil tillade udførelsen af ​​'Precise Orbit Determination' for månesatellitter, bemærker Werner Enderle, Chef for ESA's Navigation Support Office:"Traditionel kredsløbsbestemmelse for satellitter, der kredser om månen, udføres ved hjælp af radioafstand, ved hjælp af deep space jordstationer. Denne Lunar Pathfinder-demonstration vil være en stor milepæl inden for månenavigation, ændre hele tilgangen. Det vil ikke kun øge rumfartøjets autonomi og skærpe nøjagtigheden af ​​resultaterne, det vil også være med til at reducere driftsomkostningerne."

Mens månens kredsløb ofte er ustabile, med lavt kredsende satellitter trukket ud af kurs af de klumpede massekoncentrationer eller 'mascons', der udgør månen, Lunar Pathfinder er planlagt til at vedtage en meget stabil 'frossen' elliptisk bane, fokuseret på månens sydpol - et førende mål for fremtidige ekspeditioner.

Jorden – og dens satellitnavigationskonstellationer – bør forblive i lyset af Lunar Pathfinder i størstedelen af ​​testene. Hovedudfordringen vil være at overvinde den begrænsede geometri af satnav-signaler, der alle kommer fra den samme del af himlen, sammen med den lave signalstyrke.

Lunar Pathfinders demonstration af, at terrestriske satellitnavigationssignaler kan bruges til at navigere i månens kredsløb, vil være et vigtigt tidligt skridt i ESA's måneskinsinitiativ. Støttet af tre ESA-direktorater, moonlight vil fortsætte med at etablere en Lunar Communication and Navigation Service.

"I løbet af det kommende årti, ESA sigter mod at bidrage til at opbygge en fælles kommunikations- og navigationsinfrastruktur for alle månemissioner baseret på dedikerede månesatellitter, " forklarer Bernhard Hufenbach, styring af kommercialiserings- og innovationsinitiativer til rumudforskning hos ESA.

"måneskin vil gøre det muligt at støtte missioner, der ikke kan bruge jordens satellitnavigationssignaler, landere på den anden side og planlægger at dække den nuværende kløft i forhold til de behov, der er udtrykt af Global Exploration-samfundet, målrettet positioneringsnøjagtighed under 50 meter."

Udover at lette måneudforskning, disse satnav-signaler kan en dag blive et værktøj for videnskaben i sig selv, Brugt, for eksempel, at udføre reflektometri på tværs af månens overflade; at lyde den sparsomme støvede 'eksosfære', der omgiver månen, eller ved at give et fælles tidsreferencesignal på tværs af månen, skal bruges til fundamental fysik eller astronomieksperimenter.

Så ud over at markere en førsteplads i satellitnavigationshistorien, Javier bemærker, at Lunar Pathfinders satnav-eksperiment vil have større konsekvenser:"Dette vil blive den første nogensinde demonstration af GPS og Galileo-modtagelse i månens kredsløb, åbner døren til en komplet måde at navigere rumfartøjer i det dybe rum, muliggør menneskelig udforskning af månen."