NASA-ingeniører analyserer navigationsbehovene for Artemis-månemissioner

Rumkommunikations- og navigationsingeniører hos NASA evaluerer navigationsbehovene for Artemis-programmet, herunder at identificere de præcisionsnavigationskapaciteter, der er nødvendige for at etablere den første vedvarende tilstedeværelse på månens overflade.

"Artemis engagerer os til at anvende kreative navigationsløsninger, at vælge den rigtige kombination af kapaciteter til hver mission, " sagde Cheryl Gramling, associeret chef for teknologi i Mission Engineering and Systems Analysis Division på Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "NASA har et væld af navigationsværktøjer til sin rådighed, og Goddard har et halvt århundredes erfaring med at navigere rumudforskningsmissioner i månens kredsløb."

Ud over dokumenterede navigationsevner, NASA vil bruge innovative navigationsteknologier under de kommende Artemis-missioner.

"Månemissioner giver mulighed for at teste og forfine nye rumnavigationsteknikker, " sagde Ben Ashman, en navigationsingeniør hos Goddard. "Månen er et fascinerende sted at udforske og kan tjene som en prøveplads, der udvider vores navigationsværktøj til fjernere destinationer som Mars."

Ultimativt, udforskningsmissioner har brug for en robust kombination af kapaciteter for at give tilgængelighed, modstandsdygtighed, og integritet, der kræves af et in-situ navigationssystem. Nogle af de navigationsteknikker, der analyseres for Artemis, inkluderer:

Radiometri, Optimetrics og Laser Altimetry

Radiometri, optimetrik, og laserhøjdemåling måler afstande og hastighed ved hjælp af egenskaberne ved elektromagnetiske transmissioner. Ingeniører måler den tid, det tager for en transmission at nå et rumfartøj og dividerer med transmissionens bevægelseshastighed - lysets hastighed.

Disse nøjagtige målinger har været grundlaget for rumnavigation siden opsendelsen af ​​den første satellit, giver en nøjagtig og pålidelig måling af afstanden mellem senderen og rumfartøjets modtager. Samtidigt, hastigheden af ​​ændringen i rumfartøjets hastighed mellem senderen og rumfartøjet kan observeres på grund af Doppler-effekten.

Radiometri og optimetrik måler afstandene og hastigheden mellem et rumfartøj og jordantenner eller andre rumfartøjer ved hjælp af deres radioforbindelser og infrarøde optiske kommunikationsforbindelser, henholdsvis. Inden for laserhøjdemåling og rumlaserafstandsmåling, et rumfartøj eller et jordteleskop reflekterer lasere fra overfladen af ​​et himmellegeme eller en specielt udpeget reflektor til at bedømme afstande.

Optisk navigation

Optiske navigationsteknikker er afhængige af billeder fra kameraer på et rumfartøj. Der er tre hovedgrene af optisk navigation.

• Stjernebaseret optisk navigation bruger lyse himmellegemer såsom stjerner, måner, og planeter til navigation. Instrumenter bruger disse objekter til at bestemme et rumfartøjs orientering og kan definere deres afstand fra objekterne ved hjælp af vinklerne mellem dem.
• Når et rumfartøj nærmer sig et himmellegeme, objektet begynder at fylde kameraets synsfelt. Navigationsingeniører udleder derefter et rumskibs afstand fra kroppen ved hjælp af dets lem – den tilsyneladende kant af kroppen – og tyngdepunkt, eller geometrisk centrum.
• Ved et rumfartøjs nærmeste tilgang, terræn relativ navigation bruger kamerabilleder og computerbehandling til at identificere kendte overfladetræk og beregne et rumfartøjs kurs baseret på placeringen af ​​disse funktioner i referencemodeller eller billeder.

Svagt signal GPS og GNSS

NASA er ved at udvikle kapaciteter, der vil gøre det muligt for missioner på månen at udnytte signaler fra Global Navigation Satellite System (GNSS) konstellationer som den amerikanske GPS. Disse signaler - der allerede bruges på mange rumfartøjer, der kredser om jorden - vil forbedre timingen, forbedre positioneringsnøjagtigheden, og assistere autonome navigationssystemer i cislunar- og månerummet.

I 2023, Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE), udviklet i samarbejde med den italienske rumfartsorganisation, vil demonstrere og forfine denne evne på månens Mare Crisium-bassin. LuGRE vil flyve på en Commercial Lunar Payload Services-mission leveret af Firefly Aerospace fra Cedar Park, Texas. NASA vil bruge data indsamlet fra LuGRE til at forfine operationelle måne-GNSS-systemer til fremtidige missioner.

Autonom Navigation

Autonom navigationssoftware udnytter målinger som radiometri, himmel navigation, højdemåling, terræn-relativ navigation, og GNSS til at udføre navigation ombord uden kontakt med operatører eller aktiver på Jorden, gør det muligt for rumfartøjer at manøvrere uafhængigt af jordbaserede missionskontrollører. This level of autonomy enables responsiveness to the dynamic space environment.

Autonomous navigation can be particularly useful for deep space exploration, where the communications delay can hamper in-situ navigation. For eksempel, missions at Mars must wait eight to 48 minutes for round trip communications with Earth depending on orbital dynamics. During critical maneuvers, spacecraft need the immediate decision-making that autonomous software can provide.

LunaNet Navigation Services

LunaNet is a unique communications and navigation architecture developed by NASA's Space Communications and Navigation (SCaN) program. LunaNet's common standards, protokoller, and interface requirements will extend internetworking to the moon, offering unprecedented flexibility and access to data.

For navigation, the LunaNet approach offers operational independence and increased precision by combining many of the methods above into a seamless architecture. LunaNet will provide missions with access to key measurements for precision navigation in lunar space.