ESA's Lunar Pathfinder-missie naar de maan zal een geavanceerde satellietnavigatieontvanger dragen, om de allereerste positioneringsfix van het satellietnavigatiesysteem in een baan om de maan uit te voeren. Deze experimentele lading markeert een eerste stap in een ambitieus ESA-plan om de betrouwbare satellietnavigatie - en communicatieverbindingen - uit te breiden naar ontdekkingsreizigers rond en uiteindelijk op de maan gedurende dit decennium.

Gepland voor lancering tegen het einde van 2023 in een baan om de maan, de publiek-private Lunar Pathfinder-comsat zal commerciële datarelay-diensten aanbieden aan maanmissies, terwijl ook de operationele limieten van satnav-signalen worden opgerekt.

Navigatiesatellieten zoals de Europese Galileo-constellatie zijn bedoeld om plaatsbepaling, navigatie- en timingdiensten naar onze planeet, dus de meeste energie van hun navigatieantennes straalt direct naar de aardeschijf, het gebruik ervan blokkeren voor gebruikers verder weg in de ruimte.

"Maar dit is niet het hele verhaal, " legt Javier Ventura-Traveset uit, het leiden van ESA's Galileo Navigation Science Office en het coördineren van ESA-maannavigatie-activiteiten. "Navigatiesignaalpatronen stralen ook zijwaarts uit, als licht van een zaklamp, en eerdere testen tonen aan dat deze antenne 'zijlobben' kunnen worden gebruikt voor positionering, mits adequate ontvangers worden geïmplementeerd."

Net als mensen of auto's op de grond, satellieten in een lage baan om de aarde zijn sterk afhankelijk van navigatiesignalen om hun baanpositie te bepalen, en aangezien ESA bewees dat positionering in een hogere baan mogelijk was, een groeiend aantal satellieten in een geostationaire baan gebruiken tegenwoordig satellietontvangers.

Maar de geostationaire baan is 35 786 km hoger, terwijl de maan meer dan tien keer verder weg is, op een gemiddelde afstand van 384 000 km. Anno 2019 echter NASA's Magnetospheric Multiscale Mission verwierf GPS-signalen om een ​​fix uit te voeren en zijn baan te bepalen vanaf 187 166 km afstand, bijna halverwege de afstand aarde-maan.

Javier voegt toe:"Dit succesvolle experimentele bewijs geeft ons veel vertrouwen, aangezien de ontvanger waarmee we aan boord gaan Lunar Pathfinder een aanzienlijk verbeterde gevoeligheid zal hebben, gebruiken zowel Galileo- als GPS-signalen en zullen ook beschikken over een high-gain satnav-antenne."

De hoofdantenne van deze zeer gevoelige ontvanger is ontwikkeld door ESA's General Support Technology Programme, met de hoofdeenheid van de ontvanger die is ontwikkeld via ESA's navigatie-innovatie- en ondersteuningsprogramma, NAVISP.

Het ontvangerproject wordt geleid door ESA-navigatie-ingenieur Pietro Giordano:"De zeer gevoelige ontvanger zal zeer zwakke signalen kunnen detecteren, miljoenen keren zwakker dan die op aarde werden ontvangen. Het gebruik van geavanceerde orbitaalfilters aan boord zal het mogelijk maken om op autonome basis een ongekende nauwkeurigheid van de baanbepaling te bereiken."

De ontvanger van Lunar Pathfinder zal naar verwachting een positioneringsnauwkeurigheid van ongeveer 100 m bereiken - nauwkeuriger dan traditionele grondtracking.

De beschikbaarheid van satnav zal de uitvoering van 'Precise Orbit Determination' voor maansatellieten mogelijk maken, merkt Werner Enderle op, Hoofd van ESA's Navigation Support Office:"Traditionele baanbepaling voor satellieten in een baan om de maan wordt uitgevoerd door met behulp van deep space grondstations. Deze Lunar Pathfinder-demonstratie zal een belangrijke mijlpaal zijn in maannavigatie, de hele aanpak veranderen. Het zal niet alleen de autonomie van ruimtevaartuigen vergroten en de nauwkeurigheid van resultaten aanscherpen, het zal ook helpen om de operationele kosten te verlagen."

Hoewel de banen van de maan vaak onstabiel zijn, met satellieten in een lage baan die uit koers worden getrokken door de klonterige massaconcentraties of 'mascons' waaruit de maan bestaat, Lunar Pathfinder is gepland om een ​​zeer stabiele 'bevroren' elliptische baan aan te nemen, gericht op de zuidpool van de maan - een belangrijk doelwit voor toekomstige expedities.

De aarde - en zijn satellietnavigatieconstellaties - moeten voor het grootste deel van de tests in het zicht van Lunar Pathfinder blijven. De grootste uitdaging zal het overwinnen van de beperkte geometrie zijn van satellietnavigatiesignalen die allemaal uit hetzelfde deel van de lucht komen, samen met het lage signaalvermogen.

De demonstratie van Lunar Pathfinder dat aardse satellietnavigatiesignalen kunnen worden gebruikt om in banen om de maan te navigeren, zal een belangrijke eerste stap zijn in het maanlichtinitiatief van ESA. Ondersteund door drie ESA-directoraten, moonlight zal doorgaan met het opzetten van een Lunar Communicatie- en Navigatiedienst.

"Het komende decennium ESA wil bijdragen aan de opbouw van een gemeenschappelijke communicatie- en navigatie-infrastructuur voor alle maanmissies op basis van speciale maansatellieten, " legt Bernhard Hufenbach uit, het managen van commercialiserings- en innovatie-initiatieven voor ruimteverkenning bij ESA.

"maanlicht zal het mogelijk maken om missies te ondersteunen die geen aardse satnav-signalen kunnen gebruiken, zoals landers aan de andere kant en is van plan de huidige kloof met de behoeften van de Global Exploration-gemeenschap te dichten, targeting positioneringsnauwkeurigheid onder de 50 meter."

Naast het vergemakkelijken van verkenning van de maan, deze satnav-signalen kunnen op een dag een op zichzelf staand hulpmiddel voor de wetenschap worden, gebruikt, bijvoorbeeld, reflectometrie over het maanoppervlak uit te voeren; het laten klinken van de schaarse stoffige 'exosfeer' die de maan omringt of door een gemeenschappelijk tijdreferentiesignaal over de maan te geven, te gebruiken voor fundamentele fysica of astronomie-experimenten.

Dus naast een primeur in de geschiedenis van satellietnavigatie, Javier merkt op dat het navigatie-experiment van Lunar Pathfinder grotere gevolgen zal hebben:"Dit wordt de allereerste demonstratie van GPS- en Galileo-ontvangst in een baan om de maan, het openen van de deur naar een complete manier om ruimtevaartuigen in de verre ruimte te navigeren, menselijke verkenning van de maan mogelijk maken."