Ruimtecommunicatie- en navigatie-ingenieurs bij NASA evalueren de navigatiebehoeften voor het Artemis-programma, inclusief het identificeren van de precisienavigatiemogelijkheden die nodig zijn om de eerste duurzame aanwezigheid op het maanoppervlak vast te stellen.

"Artemis schakelt ons in om creatieve navigatieoplossingen toe te passen, het kiezen van de juiste combinatie van mogelijkheden voor elke missie, " zei Cheryl Gramling, associate chief voor technologie in de Mission Engineering and Systems Analysis Division bij Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "NASA heeft een veelvoud aan navigatietools tot haar beschikking, en Goddard heeft een halve eeuw ervaring met het navigeren door ruimteverkenningsmissies in een baan om de maan."

Naast bewezen navigatiemogelijkheden, NASA zal tijdens de komende Artemis-missies innovatieve navigatietechnologieën gebruiken.

"Maanmissies bieden de mogelijkheid om nieuwe technieken voor ruimtenavigatie te testen en te verfijnen, " zei Ben Ashman, een navigatie-ingenieur bij Goddard. "De maan is een fascinerende plek om te verkennen en kan dienen als een proeftuin die onze navigatietoolkit uitbreidt voor verder weg gelegen bestemmingen zoals Mars."

uiteindelijk, exploratiemissies hebben een robuuste combinatie van capaciteiten nodig om de beschikbaarheid, veerkracht, en integriteit vereist van een in-situ navigatiesysteem. Enkele van de navigatietechnieken die voor Artemis worden geanalyseerd, zijn:

Radiometrie, Optimetrie en laseraltimetrie

Radiometrie, optica, en laseraltimetrie meet afstanden en snelheid met behulp van de eigenschappen van elektromagnetische transmissies. Ingenieurs meten de tijd die een transmissie nodig heeft om een ​​ruimtevaartuig te bereiken en delen door de verplaatsingssnelheid van de transmissie - de lichtsnelheid.

Deze nauwkeurige metingen vormen de basis van ruimtenavigatie sinds de lancering van de eerste satelliet, geeft een nauwkeurige en betrouwbare meting van de afstand tussen de zender en de ontvanger van het ruimtevaartuig. Tegelijkertijd, de snelheid van verandering in de snelheid van het ruimtevaartuig tussen de zender en het ruimtevaartuig kan worden waargenomen als gevolg van het Doppler-effect.

Radiometrie en optimetrie meten de afstanden en snelheid tussen een ruimtevaartuig en grondantennes of ander ruimtevaartuig met behulp van hun radioverbindingen en optische infraroodcommunicatieverbindingen, respectievelijk. In laserhoogtemeting en ruimtelaserbereik, een ruimtevaartuig of grondtelescoop reflecteert lasers van het oppervlak van een hemellichaam of een speciaal aangewezen reflector om afstanden te beoordelen.

optische navigatie

Optische navigatietechnieken zijn afhankelijk van beelden van camera's op een ruimtevaartuig. Er zijn drie hoofdtakken van optische navigatie.

• Op sterren gebaseerde optische navigatie maakt gebruik van heldere hemellichamen zoals sterren, manen, en planeten voor navigatie. Instrumenten gebruiken deze objecten om de oriëntatie van een ruimtevaartuig te bepalen en kunnen hun afstand tot de objecten bepalen met behulp van de hoeken ertussen.
• Als een ruimtevaartuig een hemellichaam nadert, het object begint het gezichtsveld van de camera te vullen. Navigatie-ingenieurs leiden vervolgens de afstand van een ruimtevaartuig tot het lichaam af met behulp van zijn ledemaat - de schijnbare rand van het lichaam - en zwaartepunt, of geometrisch centrum.
• Bij de dichtste nadering van een ruimtevaartuig, terrein relatieve navigatie maakt gebruik van camerabeelden en computerverwerking om bekende oppervlaktekenmerken te identificeren en de koers van een ruimtevaartuig te berekenen op basis van de locatie van die kenmerken in referentiemodellen of afbeeldingen.

Zwak signaal GPS en GNSS

NASA ontwikkelt mogelijkheden waarmee missies op de maan gebruik kunnen maken van signalen van Global Navigation Satellite System (GNSS) -constellaties zoals de Amerikaanse GPS. Deze signalen - die al op veel ruimtevaartuigen in een baan om de aarde worden gebruikt - zullen de timing verbeteren, de nauwkeurigheid van de positionering verbeteren, en assisteer autonome navigatiesystemen in de cislunaire en maanruimte.

in 2023, het Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE), ontwikkeld in samenwerking met het Italiaanse ruimteagentschap, zal dit vermogen demonstreren en verfijnen op het Mare Crisium-bekken van de maan. LuGRE zal vliegen op een Commercial Lunar Payload Services-missie geleverd door Firefly Aerospace van Cedar Park, Texas. NASA zal gegevens van LuGRE gebruiken om operationele GNSS-systemen op de maan te verfijnen voor toekomstige missies.

Autonome navigatie

Autonomous navigation software leverages measurements like radiometrics, celestial navigation, altimetry, terrain-relative navigation, and GNSS to perform navigation onboard without contact with operators or assets on Earth, enabling spacecraft to maneuver independently of terrestrial mission controllers. 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. Bijvoorbeeld, 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, protocollen, 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.