Gli ingegneri delle comunicazioni spaziali e della navigazione della NASA stanno valutando le esigenze di navigazione per il programma Artemis, inclusa l'identificazione delle capacità di navigazione di precisione necessarie per stabilire la prima presenza sostenuta sulla superficie lunare.

"Artemis ci impegna ad applicare soluzioni di navigazione creative, scegliendo la giusta combinazione di capacità per ogni missione, "ha detto Cheryl Gramling, capo associato per la tecnologia nella divisione di ingegneria delle missioni e analisi dei sistemi presso il Goddard Space Flight Center di Greenbelt, Maryland. "La NASA ha a sua disposizione una moltitudine di strumenti di navigazione, e Goddard ha mezzo secolo di esperienza nella navigazione in missioni di esplorazione spaziale in orbita lunare."

Oltre alle comprovate capacità di navigazione, La NASA utilizzerà tecnologie di navigazione innovative durante le prossime missioni Artemis.

"Le missioni lunari offrono l'opportunità di testare e perfezionare nuove tecniche di navigazione spaziale, "ha detto Ben Ashman, un ingegnere di navigazione a Goddard. "La luna è un luogo affascinante da esplorare e può fungere da banco di prova che espande il nostro kit di strumenti di navigazione per destinazioni più lontane come Marte".

In definitiva, le missioni di esplorazione necessitano di una solida combinazione di capacità per fornire la disponibilità, resilienza, e l'integrità richiesta da un sistema di navigazione in situ. Alcune delle tecniche di navigazione analizzate per Artemis includono:

Radiometria, Ottimetria e Altimetria Laser

Radiometria, ottimimetria, e l'altimetria laser misura distanze e velocità utilizzando le proprietà delle trasmissioni elettromagnetiche. Gli ingegneri misurano il tempo impiegato da una trasmissione per raggiungere un veicolo spaziale e lo dividono per la velocità di viaggio della trasmissione, la velocità della luce.

Queste misurazioni accurate sono state il fondamento della navigazione spaziale sin dal lancio del primo satellite, fornendo una misurazione accurata e affidabile della distanza tra il trasmettitore e il ricevitore del veicolo spaziale. Contemporaneamente, il tasso di variazione della velocità del veicolo spaziale tra il trasmettitore e il veicolo spaziale può essere osservato a causa dell'effetto Doppler.

La radiometria e l'ottimimetria misurano le distanze e la velocità tra un veicolo spaziale e le antenne di terra o altri veicoli spaziali utilizzando i loro collegamenti radio e i collegamenti di comunicazione ottica a infrarossi, rispettivamente. Nell'altimetria laser e nel raggio laser spaziale, un'astronave o un telescopio terrestre riflette i laser dalla superficie di un corpo celeste o un riflettore appositamente designato per giudicare le distanze.

Navigazione ottica

Le tecniche di navigazione ottica si basano sulle immagini delle telecamere di un veicolo spaziale. Ci sono tre rami principali della navigazione ottica.

• La navigazione ottica basata sulle stelle utilizza oggetti celesti luminosi come stelle, lune, e pianeti per la navigazione. Gli strumenti usano questi oggetti per determinare l'orientamento di un veicolo spaziale e possono definire la loro distanza dagli oggetti usando gli angoli tra di loro.
• Quando un'astronave si avvicina a un corpo celeste, l'oggetto inizia a riempire il campo visivo della telecamera. Gli ingegneri di navigazione ricavano quindi la distanza di un veicolo spaziale dal corpo usando il suo arto, il bordo apparente del corpo, e il baricentro, o centro geometrico.
• All'avvicinamento più vicino di una navicella spaziale, la navigazione relativa al terreno utilizza le immagini della telecamera e l'elaborazione del computer per identificare le caratteristiche della superficie note e calcolare la rotta di un veicolo spaziale in base alla posizione di tali caratteristiche nei modelli o nelle immagini di riferimento.

GPS e GNSS a segnale debole

La NASA sta sviluppando capacità che consentiranno alle missioni sulla luna di sfruttare i segnali delle costellazioni del Global Navigation Satellite System (GNSS) come il GPS degli Stati Uniti. Questi segnali, già utilizzati su molti veicoli spaziali in orbita attorno alla Terra, miglioreranno i tempi, migliorare la precisione di posizionamento, e assistere i sistemi di navigazione autonomi nello spazio cislunare e lunare.

Nel 2023, l'esperimento del ricevitore GNSS lunare (LuGRE), sviluppato in collaborazione con l'Agenzia Spaziale Italiana, dimostrerà e perfezionerà questa capacità sul bacino lunare del Mare Crisium. LuGRE volerà su una missione Commercial Lunar Payload Services consegnata da Firefly Aerospace di Cedar Park, Texas. La NASA utilizzerà i dati raccolti da LuGRE per perfezionare i sistemi GNSS lunari operativi per le missioni future.

Navigazione autonoma

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. Per esempio, 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, protocols, 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.