Surrey Satellite Technology Ltd’nin (SSTL) Ay çevresinde iletişim hizmetleri sağlayacak Lunar Pathfinder uydusuyla ilgili sanatçının izlenimi. Kredi: SSTL
Benzersiz bir uydu navigasyon alıcısının test versiyonu, Lunar Pathfinder uzay aracında entegrasyon testi için teslim edildi. NaviMoon uydu navigasyon alıcısı, cep telefonlarımız veya otomobillerimiz tarafından kullanılanlardan milyonlarca kat daha sönük sinyaller kullanarak, Dünya’dan şimdiye kadarki en uzak konumlandırma düzeltmesini gerçekleştirmek üzere tasarlanmıştır.
ESA’nın Navigasyon Bilimi Ofisi Başkanı Javier Ventura-Traveset, “NaviMoon alıcımızın bu mühendislik modeli, ESA’nın Ay için özel telekomünikasyon ve navigasyon hizmetleri geliştirmek için ESA’nın Moonlight girişimi bağlamında üretilecek ilk donanım parçasıdır” diye açıklıyor. ve tüm ESA ay navigasyon faaliyetlerini yönetmek.
Benzersiz bir uydu navigasyon alıcısının test versiyonu, SSTL’nin Lunar Pathfinder uzay aracında entegrasyon testi için teslim edildi. NaviMoon uydu navigasyon alıcısı, akıllı telefonlarımız veya arabalarımız tarafından kullanılanlardan milyonlarca kat daha sönük sinyaller kullanarak, Dünya’dan şimdiye kadarki en uzak konumlandırma düzeltmesini gerçekleştirmek üzere tasarlanmıştır. 1,4 kg’lık alıcının, sinyalleri saptayan ve kullanılabilir bir seviyeye yükselten Düşük Gürültülü Amplifikatöre bağlı olduğu görülüyor. Kredi: SSTL
“Gemide uçurulacak Ay Yol Bulucu 400.000 km’den daha uzak bir mesafede, şimdiye kadar yapılmış en uzak uydu navigasyon konumlandırma düzeltmesini gerçekleştireceği Ay’ın etrafındaki yörüngeye görevi.[{” attribute=””>accuracy of less than 100 m. This represents an extraordinary engineering challenge, because at such a distance the faint Galileo and GPS signals it makes use of will be barely distinguishable from background noise. This demonstration will imply a true change of paradigm for lunar orbiting navigation.”
Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL), Goonhilly Earth Station (GES) and the European Space Agency (ESA) have signed a collaboration agreement for Commercial Lunar Mission Support Services at the Space Symposium in Colorado Springs today. This innovative commercial partnership for exploration aims to develop a European lunar telecommunications and navigation infrastructure, including the delivery of payloads and nanosats to lunar orbit. Credit: SSTL
The washing-machine-sized Lunar Pathfinder is being built as a commercial mission by Surrey Satellite Technology Ltd, SSTL, in the UK. ESA is funding guest payloads for it including the 1.4 kg NaviMoon receiver that will be accommodated beside the spacecraft’s main X-band transmitter that links it with Earth.
“Receiving physical hardware for a mission is always fantastic,” remarks Lily Forward, SSTL system engineer. “This engineering model receiver will be integrated into our ‘FlatSat Test Bed’ version of the mission to test all our systems communicate and work together properly, ahead of receiving the flight model receiver and antenna later this year.”
Lunar Pathfinder will relay communications from orbital and surface missions. Credit: SSTL
This will be SSTL’s first full-fledged mission beyond Earth, she adds: “Laying the foundations for numerous scientific missions that will come after it, Lunar Pathfinder is a communications relay satellite, intended to serve assets on both the nearside and farside, orbiting in an ‘elliptical lunar frozen orbit’ for prolonged coverage over the South Pole – a particular focus for future exploration. Then during regular intervals we will orient the spacecraft towards Earth to test out the NaviMoon receiver.”
Satnav position fixes from the receiver will be compared with conventional radio ranging carried out using Lunar Pathfinder’s X-band transmitter as well as laser ranging performed using a retroreflector contributed by NASA and developed by the KBR company.
ESA’s laser ranging station in Tenerife aims its green laser to the sky. Credit: ESA
“This will be the first time these three ranging techniques will be used together in deep space” explains ESA navigation engineer Pietro Giordano. “There is a long heritage of lunar laser ranging, going back to the Apollo missions, and the retroreflector we are using is an evolution from NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter. The combination of all ranging techniques will improve the orbit estimation further, potentially beyond what radio ranging can achieve.
“In principle this could mean that future missions could navigate themselves to the Moon autonomously using satellite navigation signals alone with no help from the ground.”
Finding ultra-faint satnav signals
The satnav signals employed down here on Earth are already vanishingly faint, equivalent to a single pair of car headlights shining all across Europe. By the time these signals reach the Moon after they have crossed distances of more than 20 times further still, attenuating through space like ripples from a stone splashed in water.
Navigation satellites – such as Europe’s Galileo, the US GPS, Russia’s Glonass or their Japanese, Chinese and Indian counterparts – aim their antennas directly at Earth. Any satellite orbiting above these constellation can only hope to detect signals from over Earth’s far side, but the majority are blocked by the planet. For a position fix, a satnav receiver requires a minimum of four satellites to be visible, but this is most of the time not possible if based solely on front-facing signals. Instead, satnav receivers in higher orbits can make use of signals emitted sideways from navigation antennas, within what is known as ‘side lobes’. Just like a flashlight, radio antennas shine energy to the side as well as directly forward. Credit: ESA
“Adding to the difficulty, the satnav constellations are not designed to transmit up into space but keep their antennas facing Earth,” adds Pietro. “So we are reliant on much weaker ‘side lobe’ signals, like light spilling from the sides of a flashlight. To be able to make use of these signals we turned to a specialist in space-based satellite navigation, whose signal-processing techniques have really proven the magic ingredient.”
Testing the NaviMoon receiver and Low Noise Amplifier engineering models at SSTL ahead of integration testing. The flight models of the receiver and amplifier will be delivered later in 2022. Credit: SSTL
SpacePNT, based in Switzerland, oversaw the NaviMoon receiver design. “We began working on the idea of lunar-distance satnav positioning back in 2013 as something of a scientific challenge.” explains Cyril Botteron, heading the company.
“The combination of Galileo dual frequency signals with those of the existing GPS satellites is what started to make it feasible. Although, along with the extreme sensitivity that is demanded, the other big problem is that from the Moon all the satnav satellites are in the same narrow geometry of sky around Earth, periodically rotating out of view.”
Lunar navigation satellites will ultimately help guide Moon landings. This image shows the cargo configuration of the European Large Logistics Lander, delivering supplies and even rovers or robots to the Moon’s surface for astronauts as part of NASA’s Artemis program. Credit: ESA/ATG-Medialab
The solution that SpacePNT came up with leverages more than half a century of lunar exploration. The company installed a dynamic software model of all the forces acting upon the satellite into the receiver, including the gravitational influences of the Moon, Earth, Sun and planets as well as the very slight push from sunlight itself – solar radiation pressure – along with factors such as clock error and the radio signal direction.
Cyril explains: “As we experience a given acceleration the receiver can judge it is most probably at one particular point in its orbit. Usually a satnav receiver needs signals from four satellites to fix its position, but with this approach even less than four signals is still enough to obtain useful information, constraining the model to minimize any error drift.”
Avrupa Mühendislik & Müşavirlik, EECLBirleşik Krallık’ta SpacePNT’nin tasarımını tamamen test edilmiş bir donanıma dönüştürmek ve ayrıca kullanılabilir sinyalleri artırmak için gürültüyü eleyen çok önemli düşük gürültülü amplifikatörü tasarlama görevi verildi.
ECCL’nin kurucusu Ben Kieniewicz, “Amplifikatör, çift frekanslı satnav bantlarını kapsayan, mümkün olan en iyi bileşenler kullanılarak elle ayarlanmış ve istenmeyen gürültüyü daha da azaltmak için ısı emici teknolojisini içeren, üst düzey bir özel çift yönlü yazıcıdır” diyor.
“Diğer tasarım yönlerine katkıda bulunmanın yanı sıra, uzay nitelikli temiz oda montaj ve test alanımızı kullanarak alıcıyı da inşa ettik, test ettik ve SSTL’ye teslim ettik.”
ESA’nın Ay Işığı girişimi, uydu navigasyon kapsamının genişletilmesini ve Ay ile iletişim bağlantılarını içeriyor. İlk aşama, Ay çevresinde mevcut uydu navigasyon sinyallerinin kullanımının gösterilmesini içerir. Bu, 2024’te Lunar Pathfinder uydusu ile başarılacaktır. Asıl zorluk, düşük sinyal gücüyle birlikte, tümü gökyüzünün aynı bölümünden gelen satnav sinyallerinin sınırlı geometrisinin üstesinden gelmek olacaktır. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, Ayışığı sisteminin çekirdeği olan ikinci aşama, ek menzil kaynakları ve genişletilmiş kapsama alanı sağlayan özel ay navigasyon uyduları ve ay yüzeyi işaretçilerini görecek. Kredi bilgileri: ESA-K Oldenburg
2024’ün sonunda fırlatılmaya hazır olacak olan Lunar Pathfinder, önümüzdeki yıllarda başlayacak olan misyonlara yakın, uzak, yörünge ve kutup hizmetleri sunarak Ay’ın etrafında birleşik telekomünikasyon ve navigasyon uydularından oluşan bir takımyıldızın temellerini atacak.
Javier, “Ay Işığı girişimimiz, ilk olarak ay yörüngesine üç ila dört uydu yerleştirmeyi öneriyor ve herhangi bir 24 saatte en az beş ardışık hizmet saati sunuyor ve görevlerin çoğunun başlangıçta planlandığı Ay’ın güney kutbuna odaklanıyor” diye ekliyor. “Sistemimiz genişletilebilir olarak tasarlandı ve fikir, takımyıldızı kademeli olarak büyütmek ve büyük olasılıkla Ay’daki yüzey işaretlerini de içermek. Bu, ay yüzeyinde tam kapsama, daha yüksek kullanılabilirlik ve mükemmel doğruluk sağlayacak – Avrupa için büyük bir fırsat.”
Ay Işığı hakkında
Moonlight, Ajansın Ay ile telekomünikasyon ve navigasyon hizmetleri geliştirerek, gelecekteki keşiflerin yapılmasına yardımcı olarak Ay ile kalıcı bir bağlantı kurma girişimidir.
ESA, 2022’nin sonunda Ajansın Bakanlar Düzeyindeki Konseyinde ESA Üye Devletlerinin bakanlarının onayı için ay yörüngesinde bir telekomünikasyon ve navigasyon uyduları takımyıldızı oluşturulmasını önerecek.