Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL), La station terrienne de Goonhilly (GES) et l'Agence spatiale européenne (ESA) ont signé un accord de collaboration pour les services commerciaux de soutien aux missions lunaires lors du Symposium spatial de Colorado Springs aujourd'hui. Ce partenariat commercial innovant pour l'exploration vise à développer une infrastructure européenne de télécommunications et de navigation lunaire, y compris la livraison de charges utiles et de nanosats en orbite lunaire. Crédit :SSTL
La mission Lunar Pathfinder de l'ESA vers la lune emportera un récepteur de navigation par satellite avancé, afin d'effectuer le tout premier correctif de positionnement satnav en orbite lunaire. Cette charge utile expérimentale marque une étape préliminaire dans un plan ambitieux de l'ESA visant à étendre une couverture de navigation par satellite fiable - ainsi que des liaisons de communication - aux explorateurs autour et finalement sur la lune au cours de cette décennie.
Dû pour le lancement d'ici la fin de 2023 en orbite lunaire, le comsat public-privé Lunar Pathfinder offrira des services commerciaux de relais de données aux missions lunaires, tout en repoussant les limites opérationnelles des signaux satnav.
Les satellites de navigation comme la constellation européenne Galileo sont destinés à fournir un positionnement, des services de navigation et de chronométrage vers notre planète, donc la plupart de l'énergie de leurs antennes de navigation rayonne directement vers le disque terrestre, bloquant son utilisation pour les utilisateurs plus éloignés dans l'espace.
"Mais ce n'est pas toute l'histoire, " explique Javier Ventura-Traveset, diriger le Galileo Navigation Science Office de l'ESA et coordonner les activités de navigation lunaire de l'ESA. « Les modèles de signaux de navigation rayonnent également latéralement, comme la lumière d'une lampe de poche, et les tests antérieurs montrent que ces «lobes latéraux» d'antenne peuvent être utilisés pour le positionnement, à condition que des récepteurs adéquats soient mis en place."
Tout comme les gens ou les voitures au sol, les satellites en orbite terrestre basse dépendent fortement des signaux satnav pour déterminer leur position orbitale, et puisque l'ESA a prouvé qu'un positionnement sur orbite plus élevée était possible, un nombre croissant de satellites en orbite géostationnaire utilisent aujourd'hui des récepteurs satnav.
La constellation Galileo complète comprendra 24 satellites répartis sur trois plans orbitaux, plus deux satellites de rechange par orbite. Le résultat sera la plus grande flotte d'Europe jamais créée, assurant une couverture de navigation mondiale. Crédit :ESA-P. Carril
Mais l'orbite géostationnaire est à 35 786 km, tandis que la lune est plus de dix fois plus loin, à une distance moyenne de 384 000 km. En 2019 cependant, La mission magnétosphérique multi-échelle de la NASA a acquis des signaux GPS pour effectuer une correction et déterminer son orbite à 187 166 km, proche de la moitié de la distance Terre-Lune.
Javier ajoute :"Cette preuve expérimentale réussie nous donne une grande confiance puisque le récepteur que nous allons embarquer sur Lunar Pathfinder aura une sensibilité considérablement améliorée, utilisera à la fois les signaux Galileo et GPS et comportera également une antenne satnav à gain élevé. »
L'antenne principale de ce récepteur à haute sensibilité a été développée dans le cadre du programme de technologie de soutien général de l'ESA, avec l'unité principale du récepteur développée dans le cadre du programme d'innovation et de soutien à la navigation de l'ESA, NAVISP.
Le projet de récepteur est dirigé par l'ingénieur en navigation de l'ESA Pietro Giordano :« Le récepteur haute sensibilité sera capable de détecter des signaux très faibles, des millions de fois plus faibles que celles reçues sur Terre. L'utilisation de filtres orbitaux embarqués avancés permettra d'atteindre une précision de détermination d'orbite sans précédent sur une base autonome."
Les satellites de navigation – comme Galileo en Europe, le GPS américain, les Glonass de Russie ou leurs Japonais, Homologues chinois et indiens – pointent leurs antennes directement vers la Terre. Tout satellite en orbite au-dessus de ces constellations ne peut qu'espérer détecter des signaux de l'autre côté de la Terre, mais la plupart sont bloqués par la planète. Pour une position fixe, un récepteur satnav nécessite un minimum de quatre satellites pour être visible, mais ce n'est la plupart du temps pas possible s'il est basé uniquement sur des signaux orientés vers l'avant. Au lieu, les récepteurs satnav sur des orbites plus élevées peuvent utiliser les signaux émis latéralement par les antennes de navigation, dans ce qu'on appelle les «lobes latéraux». Tout comme une lampe de poche, les antennes radio diffusent de l'énergie sur le côté ainsi que directement vers l'avant. Crédit :ESA
Le récepteur de Lunar Pathfinder devrait atteindre une précision de positionnement d'environ 100 m, plus précise que le suivi au sol traditionnel.
La disponibilité de satnav permettra l'exécution de la « détermination précise de l'orbite » pour les satellites lunaires, note Werner Enderle, Chef du Bureau d'Appui à la Navigation de l'ESA :« La détermination traditionnelle de l'orbite des satellites en orbite lunaire est effectuée par télémétrie, utilisant des stations au sol dans l'espace lointain. Cette démonstration de Lunar Pathfinder sera une étape importante dans la navigation lunaire, changer toute l'approche. Cela augmentera non seulement l'autonomie du vaisseau spatial et affinera la précision des résultats, cela contribuera également à réduire les coûts d'exploitation."
Alors que les orbites lunaires sont souvent instables, avec des satellites en orbite basse entraînés par les concentrations de masse grumeleuses ou "mascons" composant la lune, Lunar Pathfinder devrait adopter une orbite elliptique «gelée» hautement stable, concentré sur le pôle sud lunaire, une cible de choix pour les futures expéditions.
La Terre - et ses constellations de navigation par satellite - devraient rester en vue de Lunar Pathfinder pour la majorité des tests. Le défi principal sera de surmonter la géométrie limitée des signaux satnav provenant tous de la même partie du ciel, avec la faible puissance du signal.
Une image haute définition de la plaine de lave de Mars Australe sur la lune prise par l'orbiteur lunaire japonais Kaguya en novembre 2007. Crédit :JAXA/NHK
La démonstration de Lunar Pathfinder que les signaux de navigation par satellite terrestres peuvent être utilisés pour naviguer sur les orbites lunaires sera une première étape importante dans l'initiative de l'ESA au clair de lune. Soutenu par trois directions de l'ESA, Moonlight continuera à établir un service de communication et de navigation lunaire.
« Au cours de la décennie à venir, L'ESA vise à contribuer à la mise en place d'une infrastructure commune de communication et de navigation pour toutes les missions lunaires basées sur des satellites lunaires dédiés, " explique Bernhard Hufenbach, gestion des initiatives de commercialisation et d'innovation pour l'exploration spatiale à l'ESA.
"le clair de lune permettra de soutenir des missions qui ne peuvent pas utiliser les signaux de navigation par satellite de la Terre, tels que les atterrisseurs de l'autre côté et prévoit de combler l'écart actuel par rapport aux besoins exprimés par la communauté Global Exploration, ciblant une précision de positionnement inférieure à 50 mètres."
En plus de faciliter l'exploration lunaire, ces signaux satnav pourraient un jour devenir un outil scientifique à part entière, utilisé, par exemple, effectuer une réflectométrie à travers la surface lunaire ; en sondant la « exosphère » poussiéreuse qui entoure la lune ou en fournissant un signal de référence de temps commun à travers la lune, à utiliser pour des expériences de physique fondamentale ou d'astronomie.
Ainsi, en plus de marquer une première dans l'histoire de la navigation par satellite, Javier note que l'expérience de navigation par satellite de Lunar Pathfinder aura des conséquences plus importantes :« Cela deviendra la toute première démonstration de réception GPS et Galileo en orbite lunaire, ouvrant la porte à un moyen complet de naviguer dans l'espace lointain, permettant l'exploration humaine de la lune."
