Les ingénieurs en communications spatiales et en navigation de la NASA évaluent les besoins de navigation pour le programme Artemis, y compris l'identification des capacités de navigation de précision nécessaires pour établir la première présence soutenue sur la surface lunaire.

"Artemis nous engage à appliquer des solutions de navigation créatives, choisir la bonne combinaison de capacités pour chaque mission, " a déclaré Cheryl Gramling, chef adjoint de la technologie à la Division de l'ingénierie de mission et de l'analyse des systèmes du Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland. "La NASA dispose d'une multitude d'outils de navigation, et Goddard a un demi-siècle d'expérience dans la navigation de missions d'exploration spatiale en orbite lunaire."

Outre des capacités de navigation éprouvées, La NASA utilisera des technologies de navigation innovantes lors des prochaines missions Artemis.

"Les missions lunaires offrent l'opportunité de tester et d'affiner de nouvelles techniques de navigation spatiale, " a déclaré Ben Ashman, un ingénieur de navigation à Goddard. "La lune est un endroit fascinant à explorer et peut servir de terrain d'essai qui élargit notre boîte à outils de navigation pour des destinations plus lointaines comme Mars."

Finalement, les missions d'exploration ont besoin d'une solide combinaison de capacités pour fournir la disponibilité, élasticité, et l'intégrité requises d'un système de navigation in situ. Certaines des techniques de navigation analysées pour Artemis comprennent :

Radiométrie, Optimétrie et altimétrie laser

Radiométrie, optimétrie, et l'altimétrie laser mesure les distances et la vitesse en utilisant les propriétés des transmissions électromagnétiques. Les ingénieurs mesurent le temps qu'il faut à une transmission pour atteindre un vaisseau spatial et le divisent par la vitesse de déplacement de la transmission, la vitesse de la lumière.

Ces mesures précises sont à la base de la navigation spatiale depuis le lancement du premier satellite, donnant une mesure précise et fiable de la distance entre l'émetteur et le récepteur de l'engin spatial. Simultanément, le taux de changement de la vitesse de l'engin spatial entre l'émetteur et l'engin spatial peut être observé en raison de l'effet Doppler.

La radiométrie et l'optimétrie mesurent les distances et la vitesse entre un engin spatial et des antennes au sol ou d'autres engins spatiaux en utilisant leurs liaisons radio et leurs liaisons de communication optique infrarouge, respectivement. En altimétrie laser et télémétrie laser spatiale, un vaisseau spatial ou un télescope au sol réfléchit les lasers sur la surface d'un corps céleste ou un réflecteur spécialement désigné pour évaluer les distances.

Navigation optique

Les techniques de navigation optique reposent sur des images provenant de caméras embarquées sur un engin spatial. Il existe trois branches principales de la navigation optique.

• La navigation optique basée sur les étoiles utilise des objets célestes brillants tels que des étoiles, lunes, et des planètes pour la navigation. Les instruments utilisent ces objets pour déterminer l'orientation d'un vaisseau spatial et peuvent définir leur distance par rapport aux objets en utilisant les angles entre eux.
• Alors qu'un vaisseau spatial s'approche d'un corps céleste, l'objet commence à remplir le champ de vision de la caméra. Les ingénieurs en navigation dérivent ensuite la distance d'un vaisseau spatial par rapport au corps en utilisant son membre - le bord apparent du corps - et son centre de gravité, ou centre géométrique.
• A l'approche la plus proche d'un vaisseau spatial, La navigation relative au terrain utilise des images de caméra et un traitement informatique pour identifier les caractéristiques de surface connues et calculer la trajectoire d'un engin spatial en fonction de l'emplacement de ces caractéristiques dans des modèles ou des images de référence.

GPS et GNSS à faible signal

La NASA développe des capacités qui permettront aux missions sur la lune d'exploiter les signaux des constellations du système mondial de navigation par satellite (GNSS) comme le GPS américain. Ces signaux, déjà utilisés sur de nombreux engins spatiaux en orbite autour de la Terre, permettront d'améliorer la synchronisation, améliorer la précision de positionnement, et assister les systèmes de navigation autonomes dans l'espace cislunaire et lunaire.

En 2023, l'expérience du récepteur GNSS lunaire (LuGRE), développé en partenariat avec l'Agence spatiale italienne, démontrera et affinera cette capacité sur le bassin lunaire Mare Crisium. LuGRE effectuera une mission commerciale de services de charge utile lunaire fournie par Firefly Aerospace de Cedar Park, Texas. La NASA utilisera les données recueillies auprès de LuGRE pour affiner les systèmes GNSS lunaires opérationnels pour les futures missions.

Navigation autonome

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. Par exemple, 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.