La Luna: donde ningún navegador satelital ha llegado antes

“Este modelo de ingeniería de nuestro receptor NaviMoon es la primera pieza de hardware que se produce en el contexto de la ESA. iniciativa claro de lunapara desarrollar servicios dedicados de telecomunicaciones y navegación para la Luna”, explica Javier Ventura-Traveset, Jefe de la Oficina de Ciencias de la Navegación de la ESA y encargado de todas las actividades de navegación lunar de la ESA.

“Va a volar a bordo del Explorador lunar misión en órbita alrededor de la Luna, desde donde realizará el ajuste de posicionamiento de navegación por satélite más lejano jamás realizado, a más de 400 000 km de distancia con una precisión de menos de 100 m. Esto representa un desafío de ingeniería extraordinario, porque a esa distancia las débiles señales de Galileo y GPS que utiliza apenas se distinguirán del ruido de fondo. Esta demostración supondrá un verdadero cambio de paradigma para la navegación en órbita lunar”.

El Lunar Pathfinder, del tamaño de una lavadora, está siendo construido como una misión comercial por Surrey Satellite Technology Ltd, SSTL, en el Reino Unido. La ESA está financiando las cargas útiles de los invitados, incluido el receptor NaviMoon de 1,4 kg que se ubicará junto al transmisor principal de banda X de la nave espacial que la conecta con la Tierra.

“Recibir hardware físico para una misión siempre es fantástico”, comenta Lily Forward, ingeniera de sistemas SSTL. “Este receptor de modelo de ingeniería se integrará en nuestra versión de la misión ‘FlatSat Test Bed’ para probar que todos nuestros sistemas se comuniquen y funcionen juntos correctamente, antes de recibir el receptor y la antena del modelo de vuelo a finales de este año”.

Esta será la primera misión completa de SSTL más allá de la Tierra, agrega: «Sentado los cimientos para numerosas misiones científicas que vendrán después, Lunar Pathfinder es un satélite de retransmisión de comunicaciones, destinado a servir activos tanto en el lado cercano como en el lado lejano, orbitando en una ‘órbita congelada lunar elíptica’ para una cobertura prolongada sobre el Polo Sur, un enfoque particular para la exploración futura. Luego, durante intervalos regulares, orientaremos la nave espacial hacia la Tierra para probar el receptor NaviMoon”.

Las correcciones de posición de Satnav del receptor se compararán con el alcance de radio convencional realizado con el transmisor de banda X de Lunar Pathfinder, así como con el alcance láser realizado con un retrorreflector aportado por la NASA y desarrollado por el KBR empresa.

“Esta será la primera vez que estas tres técnicas de alcance se utilizarán juntas en el espacio profundo”, explica el ingeniero de navegación de la ESA, Pietro Giordano. “Hay una larga herencia de alcance lunar por láser, que se remonta a las misiones Apolo, y el retrorreflector que estamos usando es una evolución del Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA. La combinación de todas las técnicas de telemetría mejorará aún más la estimación de la órbita, potencialmente más allá de lo que puede lograr la radiotelemetría.

«En principio, esto podría significar que las futuras misiones podrían navegar a la Luna de forma autónoma utilizando solo señales de navegación por satélite sin ayuda desde tierra».

Encontrar señales de navegación por satélite ultradébiles

Las señales de navegación satelital empleadas aquí en la Tierra ya son extremadamente débiles, equivalentes a un solo par de faros de automóviles que brillan en toda Europa. En el momento en que estas señales llegan a la Luna después de haber cruzado distancias de más de 20 veces más, se atenúan a través del espacio como las ondas de una piedra salpicada en el agua.

«Añadiendo a la dificultad, las constelaciones de navegación por satélite no están diseñadas para transmitir hacia el espacio, sino que mantienen sus antenas orientadas hacia la Tierra», agrega Pietro. “Así que dependemos de señales de ‘lóbulo lateral’ mucho más débiles, como la luz que se derrama por los lados de una linterna. Para poder hacer uso de estas señales, recurrimos a un especialista en navegación por satélite basada en el espacio, cuyas técnicas de procesamiento de señales realmente han demostrado ser el ingrediente mágico”.

EspacioPNT, con sede en Suiza, supervisó el diseño del receptor NaviMoon. «Comenzamos a trabajar en la idea del posicionamiento del navegador satelital a distancia lunar en 2013 como una especie de desafío científico». explica Cyril Botteron, al frente de la empresa.

“La combinación de las señales de doble frecuencia de Galileo con las de los satélites GPS existentes es lo que empezó a hacerlo factible. Aunque, junto con la sensibilidad extrema que se exige, el otro gran problema es que desde la Luna todos los satélites de navegación por satélite se encuentran en la misma geometría estrecha del cielo alrededor de la Tierra, rotando periódicamente fuera de la vista”.

La solución que se le ocurrió a SpacePNT aprovecha más de medio siglo de exploración lunar. La empresa instaló un modelo de software dinámico de todas las fuerzas que actúan sobre el satélite en el receptor, incluidas las influencias gravitatorias de la Luna, la Tierra, el Sol y los planetas, así como el ligero empuje de la propia luz solar (la presión de la radiación solar), junto con factores como el error del reloj y la dirección de la señal de radio.

Cyril explica: “A medida que experimentamos una aceleración dada, el receptor puede juzgar que lo más probable es que se encuentre en un punto particular de su órbita. Por lo general, un receptor de navegación por satélite necesita señales de cuatro satélites para fijar su posición, pero con este enfoque, incluso menos de cuatro señales son suficientes para obtener información útil, lo que limita el modelo para minimizar cualquier desviación de error”.

ingeniería y consultoría europea, EECLen el Reino Unido, se le asignó la tarea de convertir el diseño de SpacePNT en hardware completamente probado, además de diseñar el crucial amplificador de bajo ruido que tamiza el ruido para aumentar las señales utilizables.

“El amplificador es un diplexor personalizado de alta gama que cubre las bandas de navegación por satélite de doble frecuencia, sintonizado a mano utilizando los mejores componentes posibles e incorporando tecnología de disipador de calor para reducir aún más el ruido no deseado”, dice Ben Kieniewicz, fundador de ECCL.

“Además de contribuir a otros aspectos del diseño, también construimos, probamos y entregamos el receptor a SSTL, haciendo uso de nuestra área de prueba y ensamblaje de sala limpia calificada para el espacio”.

Lunar Pathfinder estará listo para su lanzamiento a fines de 2024 y ofrecerá servicios de órbita, lado cercano, lado lejano y polar a las misiones que se lancen en los próximos años, sentando las bases para una constelación de satélites combinados de telecomunicaciones y navegación alrededor de la Luna.

“Nuestra iniciativa Moonlight propone la colocación inicial de tres o cuatro satélites en órbita lunar, ofreciendo al menos cinco horas consecutivas de servicio en 24 horas, enfocados en el polo sur lunar donde se planean inicialmente la mayoría de las misiones”, agrega Javier. “Nuestro sistema está concebido para ser expandible y la idea es agrandar progresivamente la constelación, y lo más probable es que también incluya balizas de superficie en la Luna. Esto permitirá una cobertura completa en toda la superficie lunar, mayor disponibilidad y excelentes precisiones: una gran oportunidad para Europa”.

Acerca de la luz de la luna

Moonlight es la iniciativa de la Agencia para forjar un vínculo duradero con la Luna mediante el desarrollo de servicios de navegación y telecomunicaciones lunares, lo que ayuda a permitir la exploración futura.

La ESA propondrá la creación de una constelación de satélites de telecomunicaciones y navegación en órbita lunar para su aprobación por parte de los ministros de los Estados miembros de la ESA en el Consejo de la Agencia a nivel ministerial a finales de 2022.