ESA:s Lunar Pathfinder-uppdrag till månen kommer att bära en avancerad satellitnavigeringsmottagare, för att utföra den första satellitnavigeringsfixeringen någonsin i månens omloppsbana. Denna experimentella nyttolast markerar ett preliminärt steg i en ambitiös ESA-plan för att utöka tillförlitlig satellitnavigationstäckning – såväl som kommunikationslänkar – till upptäcktsresande runt och slutligen på månen under detta decennium.

Planerad uppskjutning i slutet av 2023 i månbana, den offentlig-privata Lunar Pathfinder comsat kommer att erbjuda kommersiella datarelätjänster till månuppdrag – samtidigt som de tänjer på de operativa gränserna för satellitnavigeringssignaler.

Navigationssatelliter som Europas Galileo-konstellation är avsedda att leverera positionering, navigations- och tidsinställningstjänster till vår planet, så det mesta av energin från deras navigationsantenner strålar direkt mot jordskivan, blockerar dess användning för användare längre bort i rymden.

"Men detta är inte hela historien, " förklarar Javier Ventura-Traveset, leda ESA:s Galileo Navigation Science Office och koordinera ESA:s månnavigeringsaktiviteter. "Navigationssignalmönster strålar också i sidled, som ljus från en ficklampa, och tidigare tester visar att dessa antenn "sidolober" kan användas för positionering, förutsatt att lämpliga mottagare är implementerade."

Precis som människor eller bilar på marken, satelliter i låg omloppsbana förlitar sig starkt på satellitnavigeringssignaler för att bestämma sin omloppsbana, och eftersom ESA visade att positionering i högre omloppsbana var möjlig, ett växande antal satelliter i geostationär omloppsbana använder idag satellitnavigatormottagare.

Men den geostationära omloppsbanan är 35 786 km upp, medan månen är mer än tio gånger längre bort, på ett medelavstånd av 384 000 km. Men 2019 NASA:s Magnetospheric Multiscale Mission skaffade GPS-signaler för att utföra en fix och bestämma dess omloppsbana från 187 166 km bort, nära halvvägs jord-måneavståndet.

Javier tillägger:"Detta framgångsrika experimentella bevis ger oss stort förtroende eftersom mottagaren vi kommer att gå ombord på Lunar Pathfinder kommer att ha en avsevärt förbättrad känslighet, använder både Galileo- och GPS-signaler och kommer också att ha en högförstärkningssatnavantenn."

Denna högkänsliga mottagares huvudantenn har utvecklats genom ESA:s General Support Technology Program, med mottagarens huvudenhet utvecklad genom ESA:s Navigation Innovation and Support Program, NAVISP.

Mottagareprojektet leds av ESA:s navigationsingenjör Pietro Giordano:"Den högkänsliga mottagaren kommer att kunna upptäcka mycket svaga signaler, miljoner gånger svagare än de som mottagits på jorden. Användningen av avancerade orbitalfilter ombord gör det möjligt att uppnå oöverträffad noggrannhet för omloppsbestämning på autonom basis."

Lunar Pathfinders mottagare förväntas uppnå en positioneringsnoggrannhet på cirka 100 m – mer exakt än traditionell markspårning.

Tillgången till satellitnavigering kommer att möjliggöra prestandan av "Precise Orbit Deermination" för månsatelliter, konstaterar Werner Enderle, Chef för ESA:s Navigation Support Office:"Traditionell bestämning av omloppsbana för månsatelliter utförs med radioavstånd, använda djupa rymdstationer. Denna Lunar Pathfinder-demonstration kommer att bli en viktig milstolpe inom månnavigering, förändrar hela tillvägagångssättet. Det kommer inte bara att öka rymdfarkostens autonomi och skärpa noggrannheten i resultaten, det kommer också att bidra till att minska driftskostnaderna."

Medan månbanorna ofta är instabila, med lågomloppssatelliter som dras ur kurs av de klumpiga masskoncentrationerna eller "mascons" som utgör månen, Lunar Pathfinder är planerad att anta en mycket stabil "frusen" elliptisk bana, fokuserat på månens sydpol – ett ledande mål för framtida expeditioner.

Jorden – och dess satellitnavigeringskonstellationer – bör förbli i sikte av Lunar Pathfinder under större delen av testerna. Huvudutmaningen kommer att vara att övervinna den begränsade geometrin hos satellitnavigeringssignaler som alla kommer från samma del av himlen, tillsammans med den låga signaleffekten.

Lunar Pathfinders demonstration av att markbundna satellitnavigeringssignaler kan användas för att navigera i månbanor kommer att vara ett viktigt tidigt steg i ESA:s månskensinitiativ. Stöds av tre ESA-direktorat, moonlight kommer att fortsätta att etablera en Lunar Communication and Navigation Service.

"Under det kommande decenniet, ESA har som mål att bidra till att bygga upp en gemensam kommunikations- och navigeringsinfrastruktur för alla månuppdrag baserad på dedikerade månsatelliter, " förklarar Bernhard Hufenbach, hantera kommersialisering och innovationsinitiativ för rymdutforskning vid ESA.

"månsken kommer att tillåta att stödja uppdrag som inte kan använda jordens satellitnavigeringssignaler, såsom landare på andra sidan och planerar att täcka den nuvarande klyftan mot de behov som uttrycks av Global Exploration-gemenskapen, inriktning på positioneringsnoggrannhet under 50 meter."

Förutom att underlätta månutforskning, dessa satellitnavigeringssignaler kan en dag bli ett verktyg för vetenskapen i sin egen rätt, Begagnade, till exempel, att utföra reflektometri över månytan; ljuda den knappa dammiga "exosfären" som omger månen eller genom att ge en gemensam tidsreferenssignal över månen, att användas för fundamental fysik eller astronomiexperiment.

Så förutom att markera en första i historien om satellitnavigering, Javier noterar att Lunar Pathfinders satnav-experiment kommer att få större konsekvenser:"Detta kommer att bli den första demonstrationen någonsin av GPS- och Galileo-mottagning i månens omloppsbana, öppna dörren till ett komplett sätt att navigera rymdfarkoster i rymden, möjliggör mänsklig utforskning av månen."