La NASA planea extender a la Luna las redes de posicionamiento terrestres

La NASA pretende explorar los límites de los sistemas de posicionamiento y navegación global por satélites en la órbita terrestre, GNSS, extendiendo su aplicación al espacio lunar.

Para respaldar la presencia sostenida humana en la Luna del programa Artemisa, los ingenieros del programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales (SCaN) de la NASA están desarrollando una arquitectura de navegación que proporcionará servicios precisos y sólidos de Posición, Navegación y Cronometraje (PNT) para las misiones Artemisa. Las señales del sistema global de navegación por satélite (GNSS) serán un componente de esa arquitectura.

El uso de GNSS en la órbita terrestre alta y en el espacio lunar mejorará la sincronización, permitirá maniobras precisas y receptivas, reducirá los costos e incluso permitirá la determinación autónoma de la órbita y la trayectoria a bordo, informa la NASA. GNSS se refiere a las constelaciones de satélites PNT operadas por EE.UU., Unión Europea, Rusia, China, India y Japón. El GPS, la constelación PNT creada por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, es probablemente el ejemplo más popular.

En la Tierra, las señales GNSS permiten la navegación y proporcionan una sincronización precisa en aplicaciones críticas como banca, transacciones financieras, redes eléctricas, redes celulares, telecomunicaciones y más. En el espacio, las naves espaciales pueden usar estas señales para determinar su ubicación, velocidad y tiempo, lo cual es fundamental para las operaciones de la misión.

Las naves espaciales cercanas a la Tierra se basaron durante mucho tiempo en las señales GNSS para obtener datos PNT. Las naves espaciales en órbita terrestre baja por debajo de unos 3.000 kilómetros de altitud pueden calcular su ubicación utilizando señales GNSS del mismo modo que los usuarios en tierra podrían utilizar sus teléfonos para navegar.

Los receptores GNSS también pueden anular la necesidad de un costoso reloj a bordo y simplifican las operaciones en tierra, lo que puede ahorrar dinero a las misiones. Además, la precisión de GNSS puede ayudar a las misiones a tomar medidas precisas desde el espacio. Más allá de 3.000 kilómetros de la Tierra, la navegación con GNSS se vuelve más desafiante. Esta extensión de espacio se llama Space Service Volume, que se extiende hasta 36.000 kilómetros, u órbita geosincrónica. En altitudes más allá de las constelaciones de GNSS, los usuarios deben comenzar a confiar en las señales recibidas desde el lado opuesto de la Tierra.

Desde el lado opuesto del globo, la Tierra bloquea gran parte de las señales GNSS, por lo que las naves espaciales del Space Service Volume deben, en cambio, "escuchar" las señales que se extienden sobre la Tierra. Estas señales se extienden en ángulo desde las antenas GNSS.

Formalmente, la recepción GNSS en el Space Service Volume se basa en las señales recibidas dentro de unos 26 grados de la señal más fuerte de las antenas. Sin embargo, la NASA tuvo un gran éxito al utilizar señales de lóbulos laterales GNSS más débiles, que se extienden en un ángulo aún mayor desde las antenas, para la navegación dentro y más allá del Space Service Volume.

Desde la década de 1990, los ingenieros de la NASA trabajaron para comprender las capacidades de estos lóbulos laterales. En preparación para el lanzamiento del primer satélite meteorológico Geoostationary Operational Environmental Satellite-R en 2016, la NASA se esforzó por documentar mejor la fuerza y la naturaleza de los lóbulos laterales para determinar si el satélite podría cumplir con sus requisitos PNT.

"A través de la medición en órbita temprana y la documentación de las capacidades de los lóbulos laterales GNSS, las misiones futuras pueden estar seguras de que se cubrirán sus necesidades de PNT", dijo Frank Bauer, quien comenzó el esfuerzo de PNT de GNSS en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. "Nuestra comprensión de estos patrones de señal reveló una serie de posibles nuevas aplicaciones GNSS", añadió.

Los expertos en navegación de Goddard realizaron ingeniería inversa de las características de las antenas en los satélites GPS al observar las señales desde el espacio. Al estudiar las señales que los satélites recibieron de los lóbulos laterales del GPS, los ingenieros reconstruyeron su estructura y fuerza. Con estos datos, desarrollaron modelos detallados de los patrones de radiación de los satélites GPS en un esfuerzo llamado Experimento de Caracterización de Antenas GPS.

Mientras documentaba estas características, la NASA exploró la viabilidad de utilizar señales de lóbulos laterales para la navegación fuera de lo que se había considerado el Volumen del Servicio Espacial y en el espacio lunar. En los últimos años, la Misión Magnetosférica Multiescala (MMS) incluso determinó con éxito su posición utilizando señales de GPS a distancias casi a la mitad de la Luna.

Para aprovechar el éxito de MMS, los ingenieros de navegación de la NASA estuvieron simulando la disponibilidad de señales GNSS cerca de la Luna. Su investigación indica que estas señales GNSS pueden desempeñar un papel fundamental en las ambiciosas iniciativas de exploración lunar de la NASA, proporcionando una exactitud y precisión sin precedentes.

El GPS puede extenderse a distancia lunares

"Nuestras simulaciones muestran que el GPS puede extenderse a distancias lunares simplemente aumentando los sistemas de navegación GPS de gran altitud existentes con antenas de mayor ganancia en las naves espaciales de los usuarios", explicó el ingeniero de navegación de la NASA Ben Ashman. "El GPS y GNSS podrían desempeñar un papel importante en las próximas misiones de Artemisa, desde el lanzamiento hasta las operaciones en la superficie lunar", agregó.

Si bien MMS se basó únicamente en GPS, la NASA está trabajando hacia un enfoque interoperable que permitiría a las misiones lunares aprovechar múltiples constelaciones a la vez. Las naves espaciales cercanas a la Tierra reciben suficientes señales de una sola constelación PNT para calcular su ubicación. Sin embargo, a distancias lunares, las señales GNSS son menos numerosas. Las simulaciones muestran que el uso de señales de múltiples constelaciones mejoraría la capacidad de las misiones para calcular su ubicación de manera consistente.

Para probar esta capacidad en la Luna, la NASA está planeando el Experimento del Receptor Lunar GNSS (LuGRE), desarrollado en asociación con la Agencia Espacial Italiana. LuGRE volará en una de las misiones comerciales de servicios de carga lunar de la NASA.

La NASA planea aterrizar LuGRE en la cuenca Mare Crisium de la Luna en 2023. Allí, se espera que LuGRE obtenga la primera señal GNSS en la superficie lunar. LuGRE recibirá señales tanto de GPS como de Galileo, el GNSS operado por la Unión Europea. Los datos recopilados se utilizarán para desarrollar sistemas operativos GNSS lunares para futuras misiones a la Luna.