A geração Artemis de exploradores lunares estabelecerá uma presença humana sustentada na Lua, prospectando recursos, fazendo descobertas revolucionárias e provando tecnologias essenciais para a futura exploração do espaço profundo.
Para apoiar essas ambições, os engenheiros de navegação da NASA do programa Space Communications and Navigation (SCaN) estão desenvolvendo uma arquitetura de navegação que fornecerá serviços de Posição, Navegação e Tempo (PNT) precisos e robustos para as missões Artemis . Os sinais do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) serão um componente dessa arquitetura. O uso do GNSS em órbita alta da Terra e no espaço lunar melhorará o tempo, permitirá manobras precisas e responsivas, reduzirá custos e até permitirá a determinação autônoma de órbita e trajetória a bordo.
Sistema Global de Navegação por Satélite
GNSS refere-se às constelações de satélites PNT operadas pelos EUA, União Europeia, Rússia, China, Índia e Japão. GPS, a constelação PNT criada pela Força Aérea dos Estados Unidos, é provavelmente o exemplo com o qual a maioria dos americanos está familiarizada.
Na Terra, os sinais GNSS permitem a navegação e fornecem tempo preciso em aplicativos críticos como bancos, transações financeiras, redes de energia, redes celulares, telecomunicações e muito mais. No espaço, as espaçonaves podem usar esses sinais para determinar sua localização, velocidade e tempo, o que é crítico para as operações da missão.
“Estamos expandindo as maneiras como usamos os sinais GNSS no espaço”, disse o Diretor Adjunto de Política e Comunicações Estratégicas do SCaN, JJ Miller, que coordena as atividades do PNT em toda a agência. “Isso fortalecerá a NASA enquanto a agência planeja a exploração humana da Lua como parte do programa Artemis”.
As espaçonaves próximas à Terra há muito confiam nos sinais GNSS para dados PNT. A nave espacial em órbita baixa da Terra abaixo de cerca de 1.800 milhas (3.000 km) de altitude pode calcular sua localização usando sinais GNSS da mesma forma que os usuários em terra podem usar seus telefones para navegar.
Isto proporciona enormes benefícios a estas missões, permitindo a muitos satélites autonomia para reagir e responder a imprevistos em tempo real, garantindo a segurança da missão. Os receptores GNSS também podem evitar a necessidade de um relógio caro a bordo e simplificar as operações terrestres, o que pode economizar dinheiro para missões. Além disso, a precisão do GNSS pode ajudar as missões a fazerem medições precisas do espaço.
Expandindo o Volume do Serviço Espacial
Além de 1.800 milhas de altitude, a navegação com GNSS se torna mais desafiadora. Essa extensão de espaço é chamada de Volume de Serviço Espacial, que se estende de 1.800 milhas até cerca de 22.000 milhas (36.000 km), ou órbita geossíncrona. Em altitudes além das próprias constelações GNSS, os usuários devem começar a confiar nos sinais recebidos do lado oposto da Terra.
Do lado oposto do globo, a Terra bloqueia muitos dos sinais GNSS, então a espaçonave no Volume do Serviço Espacial deve, em vez disso, “ouvir” os sinais que se estendem pela Terra. Esses sinais se estendem em um ângulo das antenas GNSS.
Formalmente, a recepção GNSS no Volume do Serviço Espacial depende de sinais recebidos em cerca de 26 graus do sinal mais forte das antenas. No entanto, a NASA teve um sucesso notável usando sinais de lóbulo lateral GNSS mais fracos - que se estendem em um ângulo ainda maior a partir das antenas - para navegação dentro e além do Volume do Serviço Espacial.
Desde a década de 1990, os engenheiros da NASA trabalharam para entender as capacidades desses lobos laterais. Em preparação para o lançamento do primeiro satélite meteorológico Geoestacionário Operacional Ambiental-R em 2016, a NASA se esforçou para documentar melhor a força e a natureza dos lobos laterais para determinar se o satélite poderia atender aos requisitos do PNT.
"Por meio da medição em órbita e documentação das capacidades do lóbulo lateral do GNSS, as missões futuras poderiam ter certeza de que suas necessidades de PNT seriam atendidas", disse Frank Bauer, que iniciou o esforço de PNT GNSS no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland . “Nossa compreensão desses padrões de sinal revelou uma série de novos aplicativos GNSS em potencial”.
Os especialistas em navegação de Goddard fizeram a engenharia reversa das características das antenas dos satélites GPS, observando os sinais do espaço. Ao estudar os sinais dos satélites recebidos dos lobos laterais do GPS, os engenheiros juntaram sua estrutura e força. Usando esses dados, eles desenvolveram modelos detalhados dos padrões de radiação de satélites GPS em um esforço chamado de Experimento de Caracterização de Antena GPS .
Enquanto documentava essas características, a NASA explorou a viabilidade de usar sinais do lobo lateral para navegação bem fora do que havia sido considerado o Volume do Serviço Espacial e no espaço lunar. Nos últimos anos, a Missão Multiescala Magnetosférica (MMS) chegou a determinar com sucesso sua posição usando sinais de GPS a distâncias quase na metade do caminho até a Lua .
GNSS na Lua
Para aproveitar o sucesso do MMS, os engenheiros de navegação da NASA têm simulado a disponibilidade do sinal GNSS perto da lua. A pesquisa indica que esses sinais GNSS podem desempenhar um papel crítico nas ambiciosas iniciativas de exploração lunar da NASA, fornecendo exatidão e precisão sem precedentes.
“Nossas simulações mostram que o GPS pode ser estendido a distâncias lunares simplesmente aumentando os sistemas de navegação GPS de alta altitude existentes com antenas de alto ganho em espaçonaves de usuário”, disse o engenheiro de navegação da NASA Ben Ashman. “O GPS e o GNSS podem desempenhar um papel importante nas próximas missões Artemis, desde o lançamento até as operações na superfície lunar”.
Enquanto o MMS dependia exclusivamente do GPS, a NASA está trabalhando em uma abordagem interoperável que permitiria às missões lunares tirar proveito de várias constelações ao mesmo tempo. As espaçonaves próximas à Terra recebem sinais suficientes de uma única constelação PNT para calcular sua localização. No entanto, em distâncias lunares os sinais GNSS são menos numerosos. Simulações mostram que o uso de sinais de várias constelações melhoraria a capacidade das missões de calcular sua localização de forma consistente.
Para provar e testar esta capacidade na Lua, a NASA está planejando o Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE), desenvolvido em parceria com a Agência Espacial Italiana. O LuGRE voará em uma das missões do Commercial Lunar Payload Services da NASA. Essas missões dependem de empresas americanas para entregar cargas lunares que avançam as tecnologias de exploração e ciência.
A NASA planeja pousar o LuGRE na bacia do Mare Crisium , na Lua, em 2023. Lá, o LuGRE deverá obter a primeira correção GNSS na superfície lunar. O LuGRE receberá sinais do GPS e do Galileo, o GNSS operado pela União Europeia. Os dados coletados serão usados para desenvolver sistemas operacionais lunares GNSS para futuras missões à Lua.
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