Die Testversion eines einzigartigen Satellitennavigationsempfängers wurde für Integrationstests auf dem Lunar Pathfinder-Raumschiff geliefert. Der NaviMoon-Navigationsempfänger wurde entwickelt, um die bisher am weitesten von der Erde entfernte Positionsbestimmung durchzuführen, wobei Signale verwendet werden, die millionenfach schwächer sein werden als die von unseren Smartphones oder Autos verwendeten.
„Dieses Konstruktionsmodell unseres NaviMoon-Empfängers ist die allererste Hardware, die im Rahmen der Mondlichtinitiative der ESA produziert wird, um spezielle Telekommunikations- und Navigationsdienste für den Mond zu entwickeln“, erklärt Javier Ventura-Traveset, Leiter des Navigation Science Office der ESA und Verwaltung aller Mondnavigationsaktivitäten der ESA.
„Es wird an Bord der Lunar Pathfinder-Mission in eine Umlaufbahn um den Mond geflogen, von wo aus es die am weitesten entfernte Satellitennavigationspositionierung durchführen wird, die jemals gemacht wurde, in einer Entfernung von mehr als 400.000 km mit einer Genauigkeit von weniger als 100 m. Dies ist außergewöhnlich technische Herausforderung, denn auf eine solche Entfernung werden die schwachen Galileo- und GPS-Signale, die es nutzt, kaum vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden sein. Diese Demonstration wird einen echten Paradigmenwechsel für die Navigation in der Mondumlaufbahn bedeuten.“
Der waschmaschinengroße Lunar Pathfinder wird als kommerzielle Mission von Surrey Satellite Technology Ltd, SSTL, in Großbritannien gebaut. Die ESA finanziert Gastnutzlasten dafür, einschließlich des 1,4 kg schweren NaviMoon-Empfängers, der neben dem X-Band-Hauptsender des Raumfahrzeugs untergebracht wird, der es mit der Erde verbindet.
„Physische Hardware für eine Mission zu erhalten, ist immer fantastisch“, bemerkt Lily Forward, SSTL-Systemingenieurin. „Dieser technische Modellempfänger wird in unsere ‚FlatSat Test Bed‘-Version der Mission integriert, um zu testen, ob alle unsere Systeme kommunizieren und richtig zusammenarbeiten, bevor wir den Flugmodellempfänger und die Antenne später in diesem Jahr erhalten.“
Dies wird die erste vollwertige Mission von SSTL außerhalb der Erde sein, fügt sie hinzu: „Lunar Pathfinder ist ein Kommunikations-Relaissatellit, der die Grundlagen für zahlreiche wissenschaftliche Missionen legt, die danach kommen werden, und dazu bestimmt ist, Vermögenswerte sowohl auf der nahen als auch auf der fernen Seite zu bedienen und umkreist eine ‚elliptische gefrorene Mondumlaufbahn‘ für eine längere Abdeckung des Südpols – ein besonderer Schwerpunkt für zukünftige Erkundungen. Dann werden wir das Raumschiff in regelmäßigen Abständen auf die Erde ausrichten, um den NaviMoon-Empfänger zu testen.“
GPS-Positionsfixierungen vom Empfänger werden mit herkömmlichen Funkentfernungsmessungen verglichen, die unter Verwendung des X-Band-Senders von Lunar Pathfinder durchgeführt werden, sowie mit Laserentfernungsmessungen, die unter Verwendung eines Retroreflektors durchgeführt werden, der von der NASA beigesteuert und von der Firma KBR entwickelt wurde.
„Dies wird das erste Mal sein, dass diese drei Entfernungsmessungstechniken zusammen im Weltraum eingesetzt werden“, erklärt ESA-Navigationsingenieur Pietro Giordano. „Es gibt ein langes Erbe der Laserentfernung auf dem Mond, das bis zu den Apollo-Missionen zurückreicht, und der von uns verwendete Retroreflektor ist eine Weiterentwicklung des Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA Reichweite erreichen kann.
„Im Prinzip könnte dies bedeuten, dass sich zukünftige Missionen allein durch Satellitennavigationssignale ohne Hilfe vom Boden autonom zum Mond navigieren könnten.“
Suche nach ultraschwachen Navi-Signalen
Die hier auf der Erde eingesetzten Navigationssignale sind bereits verschwindend schwach, vergleichbar mit einem einzigen Paar Autoscheinwerfer, die in ganz Europa leuchten. Bis diese Signale den Mond erreichen, nachdem sie Entfernungen von mehr als 20-mal weiter zurückgelegt haben, werden sie durch den Weltraum gedämpft wie Wellen von einem Stein, der in Wasser spritzt.
„Zusätzlich zu den Schwierigkeiten sind die Satellitennavigationskonstellationen nicht dafür ausgelegt, in den Weltraum zu senden, sondern ihre Antennen auf die Erde gerichtet zu halten“, fügt Pietro hinzu. „Deshalb sind wir auf viel schwächere ‚Nebenkeulen‘-Signale angewiesen, wie das Licht, das von den Seiten einer Taschenlampe fällt. Um diese Signale nutzen zu können, haben wir uns an einen Spezialisten für weltraumgestützte Satellitennavigation gewandt, dessen Signalverarbeitungstechniken haben wirklich die magische Zutat bewiesen.“
SpacePNT, mit Sitz in der Schweiz, beaufsichtigte das Design des NaviMoon-Empfängers. „Wir begannen 2013 mit der Arbeit an der Idee der Satellitenpositionierung in Monddistanz als eine Art wissenschaftliche Herausforderung“, erklärt Cyril Botteron, Leiter des Unternehmens.
„Die Kombination von Galileo-Zweifrequenzsignalen mit denen der vorhandenen GPS-Satelliten hat begonnen, es möglich zu machen. Obwohl neben der geforderten extremen Empfindlichkeit das andere große Problem darin besteht, dass alle Navigationssatelliten vom Mond aus in der Nähe sind dieselbe schmale Geometrie des Himmels um die Erde herum, die periodisch außer Sichtweite rotiert.“
Die Lösung, die SpacePNT entwickelt hat, nutzt mehr als ein halbes Jahrhundert Monderkundung. Das Unternehmen installierte ein dynamisches Softwaremodell aller Kräfte, die auf den Satelliten einwirken, in den Empfänger, einschließlich der Gravitationseinflüsse von Mond, Erde, Sonne und Planeten sowie des sehr geringen Drucks des Sonnenlichts selbst – des Sonnenstrahlungsdrucks – zusammen mit Faktoren wie Uhrenfehler und die Richtung des Funksignals.
Cyril erklärt: „Wenn wir eine bestimmte Beschleunigung erfahren, kann der Empfänger beurteilen, dass er sich höchstwahrscheinlich an einem bestimmten Punkt seiner Umlaufbahn befindet. Normalerweise benötigt ein Navigationsempfänger Signale von vier Satelliten, um seine Position zu bestimmen, aber bei diesem Ansatz sind es sogar weniger als vier Signale immer noch genug, um nützliche Informationen zu erhalten, wodurch das Modell eingeschränkt wird, um jegliche Fehlerdrift zu minimieren.
European Engineering & Consultancy, EECL, in Großbritannien wurde die Aufgabe übertragen, das Design von SpacePNT in vollständig getestete Hardware umzuwandeln und zusätzlich den entscheidenden rauscharmen Verstärker zu entwickeln, der Rauschen durchsiebt, um nutzbare Signale zu verstärken.
„Der Verstärker ist ein kundenspezifischer High-End-Diplexer, der die Dual-Frequenz-Navigationsbänder abdeckt, handgestimmt unter Verwendung der bestmöglichen Komponenten und mit Kühlkörpertechnologie, um unerwünschtes Rauschen weiter zu reduzieren“, sagt Ben Kieniewicz, Gründer von ECCL.
„Neben anderen Designaspekten haben wir den Empfänger auch gebaut, getestet und an SSTL geliefert, wobei wir unseren weltraumtauglichen Reinraum-Montage- und Testbereich genutzt haben.“
Bildnachweis: ESA
Lunar Pathfinder wird Ende 2024 startbereit sein und Nahseiten-, Fernseiten-, Orbit- und Polardienste für Missionen anbieten, die in den kommenden Jahren gestartet werden, und den Grundstein für eine Konstellation kombinierter Telekommunikations- und Navigationssatelliten rund um den Mond legen.
„Unsere Moonlight-Initiative schlägt die anfängliche Platzierung von drei bis vier Satelliten in der Mondumlaufbahn vor, die mindestens fünf aufeinanderfolgende Betriebsstunden in 24 Stunden bieten und sich auf den Südpol des Mondes konzentrieren, wo die meisten Missionen ursprünglich geplant sind“, fügt Javier hinzu. „Unser System ist so konzipiert, dass es erweiterbar ist, und die Idee ist, die Konstellation schrittweise zu vergrößern und höchstwahrscheinlich auch Oberflächenbaken auf dem Mond einzubeziehen. Dies wird eine vollständige Abdeckung der Mondoberfläche, eine höhere Verfügbarkeit und hervorragende Genauigkeiten ermöglichen – eine großartige Gelegenheit für Europa.“