La version de test d’un récepteur de navigation par satellite unique a été livrée pour des tests d’intégration sur le vaisseau spatial Lunar Pathfinder. Le récepteur de navigation par satellite NaviMoon est conçu pour effectuer la correction de positionnement la plus éloignée de la Terre, en utilisant des signaux qui seront des millions de fois plus faibles que ceux utilisés par nos smartphones ou nos voitures.
« Ce modèle d’ingénierie de notre récepteur NaviMoon est le tout premier élément matériel à être produit dans le cadre de l’initiative moonlight de l’ESA, pour développer des services de télécommunications et de navigation dédiés pour la lune », explique Javier Ventura-Traveset, chef du Bureau des sciences de la navigation de l’ESA. et la gestion de toutes les activités de navigation lunaire de l’ESA.
« Il sera embarqué à bord de la mission Lunar Pathfinder en orbite autour de la lune, d’où il effectuera le relevé de positionnement de navigation par satellite le plus éloigné jamais réalisé, à plus de 400 000 km avec une précision de moins de 100 m. Cela représente un extraordinaire défi d’ingénierie, car à une telle distance, les faibles signaux Galileo et GPS qu’il utilise seront à peine distinguables du bruit de fond. Cette démonstration impliquera un véritable changement de paradigme pour la navigation en orbite lunaire.
Le Lunar Pathfinder de la taille d’une machine à laver est construit dans le cadre d’une mission commerciale par Surrey Satellite Technology Ltd, SSTL, au Royaume-Uni. L’ESA finance des charges utiles invitées, notamment le récepteur NaviMoon de 1,4 kg qui sera installé à côté de l’émetteur principal en bande X du vaisseau spatial qui le relie à la Terre.
« Recevoir du matériel physique pour une mission est toujours fantastique », remarque Lily Forward, ingénieur système SSTL. « Ce récepteur de modèle d’ingénierie sera intégré à notre version » FlatSat Test Bed « de la mission pour tester tous nos systèmes communiquent et fonctionnent correctement ensemble, avant de recevoir le récepteur et l’antenne du modèle de vol plus tard cette année. »
Il s’agira de la première mission à part entière de SSTL au-delà de la Terre, ajoute-t-elle : « Jetant les bases de nombreuses missions scientifiques qui suivront, Lunar Pathfinder est un satellite de relais de communication, destiné à desservir les actifs à la fois du côté proche et du côté éloigné, en orbite dans une « orbite gelée lunaire elliptique » pour une couverture prolongée au-dessus du pôle Sud – un objectif particulier pour l’exploration future. Ensuite, à intervalles réguliers, nous orienterons le vaisseau spatial vers la Terre pour tester le récepteur NaviMoon.
Les relevés de position Satnav du récepteur seront comparés à la télémétrie radio conventionnelle effectuée à l’aide de l’émetteur en bande X de Lunar Pathfinder ainsi qu’à la télémétrie laser effectuée à l’aide d’un rétroréflecteur fourni par la NASA et développé par la société KBR.
« Ce sera la première fois que ces trois techniques de télémétrie seront utilisées ensemble dans l’espace lointain », explique Pietro Giordano, ingénieur en navigation à l’ESA. « Il existe un long héritage de télémétrie laser lunaire, remontant aux missions Apollo, et le rétroréflecteur que nous utilisons est une évolution de l’orbiteur de reconnaissance lunaire de la NASA. La combinaison de toutes les techniques de télémétrie améliorera davantage l’estimation de l’orbite, potentiellement au-delà de ce que la radio la gamme peut atteindre.
« En principe, cela pourrait signifier que les futures missions pourraient se diriger vers la lune de manière autonome en utilisant uniquement les signaux de navigation par satellite sans l’aide du sol. »
Trouver des signaux de navigation ultra-faibles
Les signaux de navigation par satellite utilisés ici sur Terre sont déjà extrêmement faibles, ce qui équivaut à une seule paire de phares de voiture qui brille dans toute l’Europe. Au moment où ces signaux atteignent la lune après avoir traversé des distances de plus de 20 fois plus loin encore, s’atténuant dans l’espace comme les ondulations d’une pierre éclaboussé dans l’eau.
« Ajoutant à la difficulté, les constellations de navigation par satellite ne sont pas conçues pour émettre dans l’espace mais pour garder leurs antennes face à la Terre », ajoute Pietro. « Nous dépendons donc de signaux de ‘lobe latéral’ beaucoup plus faibles, comme la lumière provenant des côtés d’une lampe de poche. Pour pouvoir utiliser ces signaux, nous nous sommes tournés vers un spécialiste de la navigation par satellite spatiale, dont les techniques de traitement du signal ont vraiment prouvé l’ingrédient magique. »
SpacePNT, basé en Suisse, a supervisé la conception du récepteur NaviMoon. « Nous avons commencé à travailler sur l’idée de positionner la navigation par satellite à distance lunaire dès 2013 comme une sorte de défi scientifique », explique Cyril Botteron, à la tête de l’entreprise.
« La combinaison des signaux Galileo à double fréquence avec ceux des satellites GPS existants est ce qui a commencé à le rendre faisable. Bien que, avec l’extrême sensibilité qui est exigée, l’autre gros problème est que depuis la lune, tous les satellites satnav sont dans le même géométrie étroite du ciel autour de la Terre, tournant périodiquement hors de vue. »
La solution proposée par SpacePNT s’appuie sur plus d’un demi-siècle d’exploration lunaire. La société a installé un modèle logiciel dynamique de toutes les forces agissant sur le satellite dans le récepteur, y compris les influences gravitationnelles de la lune, de la Terre, du soleil et des planètes ainsi que la très légère poussée de la lumière solaire elle-même – la pression de rayonnement solaire – ainsi que des facteurs tels que l’erreur d’horloge et la direction du signal radio.
Cyril explique : « Lorsque nous subissons une accélération donnée, le récepteur peut juger qu’il se trouve très probablement à un point particulier de son orbite. Habituellement, un récepteur de navigation par satellite a besoin des signaux de quatre satellites pour déterminer sa position, mais avec cette approche, encore moins de quatre signaux est encore assez pour obtenir des informations utiles, contraignant le modèle à minimiser toute dérive d’erreur. »
European Engineering & Consultancy, EECL, au Royaume-Uni, a été chargé de transformer la conception de SpacePNT en matériel entièrement testé, en concevant en outre l’amplificateur à faible bruit crucial qui filtre le bruit pour amplifier les signaux utilisables.
« L’amplificateur est un diplexeur personnalisé haut de gamme couvrant les bandes de navigation par satellite à double fréquence, réglé à la main en utilisant les meilleurs composants possibles et intégrant la technologie de dissipateur de chaleur pour réduire davantage les bruits indésirables », déclare Ben Kieniewicz, fondateur d’ECCL.
« En plus de contribuer à d’autres aspects de la conception, nous avons également construit, testé et livré le récepteur à SSTL, en utilisant notre zone d’assemblage et de test de salle blanche qualifiée pour l’espace. »
Crédit : ESA
Lunar Pathfinder sera prêt à être lancé fin 2024, offrant des services proches, lointains, orbitaux et polaires aux missions lancées dans les années à venir, jetant les bases d’une constellation de satellites combinés de télécommunications et de navigation autour de la lune.
« Notre initiative au clair de lune propose le placement initial de trois à quatre satellites en orbite lunaire, offrant au moins cinq heures consécutives de service sur 24 heures, concentrées sur le pôle sud lunaire où la plupart des missions sont initialement prévues », ajoute Javier. « Notre système est conçu pour être extensible et l’idée est d’agrandir progressivement la constellation, et très probablement d’inclure également des balises de surface sur la lune. Cela permettra une couverture complète sur la surface lunaire, une plus grande disponibilité et d’excellentes précisions – une excellente opportunité pour L’Europe . »