La Lune : Aller là où aucun Satnav n’est allé auparavant

L'éclaireur lunaire

Impression d’artiste du satellite Lunar Pathfinder de Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) qui fournira des services de communication autour de la Lune. Crédit : SSTL

La version d’essai d’un récepteur de navigation par satellite unique en son genre a été livrée pour être testée sur le vaisseau spatial Lunar Pathfinder. Le récepteur de navigation par satellite NaviMoon est conçu pour effectuer le positionnement le plus éloigné de la Terre, en utilisant des signaux des millions de fois plus faibles que ceux utilisés par nos téléphones portables ou nos voitures.

“Ce modèle d’ingénierie de notre récepteur NaviMoon est la toute première pièce de matériel à être produite dans le cadre de l’initiative Moonlight de l’ESA, qui vise à développer des services de télécommunications et de navigation dédiés à la Lune”, explique Javier Ventura-Traveset, chef du bureau scientifique de navigation de l’ESA et responsable de toutes les activités de navigation lunaire de l’ESA.

Récepteur NaviMoon et amplificateur à faible bruit

La version d’essai d’un récepteur de navigation par satellite unique a été livrée pour les tests d’intégration sur le vaisseau spatial Lunar Pathfinder de SSTL. Le récepteur de navigation par satellite NaviMoon est conçu pour effectuer le positionnement le plus éloigné de la Terre, en utilisant des signaux qui seront des millions de fois plus faibles que ceux utilisés par nos smartphones ou nos voitures. Le récepteur de 1,4 kg est relié à l’amplificateur à faible bruit qui repère et amplifie les signaux à un niveau utilisable. Crédit : SSTL

“Il sera embarqué à bord du Lunar Pathfinder Il sera placé sur une orbite autour de la Lune, d’où il effectuera le positionnement par satellite le plus éloigné jamais réalisé, à plus de 400 000 km de distance, vers une station d’observation de la Lune. précision Cela représente un défi technique extraordinaire, 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.”

Voyage lunaire et service téléphonique à domicile

Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL), Goonhilly Earth Station (GES) et l’Agence spatiale européenne (ESA) ont signé un accord de collaboration pour des services commerciaux de soutien aux missions lunaires lors du Space Symposium de Colorado Springs aujourd’hui. Ce partenariat commercial innovant pour l’exploration vise à développer une infrastructure européenne de télécommunications et de navigation lunaire, y compris la livraison de charges utiles et de nanosats en orbite lunaire. Crédit : SSTL

Le Lunar Pathfinder, de la taille d’une machine à laver, est construit comme une mission commerciale par Surrey Satellite Technology Ltd, SSTLau Royaume-Uni. L’ESA finance les charges utiles invitées, dont le récepteur NaviMoon de 1,4 kg qui sera logé à côté de l’émetteur principal en bande X de l’engin spatial qui le relie à la Terre.

“Recevoir du matériel physique pour une mission est toujours fantastique”, remarque Lily Forward, ingénieur système du SSTL. “Ce récepteur modèle d’ingénierie sera intégré dans notre version ‘FlatSat Test Bed’ de la mission pour tester que tous nos systèmes communiquent et fonctionnent ensemble correctement, avant de recevoir le récepteur et l’antenne modèle de vol plus tard cette année.”

Lunar Pathfinder relaiera les communications des missions orbitales et de surface

Lunar Pathfinder relaiera les communications des missions orbitales et de surface. Crédit : SSTL

Il s’agira de la première mission à part entière de SSTL au-delà de la Terre, ajoute-t-elle : Posant les bases des nombreuses missions scientifiques qui lui succéderont, Lunar Pathfinder est un satellite relais de communication, destiné à desservir les ressources de la face proche et de la face lointaine, en orbite sur une “orbite lunaire elliptique gelée” pour une couverture prolongée du pôle Sud – un point d’intérêt particulier pour l’exploration future. Ensuite, à intervalles réguliers, nous orienterons le vaisseau spatial vers la Terre pour tester le récepteur NaviMoon.”

Les positions obtenues par le récepteur Satnav seront comparées à des mesures radio conventionnelles effectuées à l’aide de l’émetteur en bande X de Lunar Pathfinder, ainsi qu’à des mesures laser réalisées à l’aide d’un rétroréflecteur fourni par l’Agence spatiale européenne. NASA et développé par le KBR société.

Station de télémétrie laser à Tenerife Laser vert

La station de télémétrie laser de l’ESA à Ténériffe pointe son laser vert vers le ciel. Crédit : ESA

“Ce sera la première fois que ces trois techniques de télémétrie seront utilisées ensemble dans l’espace lointain”, explique Pietro Giordano, ingénieur de navigation de l’ESA. “Il existe une longue tradition de télémétrie laser lunaire, qui remonte aux missions Apollo, et le rétroréflecteur que nous utilisons est une évolution du système de reconnaissance lunaire de la NASA.Orbiter. La combinaison de toutes les techniques de télémétrie améliorera encore l’estimation de l’orbite, potentiellement au-delà de ce que la télémétrie radio peut réaliser.

“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 aucune aide du sol.”

Trouver des signaux de navigation par satellite ultra-faibles

Les signaux de navigation par satellite utilisés ici sur Terre sont déjà extrêmement faibles, équivalents à une seule paire de phares de voiture éclairant toute l’Europe. Lorsque ces signaux atteignent la Lune, ils ont franchi des distances plus de 20 fois plus grandes encore, s’atténuant dans l’espace comme les ondulations d’une pierre éclaboussée dans l’eau.

Les signaux du

Les satellites de navigation – tels que le Galileo européen, le GPS américain, le Glonass russe ou leurs équivalents japonais, chinois et indiens – dirigent leurs antennes directement vers la Terre. Tout satellite en orbite au-dessus de ces constellations ne peut espérer détecter que les signaux provenant de la face cachée de la Terre, mais la majorité d’entre eux sont bloqués par la planète. Pour obtenir une position fixe, un récepteur de navigation par satellite a besoin qu’un minimum de quatre satellites soient visibles, mais cela n’est la plupart du temps pas possible si l’on se base uniquement sur les signaux de face. À la place, les récepteurs de navigation par satellite situés sur des orbites plus élevées peuvent utiliser les signaux émis latéralement par les antennes de navigation, dans ce que l’on appelle les “lobes latéraux”. À l’instar d’une lampe de poche, les antennes radio émettent de l’énergie aussi bien sur les côtés que directement vers l’avant. Crédit : ESA

“Pour ajouter 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 sommes donc tributaires de signaux “lobes latéraux” beaucoup plus faibles, comme la lumière qui jaillit des côtés d’une lampe de poche. Pour pouvoir utiliser ces signaux, nous nous sommes tournés vers un spécialiste de la navigation par satellite dans l’espace, dont les techniques de traitement des signaux se sont avérées être l’ingrédient magique.”

L'équipe de réception du SSTL

Test des modèles d’ingénierie du récepteur NaviMoon et de l’amplificateur à faible bruit à SSTL avant les tests d’intégration. Les modèles de vol du récepteur et de l’amplificateur seront livrés plus tard en 2022. Crédit : SSTL

SpacePNTbasé en Suisse, a supervisé la conception du récepteur NaviMoon. “Nous avons commencé à travailler sur l’idée d’un positionnement par satellite à distance lunaire en 2013, comme une sorte de défi scientifique”, explique Cyril Botteron, qui dirige l’entreprise.

“C’est la combinaison des signaux bi-fréquence de Galileo avec ceux des satellites GPS existants qui a commencé à rendre la chose réalisable. Bien que, en plus de l’extrême sensibilité exigée, l’autre grand problème est que, depuis la Lune, tous les satellites de navigation se trouvent dans la même géométrie étroite du ciel autour de la Terre, tournant périodiquement hors de vue.”

Atterrissage du grand atterrisseur logistique européen

Les satellites de navigation lunaire permettront à terme de guider les alunissages. Cette image montre la configuration du chargement de l’European Large Logistics Lander, qui livre des fournitures et même des rovers ou des robots à la surface de la Lune pour les astronautes dans le cadre du programme Artemis de la NASA. Crédit : ESA/ATG-Medialab

La solution proposée par SpacePNT s’appuie sur plus d’un demi-siècle d’exploration lunaire. La société a installé dans le récepteur un modèle logiciel dynamique de toutes les forces agissant sur le satellite, 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 radiation solaire – et 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 fixer sa position, mais avec cette approche, même moins de quatre signaux suffisent pour obtenir des informations utiles, en contraignant le modèle à minimiser toute dérive d’erreur.”

European Engineering & ; Consultancy, EECLau Royaume-Uni, s’est vu confier la tâche de transformer la conception de SpacePNT en matériel entièrement testé, en plus de la conception de l’amplificateur à faible bruit crucial qui filtre le bruit pour augmenter les signaux utilisables.

“L’amplificateur est un diplexeur personnalisé haut de gamme couvrant les deux bandes de fréquence de la navigation par satellite, réglé à la main à l’aide des meilleurs composants possibles et intégrant la technologie des dissipateurs thermiques pour réduire davantage le bruit indésirable”, explique Ben Kieniewicz, fondateur de l’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 salle blanche d’assemblage et de test qualifiée pour l’espace.zone.”

Infographie sur la navigation au clair de lune

L’initiative Moonlight de l’ESA consiste à étendre la couverture de la navigation par satellite et les liaisons de communication vers la Lune. La première étape consiste à démontrer l’utilisation des signaux actuels de navigation par satellite autour de la Lune. Cet objectif sera atteint avec le satellite Lunar Pathfinder en 2024. Le principal défi sera de surmonter la géométrie limitée des signaux de navigation par satellite provenant tous de la même partie du ciel, ainsi que la faible puissance des signaux. Pour surmonter cette limitation, la deuxième étape, le cœur du système Moonlight, comprendra des satellites de navigation lunaire dédiés et des balises de surface lunaire fournissant des sources de distance supplémentaires et une couverture étendue. Crédit : ESA-K Oldenburg

Lunar Pathfinder sera prêt à être lancé à la fin de l’année 2024, offrant des services côté proche, côté lointain, orbite et polaire aux missions lancées dans les années à venir, posant ainsi les bases d’une constellation de satellites combinés de télécommunications et de navigation autour de la Lune.

“Notre initiative Moonlight propose le placement initial de trois à quatre satellites en orbite lunaire, offrant au moins cinq heures consécutives de service par 24 heures, en se concentrant 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’élargir progressivement la constellation, et très probablement d’inclure également des balises de surface sur la Lune. Cela permettra une couverture complète de la surface lunaire, une plus grande disponibilité et d’excellentes précisions – une grande opportunité pour l’Europe.”

À propos de Moonlight

Moonlight est l’initiative de l’Agence visant à établir un lien durable avec la Lune en développant des services de télécommunications et de navigation lunaires, contribuant ainsi à l’exploration future.

L’ESA proposera la création d’une constellation de satellites de télécommunications et de navigation en orbite lunaire pour approbation par les ministres des États membres de l’ESA lors du Conseil de l’Agence au niveau ministériel à la fin de 2022.

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