Los ingenieros de la NASA analizan las necesidades de navegación de las misiones de Artemis

Ilustración del Gateway en órbita lunar de la NASA y un sistema de aterrizaje humano en órbita alrededor de la Luna.
Crédito: NASA.

Los ingenieros de navegación y comunicaciones espaciales de la NASA están evaluando las necesidades de navegación del programa Artemis, incluida la identificación de las capacidades de navegación de precisión necesarias para establecer la primera presencia sostenida en la superficie lunar.

“Artemis nos invita a aplicar soluciones de navegación creativas, eligiendo la combinación correcta de capacidades para cada misión”, dijo Cheryl Gramling, jefa asociada de tecnología en la División de Análisis de Sistemas e Ingeniería de Misiones en el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Greenbelt, Maryland. “La NASA tiene una multitud de herramientas de navegación a su disposición, y Goddard tiene medio siglo de experiencia navegando en misiones de exploración espacial en órbita lunar”.

Junto con las capacidades de navegación probadas, la NASA utilizará tecnologías de navegación innovadoras durante las próximas misiones de Artemis.

“Las misiones lunares brindan la oportunidad de probar y perfeccionar nuevas técnicas de navegación espacial”, dijo Ben Ashman, ingeniero de navegación de Goddard. “La Luna es un lugar fascinante para explorar y puede servir como campo de pruebas que amplíe nuestro conjunto de herramientas de navegación para destinos más distantes como Marte”.

En última instancia, las misiones de exploración necesitan una combinación sólida de capacidades para proporcionar la disponibilidad, la resistencia y la integridad necesarias de un sistema de navegación in situ. Algunas de las técnicas de navegación que se analizan para Artemis incluyen:

Radiometría, Optimetría y Altimetría Láser
El altímetro láser Lunar Orbiter (LOLA) a bordo del Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) envía pulsos láser a la superficie de la Luna desde la nave espacial en órbita. Estos pulsos rebotan en la Luna y regresan a LRO, proporcionando a los científicos mediciones de la distancia desde la nave espacial a la superficie lunar. Mientras LRO orbita la Luna, LOLA mide la forma de la superficie lunar, que incluye información sobre las elevaciones y pendientes de la superficie de la Luna. Esta imagen muestra las laderas que se encuentran cerca del Polo Sur de la Luna.
Créditos: NASA / LRO.

La radiometría, la optimetría y la altimetría láser miden distancias y velocidades utilizando las propiedades de las transmisiones electromagnéticas. Los ingenieros miden el tiempo que tarda una transmisión en llegar a una nave espacial y lo dividen por la velocidad de desplazamiento de la transmisión: la velocidad de la luz.

Estas mediciones precisas han sido la base de la navegación espacial desde el lanzamiento del primer satélite, proporcionando una medición precisa y confiable de la distancia entre el transmisor y el receptor de la nave espacial. Simultáneamente, se puede observar la tasa de cambio en la velocidad de la nave espacial entre el transmisor y la nave espacial debido al efecto Doppler.

La radiometría y la optimetría miden las distancias y la velocidad entre una nave espacial y las antenas terrestres u otras naves espaciales utilizando sus enlaces de radio y enlaces de comunicaciones ópticas infrarrojas, respectivamente. En la altimetría láser y el alcance láser espacial, una nave espacial o un telescopio terrestre refleja los láseres de la superficie de un cuerpo celeste o un reflector especialmente designado para calcular las distancias.

Navegación óptica

Las técnicas de navegación óptica se basan en imágenes de cámaras en una nave espacial. Hay tres ramas principales de la navegación óptica.

  • La navegación óptica basada en estrellas utiliza objetos celestes brillantes como estrellas, lunas y planetas para la navegación. Los instrumentos usan estos objetos para determinar la orientación de las naves espaciales y pueden definir su distancia de los objetos usando los ángulos entre ellos.
  • Cuando una nave espacial se acerca a un cuerpo celeste, el objeto comienza a llenar el campo de visión de la cámara. Luego, los ingenieros de navegación derivan la distancia de la nave espacial al cuerpo utilizando su extremidad, el borde aparente del cuerpo, y el centroide o centro geométrico.
  • En la aproximación más cercana de una nave espacial, la Navegación Relativa del Terreno utiliza imágenes de la cámara y procesamiento por ordenador para identificar características conocidas de la superficie y calcular el curso de la nave espacial en función de la ubicación de esas características en modelos o imágenes de referencia.
GPS de señal débil y GNSS
Ilustración del módulo de aterrizaje Blue Ghost de Firefly Aerospace en la superficie lunar. El módulo de aterrizaje llevará un conjunto de 10 investigaciones científicas y demostraciones de tecnología a la Luna en 2023 como parte de la iniciativa Commercial Lunar Payload Services (CLPS) de la NASA.
Créditos: Firefly Aerospace.

La NASA está desarrollando capacidades que permitirán a las misiones lunares aprovechar las señales de las constelaciones del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) como el GPS de E.E.U.U. Estas señales, que ya se utilizan en muchas naves espaciales en órbita terrestre, mejorarán la sincronización, la precisión de posicionamiento y ayudarán a los sistemas de navegación autónomos en el espacio cislunar y lunar.

En 2023, el Experimento del Receptor Lunar GNSS (LuGRE), desarrollado en asociación con la Agencia Espacial Italiana, demostrará y perfeccionará esta capacidad en la cuenca del Mare Crisium de la Luna. LuGRE volará en una misión de servicios de carga útil lunar comercial, entregada por Firefly Aerospace de Cedar Park, Texas. La NASA utilizará los datos recopilados de LuGRE para perfeccionar los sistemas operativos GNSS lunares para futuras misiones.

Autonomous Navigation

El software de navegación autónoma aprovecha mediciones como radiometría, navegación celeste, altimetría, navegación relativa al terreno y GNSS para realizar la navegación a bordo sin contacto con operadores o activos en la Tierra, lo que permite que las naves espaciales maniobren independientemente de los controladores de misiones terrestres. Este nivel de autonomía permite una capacidad dinámica de respuesta al entorno espacial.

La navegación autónoma puede ser particularmente útil para la exploración del espacio profundo, donde el retraso de las comunicaciones puede dificultar la navegación in situ. Por ejemplo, las misiones en Marte deben esperar de ocho a 48 minutos para las comunicaciones de ida y vuelta con la Tierra, dependiendo de la dinámica orbital. Durante las maniobras críticas, las naves espaciales necesitan la toma de decisiones inmediata que puede proporcionar el software autónomo.

Servicios de navegación LunaNet
Recreación artística de los astronautas de Artemis utilizando los servicios LunaNet en la Luna, un enfoque único para las comunicaciones y la navegación lunares. La arquitectura de navegación y comunicaciones de LunaNet permitirá la navegación de precisión requerida para misiones tripuladas a la Luna y colocará a nuestros astronautas más cerca de sitios lunares científicamente significativos, mejorando la producción científica de nuestras misiones.
Créditos: NASA / Resse Patillo.

LunaNet es una arquitectura de navegación y comunicaciones única desarrollada por el programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales (SCaN) de la NASA. Los estándares, protocolos y requisitos de interfaz comunes de LunaNet, extenderán la interconexión a la Luna, ofreciendo una flexibilidad y acceso a datos sin precedentes.

Para la navegación, el enfoque de LunaNet ofrece independencia operativa y mayor precisión al combinar muchos de los métodos anteriores en una arquitectura perfecta. LunaNet proporcionará a las misiones acceso a mediciones clave para una navegación de precisión en el espacio lunar.