Navigazione satellitare anche per le missioni lunari

Il sistema globale di navigazione satellitare, dall’inglese Global Navigation Satellite System, è un sistema di geo-radiolocalizzazione e navigazione terrestre, marittima o aerea, che utilizza una rete di satelliti artificiali in orbita. Questa rete fornisce un servizio di posizionamento geo-spaziale a copertura globale che consente a piccoli ricevitori elettronici di determinare le proprie coordinate geografiche (longitudine, latitudine e altitudine) su un qualunque punto della superficie terrestre o dell’atmosfera con un errore di pochi metri, elaborando segnali a radiofrequenza trasmessi dai satelliti. Fanno parte di questa categoria di satelliti la rete statunitense NAVSTAR Global Positioning System (GPS), la russa GLONASS e l’europea Galileo. La Cina sta lavorando per espandere e rendere globale il proprio sistema di posizionamento Beidou, mentre l’India sta sviluppando IRNSS, un sistema GNSS di nuova generazione.

I satelliti di navigazione, per poter fornire servizi di posizionamento al nostro pianeta, orientano le loro antenne verso il suolo terrestre ma, come spiega Javier Ventura-Traveset, a capo del Galileo Navigation Science Office dell’ESA e coordinatore delle attività di navigazione lunare dell’ESA, «i segnali di navigazione vengono irradiati dalle antenne dei satelliti anche lateralmente, come la luce di una torcia. Alcuni test hanno mostrato che anche le emissioni radio dei lobi laterali delle antenne dei satelliti possono essere utilizzate per il posizionamento, a condizione che siano implementati ricevitori adeguati». Proprio come le persone o le auto sulla Terra, i satelliti nella bassa orbita terrestre fanno affidamento ai segnali del sistema di navigazione satellitare per determinare la loro posizione orbitale, e poiché ESA ha dimostrato che questo sistema è utilizzabile anche dai satelliti in orbita alta, cioè satelliti che orbitano ad altitudini più elevate rispetto a quelli di posizionamento, oggi un numero crescente di satelliti in orbita geostazionaria utilizza questo sistema per rilevare la propria posizione.

Il satellite Lunar Pathfinder, un progetto finanziato con fondi provenienti dal settore pubblico e da aziende private il cui lancio è previsto entro la fine del 2023 per essere immesso in orbita lunare, offrirà servizi di trasmissione dati alle missioni lunari e sfrutterà i segnali dei sistemi di navigazione satellitare terrestre per la localizzazione.

I satelliti di navigazione satellitare orbitano tra i 20.000 e i 23.000 km di altitudine. Se l’orbita geostazionaria è posta a circa 36.000 km di altitudine, la Luna è lontana più di dieci volte, a una distanza media di 384.000 km dalla Terra. Appare molto complesso riuscire a far ricevere al Lunar Pathfinder i segnali dei satelliti di navigazione per poi renderli utilizzabili, tuttavia nel 2019 la NASA con la Magnetospheric Multiscale Mission è riuscita ad acquisire i segnali GPS per eseguire un “fix” e determinare la posizione del satellite posto a 187.166 km di distanza dalla Terra, più o meno alla metà della distanza che separa la Terra dalla Luna.
Per effettuare il “fix”, un ricevitore deve acquisire il segnale dai satelliti e poi decodificare il contenuto del messaggio di navigazione. Quando il ricevitore riesce a ricevere dati da almeno 4 satelliti, allora sarà in grado di calcolare la propria posizione.

Javier aggiunge: «questa prova sperimentale ci rende fiduciosi. Il Lunar Pathfinder verrà dotato di un ricevitore che avrà una sensibilità notevolmente migliorata rispetto a quello installato sul satellite Magnetospheric Multiscale, e sarà dotato di un’antenna satellitare ad alto guadagno che sarà in grado di ricevere i segnali Galileo e GPS».

L’antenna principale di questo ricevitore ad alta sensibilità è stata sviluppata dal programma General Support Technology dell’ESA, con l’unità principale del ricevitore sviluppata tramite NAVISP, il programma di supporto e innovazione per la navigazione dell’ESA. Il progetto del ricevitore è guidato dall’ingegnere ESA Pietro Giordano, secondo il quale «il ricevitore ad alta sensibilità sarà in grado di rilevare segnali molto deboli, milioni di volte più deboli di quelli ricevuti sulla Terra. L’uso di filtri orbitali avanzati consentirà di ottenere in piena autonomia un’accuratezza della determinazione dell’orbita senza precedenti». Il ricevitore di Lunar Pathfinder è progettato per raggiungere una precisione di posizionamento di circa 100 metri.

La disponibilità della navigazione satellitare consentirà di eseguire la Precise Orbit Determination anche per i satelliti lunari. Attualmente l’analisi dell’orbita dei satelliti in orbita lunare viene eseguita tramite segnali radio emessi verso spazio profondo da stazioni terrestri. La dimostrazione che verrà avviata con Lunar Pathfinder diverrà una pietra miliare nella navigazione lunare poiché questo nuovo approccio consentirà di aumentare l’autonomia dei veicoli spaziali migliorando l’accuratezza delle rilevazioni di posizione.

Mentre le orbite lunari sono spesso instabili, poiché i satelliti in orbita bassa sono sottoposti alle influenze generate dalle concentrazioni di massa bitorzoluta o mascons che compongono la Luna, Lunar Pathfinder è progettato per adottare un’orbita ellittica altamente stabile, focalizzata sul polo sud lunare, uno dei principali obiettivi delle spedizioni future. La Terra e i satelliti delle costellazioni di navigazione satellitare dovrebbero rimanere in vista di Lunar Pathfinder per la maggior parte dei test. La sfida principale sarà superare la ridotta geometria dei segnali di navigazione satellitare che giungeranno con bassa potenza e dalla stessa direzione del cielo. La dimostrazione che i segnali della navigazione satellitare terrestre potranno essere utilizzati per navigare le orbite lunari sarà un importante passo iniziale nell’iniziativa Moonlight dell’ESA; Moonlight permetterà la creazione di un servizio di comunicazione e navigazione lunare.

«Nel prossimo decennio, l’ESA mira a contribuire alla costruzione di un’infrastruttura di comunicazione e navigazione comune per tutte le missioni lunari basata su satelliti lunari dedicati», spiega Bernhard Hufenbach, responsabile delle iniziative di commercializzazione e innovazione per l’esplorazione spaziale presso l’ESA. «Moonlight consentirà di supportare missioni che non possono utilizzare i segnali del navigatore satellitare terrestre, come i lander sul lato opposto della Luna, e sta pianificando di coprire l’attuale divario rispetto alle esigenze espresse dalla comunità di Global Exploration, mirando a una precisione di posizionamento inferiore a 50 metri».

L’esperimento della navigazione satellitare di Lunar Pathfinder avrà importanti ricadute. La ricezione in orbita lunare dei segnali forniti dai satelliti GPS e Galileo aprirà le porte a un nuovo ed innovativo metodo di gestione della navigazione dei veicoli spaziali nello spazio profondo e agevolerà l’esplorazione umana della Luna.

Fonte: ESA