Implantando e demonstrando auxílios à navegação na superfície lunar
INSTANTÂNEO
A NASA está desenvolvendo faróis de navegação lunar para serem implantados em espaçonaves ou na superfície lunar para auxiliar na localização e ajudar futuros veículos espaciais a determinar posição, velocidade e tempo com alta precisão.
“Já estamos lá?” é uma pergunta constante em qualquer viagem. À medida que a humanidade expande a sua presença na Lua, perto dela e em torno dela, são necessários novos sistemas para fornecer sinais de navegação semelhantes aos fornecidos pelo Sistema de Posicionamento Global (GPS) na Terra. Para permitir esta capacidade, a NASA está a apoiar a investigação sobre uma série de sensores, arquitecturas e técnicas para fornecer sinais de referência para ajudar naves espaciais e humanos a encontrar o seu caminho.
Lunar Node 1 (LN-1) é um farol de navegação de banda S para aplicações lunares que foi recentemente projetado e construído no Marshall Space Flight Center (MSFC). Como parte da iniciativa Commercial Lunar Payload Services (CLPS) da NASA, este farol está programado para ser entregue à superfície da Lua no módulo lunar NOVA-C da Intuitive Machine na missão IM-1 no início de 2024.
A carga útil é montada perto do convés superior do veículo para fornecer um campo de visão claro para sua antena de volta à Terra.
Crédito da imagem: Máquinas Intuitivas/Nick Rios
Durante esta missão, o objetivo do LN-1 será demonstrar tecnologias de navegação que possam apoiar operações locais de superfície e orbitais ao redor da Lua, permitindo autonomia e diminuindo a dependência de recursos de comunicação baseados na Terra altamente utilizados, como a Deep Space Network da NASA . Para demonstrar essas capacidades, o projeto do LN-1 aproveita os componentes CubeSat, bem como os algoritmos do Sistema de Posicionamento Autônomo Multi-espacial (MAPS) , que permitem o posicionamento autônomo da espaçonave usando medições de navegação. Além de demonstrar os algoritmos MAPS, o rádio do LN-1 também será usado para conduzir rastreamento Doppler baseado em pseudo-ruído (PN), unidirecional e não coerente, para fornecer abordagens alternativas e comparações para desempenho de navegação. Para fornecer uma solução em tempo real semelhante ao GPS, mas no ambiente lunar, múltiplas referências devem estar à vista dos usuários ao mesmo tempo. À medida que esta futura rede de comunicação lunar for implantada, o hardware e as capacidades do LN-1 poderão fazer parte de uma infraestrutura muito maior.
Ao longo do trânsito da Terra para a Lua e durante as operações nominais da superfície lunar, o LN-1 transmitirá seu estado e informações de tempo de volta à Terra. Assim que pousar na superfície lunar, a carga entrará em um período operacional 24 horas por dia, 7 dias por semana, e também fornecerá um sinal de referência de navegação de volta à Terra. Para validar as capacidades do LN-1, estações terrestres DSN serão usadas para capturar medições e medir o desempenho. Após a recepção dos dados do LN-1, carimbos de data e hora de recepção de pacotes de alta precisão serão usados (juntamente com dados atmosféricos para atrasos induzidos) para avaliar uma observação abrangente. Esses dados serão capturados durante múltiplas passagens para calcular o estado de navegação da carga útil durante a missão. A equipe do LN-1 também está fazendo parceria com outros pesquisadores da NASA para coletar observações de interferometria de linha de base muito longa dos sinais de navegação como uma referência de verdade independente.
Este diagrama mostra os caminhos de dados duplos exercidos pela carga útil do LN-1.
O comando operacional primário e o manuseio de dados são feitos por meio de uma conexão física entre a carga útil e o módulo de pouso host.
Usando seu transmissor de bordo, o LN-1 transmitirá seus sinais de navegação de forma independente, fornecendo a hora atual e informações de estado do módulo de pouso por meio de uma solução PN unidirecional de referência, bem como da transmissão de pacotes MAPS.
O tamanho compacto da carga útil do LN-1 pode ser visto nos modelos CAD do LN-1 nas figuras abaixo. A estrutura primária do LN-1 tem aproximadamente 175x220x300 cm de volume e massa de aproximadamente 2,8 kg. A característica dominante do design é a grande superfície superior, que é um radiador. O ambiente quente na superfície lunar, combinado com o calor gerado pelo rádio LN-1 durante a transmissão, exige que o projeto do LN-1 incorpore um radiador para dissipar o calor durante a operação, de modo que uma interface limpa com o veículo hospedeiro seja mantida. Embora a carga útil do LN-1 não tenha sido projetada para sobreviver à noite lunar, ela usa um design modular que pode ser integrado a uma variedade de veículos hospedeiros; se for fornecida geração/armazenamento de energia adequada, o projeto poderá oferecer operação de longo prazo em qualquer local de pouso lunar.
Essas imagens fornecem uma visão interna da carga mostrando os componentes principais: tampa do radiador, adaptador de montagem de antena, transmissor SWIFT SL-X, placa controladora baseada em FPGA e componentes eletrônicos de condicionamento de energia.
Após a conclusão e entrega da carga útil do LN-1, começaram os testes com as estações terrestres operacionais planejadas. Esses testes incluíram testes de compatibilidade de RF entre o DSN e a carga útil do LN-1, bem como testes dos fluxos de dados entre o DSN e o Centro de Suporte de Operações de Huntsville do MSFC. Realizados nas instalações de Desenvolvimento e Teste (DTF)-21 do DSN no início de 2021, esses testes verificaram com sucesso a compatibilidade de RF entre o DSN e a carga útil do LN-1. Especificamente, os testes mostraram que o DSN pode receber sinais de telecomunicações de banda S em todos os modos operacionais planejados necessários para processar telemetria e dados de alcance do LN-1.
Este teste foi importante para caracterizar a estabilidade do tom unidirecional e demonstrar a integração com a rede terrestre DSN para operações de voo.
A equipe do LN-1 está atualmente configurando o sobressalente de voo com um rádio de correspondência de voo e se preparando para realizar outra rodada de testes para capturar dados de estabilidade de longo prazo com receptores terrestres para demonstrar capacidade aprimorada com relógios e algoritmos de geração de sinal aprimorados.
No futuro, esta nova tecnologia e os algoritmos MAPS demonstrados pelo LN-1 poderão permitir a navegação autónoma para recursos lunares. À medida que a NASA investe na infraestrutura de comunicação e navegação ao redor, perto e na Lua, a equipe do LN-1 continua a desenvolver iterações futuras do farol de navegação para apoiar uma ampla cobertura da superfície lunar. A equipe está atualmente amadurecendo as capacidades da carga útil em preparação para avaliações laboratoriais contínuas e demonstrações de campo usando sinais de navegação atualizados, conforme definido para LunaNet. Três capacidades principais serão o foco do desenvolvimento de uma carga útil subsequente ao LN-1:
- Demonstração de navegação entre espaçonaves, fornecendo suporte a veículos operacionais em órbita lunar, atuando como referência terrestre fixa
- A capacidade de sobreviver à noite lunar a bordo da carga útil para demonstrar as tecnologias necessárias para um farol de navegação de longo prazo
- Maturação do sinal para corresponder ao padrão Augmented Forward Signal conforme definido na Especificação de Interoperabilidade LunaNet para integração, operação e compatibilidade com outros ativos e infraestrutura planejados da NASA
LÍDER DE PROJETO
Evan Anzalone e Tamara Statham, NASA Marshall Space Flight Center (MSFC)
ORGANIZAÇÃO PATROCINADORA
Programa de cargas lunares fornecido pela NASA
Fonte e foto capa: Nasa
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