Madrid. La NASA pretende explorar los límites de los sistemas de posicionamiento y navegación global por satélites en la órbita terrestre (GNSS), a fin de extender su aplicación al espacio lunar.

Para respaldar la presencia humana sostenida en la Luna de la misión Artemisa, los ingenieros del programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales (SCaN) de la agencia estadunidense desarrollan una arquitectura de navegación que proporcionará servicios precisos y sólidos de posición, navegación y cronometraje (PNT) para dichos viajes.

Las señales del sistema global de navegación por satélite serán un componente de esa arquitectura.

El uso de GNSS en la órbita terrestre alta y en el espacio lunar mejorará la sincronización, permitirá maniobras precisas y receptivas, reducirá los costos e incluso permitirá la determinación autónoma de la órbita y la trayectoria a bordo, informó la NASA.

Ese sistema global de navegación se refiere a las constelaciones de satélites PNT operadas por Estados Unidos, Unión Europea, Rusia, China, India y Japón. El GPS, creado por la Fuerza Aérea estadunidense, es probablemente el ejemplo más popular.

En la Tierra, las señales GNSS permiten la navegación y proporcionan una sincronización precisa en aplicaciones críticas como banca, transacciones financieras, redes eléctricas, redes celulares, telecomunicaciones y más. En el espacio, las naves pueden usarlas para determinar su ubicación, velocidad y tiempo, lo cual es fundamental para las operaciones de la misión.

Las naves espaciales cercanas a la Tierra se han basado durante mucho tiempo en las señales GNSS para obtener datos de posición, navegación y cronometraje. Las naves en órbita terrestre baja por debajo de unos 3 mil kilómetros de altitud pueden estimar su ubicación por medio de esas señales del mismo modo que los usuarios en tierra podrían utilizar sus teléfonos.

Los receptores GNSS también pueden anular la necesidad de un costoso reloj a bordo y simplifican las operaciones en tierra, lo que puede ahorrar dinero a las misiones. Además, su precisión puede ayudar a tomar medidas precisas desde el espacio.

Más desafiante

Más allá de 3 mil kilómetros de la Tierra, la navegación con GNSS se vuelve más desafiante. Esta extensión de espacio se llama Volumen del Servicio Espacial, que se extiende hasta 36 mil kilómetros, u órbita geosincrónica. En altitudes más allá de las constelaciones de GNSS, los usuarios deben comenzar a confiar en las señales recibidas desde el lado opuesto de la Tierra.

Desde el lado opuesto del globo, la Tierra bloquea gran parte de las señales GNSS, por lo que las naves espaciales del Volumen de Servicio Espacial deben, en cambio, “escuchar” las que se extienden sobre el planeta, lo que hacen en ángulo desde las antenas GNSS.

Formalmente, la recepción de esas señales en ese servicio se basa en las recibidas dentro de unos 26 grados de la señal más fuerte de las antenas. Sin embargo, la NASA ha tenido gran éxito al utilizar las de lóbulos laterales GNSS más débiles, que se extienden en un ángulo aún mayor desde las antenas, para la navegación dentro y más allá de ese espacio.

Desde los años 90, los ingenieros de la NASA trabajan para comprender las capacidades de los lóbulos laterales. En preparación para el lanzamiento del Satélite Ambiental Operativo Geoestacionario-R en 2016, la agencia se esforzó por documentar mejor su fuerza y naturaleza con el propósito de determinar si el satélite podría cumplir con sus requisitos PNT.

“A través de la medición en órbita temprana y la documentación de las capacidades de los lóbulos laterales GNSS, las misiones futuras pueden estar seguras de que se cubrirán sus necesidades de PNT”, explicó Frank Bauer, quien comenzó el esfuerzo de precisión, navegación y cronometraje de ese sistema en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. “Nuestra comprensión de estas pautas de señal reveló posibles aplicaciones”.

Los expertos en navegación de Goddard realizaron ingeniería inversa de las características de las antenas en los satélites GPS al observar las señales desde el espacio. Al estudiar las que los satélites recibieron de los lóbulos laterales de ese sistema, los ingenieros reconstruyeron su estructura y fuerza. Con estos datos, desarrollaron modelos detallados de las pautas de radiación de esos satélites.

Mientras documentaba esas características, la NASA exploró la viabilidad de utilizar señales de lóbulos laterales para la navegación fuera de lo que se había considerado el Volumen del Servicio Espacial y en el espacio lunar. En los años recientes, la Misión Magnetosférica Multiescala (MMS) incluso ha determinado con éxito su posición utilizando señales de GPS a distancias casi a la mitad de la Luna.

Experimento de simulación

Expertos de la NASA han simulado la disponibilidad de señales GNSS cerca de la Luna. Su investigación indica que éstas pueden tener un papel fundamental en sus ambiciosas iniciativas de exploración lunar, proporcionando una exactitud y precisión sin precedente.

“Nuestras simulaciones muestran que el GPS puede extenderse a distancias lunares simplemente aumentando los sistemas de navegación de gran altitud existentes con antenas de mayor ganancia en las naves espaciales de los usuarios”, señaló Ben Ashman, ingeniero de navegación de la NASA. “GPS y GNSS podrían tener un papel importante en las próximas misiones de Artemisa, desde el lanzamiento hasta las operaciones en la superficie lunar”.

Si bien MMS se basó únicamente en GPS, la NASA trabaja hacia un enfoque interoperable que permitiría a las misiones lunares aprovechar múltiples constelaciones a la vez, lo que mejoraría la capacidad de las misiones para calcular su ubicación de manera consistente.

Para probar esta capacidad en la Luna, la agencia estadunidense planea el experimento del receptor lunar GNSS (LuGRE), desarrollado con la Agencia Espacial Italiana. Volará en una de las misiones comerciales de servicios de carga lunar de la NASA.

Se planea que LuGRE alunice en la cuenca Mare Crisium en 2023. Allí se espera que obtenga la primera señal.