Warum es so schwierig ist, zum Mond zu navigieren

Navigationsgeräte zum Funktionstest in den Weltraum zu schicken ist keine echte Option. Die Tests wären sehr teuer, schlecht kontrollier- oder wiederholbar und ein Sicherheitsrisiko, die Belastung für die Umwelt gar nicht in Betracht gezogen. Die Alternative, lunare Navigationssysteme für ihren Einsatz im All zu qualifizieren, ist die Simulation. Das zu testende System steht tatsächlich im Labor, durch die Versorgung mit errechneten Signalen befindet es sich jedoch vermeintlich im All und kann auf seine Funktionsfähigkeit hin überprüft werden. Der Simulator muss in der Lage sein, die Realität in allen Details nachzubilden und dabei programmierbare Schwierigkeiten für das Gerät im Test einbauen. Dabei bietet die Simulation der Mondumgebung für PNT- Systeme (PNT = Positioning, Navigation and Time) besondere Herausforderungen.

Mondmissionen

Sechs der 17 Apollo-Missionen der US-amerikanischen Raumfahrtagentur NASA brachten 1969 bis 1972 insgesamt 12 Astronauten auf den Mond. Außer den US-Amerikanern haben Russland, China, Indien und Japan Missionen zum Mond durchgeführt, wobei die Apollo-Missionen bislang die letzten Landungen von Menschen auf dem Mond waren. Es gab bemannte Flüge um den Mond, unbemannte Lander (stationäre Systeme mit Forschungsaufgaben), Rover (unbemannte Fahrzeuge) oder Orbiter – Satelliten, die aus einem Mondorbit heraus Beobachtungen sammeln und an Bodenstationen auf der Erde schicken.

Die Mondmissionen haben das Ziel, die Oberfläche und die Ressourcen des Mondes zu analysieren und ihn in der Zukunft zu nutzen, hauptsächlich als Basis für die weitere Erforschung des Weltraumes.

Allgemeine Voraussetzungen für die Mondnavigation

In den Jahren 2020 bis Anfang 2024 gab es neun Mondmissionen, teilweise, wie bei der Artemis 1 Mission, mit Sekundärlasten, zusätzlichen Forschungssystemen, die Platz gefunden haben. Häufig gab es Probleme, die Mission erfolgreich zu beenden. Landungen konnten nicht wie geplant durchgeführt werden, die Verbindung aus der Ferne ging verloren. Kommunikation und Navigation bei Mondmissionen sind unter den derzeitigen Voraussetzungen problematisch.

Der Mond bietet andere Voraussetzungen als die Erde. Seine Masse ist kleiner, daher ist seine Anziehungskraft geringer. Mit etwa einem Viertel des Durchmessers der Erde ist er ein im Vergleich zu anderen Monden großer Trabant. Sein Gravitationsfeld verursacht auf der Erde Ebbe und Flut, umgekehrt beeinflussen die Erde und andere Himmelskörper den Mond. Er hat eine unregelmäßigere elliptische Form, als es sein Anblick von der Erde vermuten lässt. Die Mondoberfläche weist Tiefebenen, Hochländer, Krater und Rillen auf, wobei der höchste Gipfel ca. 16 km über den tiefsten Punkt ragt. Gerade der Südpol des Mondes, der besonders im Fokus zukünftiger Mondmissionen steht, weil dort größere Wasservorkommen vermutet werden, ist sehr zerklüftet. Das erschwert eine sichere Landung und den Empfang von Navigations- und Kommunikationssignalen.

Es gibt kein mondumfassendes Magnetfeld, aber Bereiche von bis zu mehreren Hundert Kilometern Größe, in denen ein starkes Magnetfeld existiert. Es gibt nur wenige stabile Mondumlaufbahnen für Satelliten oder Raumstationen, die den Mond umkreisen. Der Mond hat keine Atmosphäre, die Signale auf ihrem Weg beeinflussen könnte, keinen Wind und keine Staubwolken (jedenfalls so lange keine Landungen stattfinden). Im Gegenzug ist seine Oberfläche der Wärme der Sonne und den Sonnenstürmen ungeschützter und länger ausgeliefert. Unser Monat entspricht einem Mondtag, das bedeutet für die Mondoberfläche 14 Erd-Tage von der Sonne bestrahlt zu werden. Dabei wird sie bis zu ca. +130°C warm, auf der Nachtseite bis zu etwa -170°C kalt.

Die Satelliten von GPS, Galileo oder Glonass umkreisen die Erde in einer Distanz von ca. 20000 Kilometern. Der Mond ist auf seinem Orbit im Mittel 384400 Kilometer von der Erde entfernt, also 19 Mal so weit. Die Sendeantennen der Satelliten sind auf die Erde gerichtet. Den Mond erreichen seitlich abgestrahlte und wenige rückwärts abgestrahlte Signale, und Signale von Satelliten, die sich auf der anderen Seite der Erdkugel befinden. Deren Navigationsnachricht ist durch den Erdschatten beschränkt und muss zum Teil durch die Atmosphäre und eventuell zweimal durch die Ionosphäre. Kurz gesagt erreichen die Navigationssignale den Mond sehr schwach und fehlerbehaftet.

LunaNet, das Kommunikations- und Navigationsnetz für den Mond, soll für sichere Mondmissionen sorgen.

Welche Referenz wird für die Zeit auf dem Mond verwendet?

Um eine direkte Relation zwischen UTC (Universal Time Coordinated), der gemeinsamen Zeitbasis auf der Erde, und der Zeit des Mondes herzustellen, muss ein sinnvolles Zeitsystem für den Mond definiert werden. Durch die unterschiedlichen Gravitationsfelder von Erde und Mond gibt es relativistische Verschiebungen. Irdische Uhren würden auf dem Mond ohne Anpassung um etwa 50 Mikrosekunden pro Tag schneller laufen als auf der Erde.

Welcher geometrische Bezugsrahmen wird für die Positionierung verwendet?

Der Koordinaten-Bezugsrahmen, der sich an der Erdachse orientiert, ist für die Positionierung auf dem Mond nicht hilfreich. Wissenschaftler werden ein lunares Bezugssystem festlegen, das auf dem Mondmodell basiert. Definiert werden muss auch der Übergang zwischen den Erd- und den Mond-Koordinaten. Dies ist für die Navigation zum Mond (wann wechselt eine Mission den Bezugsrahmen?) und für die Kommunikation zwischen den Systemen auf der Erde und auf dem Mond erforderlich.

Welche Systeme werden für das PNT auf dem Mond verwendet?

Federführend für Entwurf und Überarbeitung der standardisierten Definitionen des Mond-Systems für Navigation, Zeit und Kommunikation, LunaNet, sind die NASA und die ESA. An der Ausführung arbeiten Raumfahrtbehörden vieler Nationen gemeinsam mit internationalen Partnern und Industrien. Ziel ist ein System, dessen Komponenten unterschiedlicher Herkunft problemlos als Knotenpunkte im Netz zusammenarbeiten. Bestandteile des LunaNet werden Bodenstationen auf der Erde, Satelliten in Mondumlaufbahnen bestückt mit Uhren und Kommunikationssystemen, Systeme auf der LOP-G (Lunar Orbital Platform-Gateway von NASA, ESA, JAXA, CSA und MBRSC) und Systeme auf der Mondoberfläche sein.

Navigations- und Timing-Aufgaben soll innerhalb des LunaNet der sogenannte Lunar Augmented Navigation Service (LANS) übernehmen. Das Konzept ähnelt dem unserer GNSS-Systeme, verteilte Satelliten in einem Mondorbit senden standardisierte Informationen. Programme verschiedener Raumfahrtorganisationen tragen derzeit dazu bei: die NASA LCRNS (Lunar Communications Relay and Navigation Systems) Satelliten, die JAXA LNSS (Lunar Navigation Satellite System) Satelliten und die ESA Moonlight LCNS (Lunar Communications and Navigation Services) Satelliten.

Unsere terrestrischen GNSS-Signale (GNSS = Global Navigation Satellite System) können auf dem Mond nur in abgeschwächter Form empfangen werden. Trotz dieser Einschränkungen werden die Signale der irdischen GNSS-Systeme eine wichtige Referenz für die Mondsysteme bilden.

Testanforderungen der Mond-Navigationsgeräte

Die Technologien für die Mondnavigation werden in den nächsten Jahren anspruchsvoller und vielfältiger werden. Zu den Navigationsgeräten gehören:

• GNSS-Empfänger für den Einsatz auf LNS-Satelliten (LNS: Lunar Navigation Satellite)
• GNSS/LNS-Empfänger für den Einsatz beim Mondtransfer
• LNS-Empfänger für den Einsatz auf der Mondoberfläche
• LNS-Empfänger für den Einsatz in der Mondumlaufbahn

Ein Live-Test kommt für diese Geräte nicht in Frage, sie müssen für alle denkbaren Problemsituationen qualifiziert ins All geschickt werden. Für die realistische Darstellung der Signalumgebung und möglicher Störfaktoren wird eine sehr durchdachte Simulation benötigt.

Vorteile von Testszenarien im Labor

Ein hochwertiger GNSS-Simulator bietet eine umfassende Kontrolle über Satellitenkonstellationen und ihre Signale. Durch die Zusammenarbeit mit den Betreibern von Satelliten-Navigations-Systemen wie GPS oder Galileo ist sichergestellt, dass der Simulator die Signale ausstrahlt, die zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort tatsächlich empfangen werden können. Auch zukünftige Signale können bereits zum Test verwendet werden. Mit den programmierbaren Umgebungsbedingungen kann das Test-System Schwierigkeiten aller Art ausgesetzt werden – kontrolliert, wiederholbar und effizient.

Die Simulation in extremen GNSS-Bereichen

Die Entwicklung, Prüfung und Qualifizierung der Empfängerleistung an den äußersten Rändern des Bereiches, in dem die GNSS-Signale noch empfangen werden können, ist keine triviale Aufgabe. Neben anderen Schlüsselkriterien müssen diese Simulatoren in der Lage sein, die sehr niedrige empfangene RF-Signalstärke, die Besonderheiten der eigentlich unbeabsichtigt abgestrahlten Signal-Backlobes und -Sidelobes (rückwärts und seitwärts abgestrahlte Signale), die Empfangsmuster der Antenne des Navigationsempfängers, die Erd- und Mondverdunkelung, Verzögerungen oder Verschiebungen des Trägersignals zum eigentlichen Code und Reichweiten und Signalankunftswinkel aus mehreren GNSS-Quellen genau nachzubilden und zu simulieren.

Die Modellierung der Mondbahndynamik

Die Modellierung des Mondorbits für Satelliten, die den Mond umkreisen, erfordert andere mathematische Formeln als für erdgebundene Systeme. Die Faktoren, die die Umlaufbahnen beeinflussen – die ungleichmäßige Anziehungskraft des Mondes, Störungen durch andere Himmelskörper sowie der Druck der Sonnenstrahlung und weitere Kräfte – sind in der Mondumlaufbahn anders. Modelle, die von der Erde abgeleitet sind, wären für präzise Tests nicht geeignet und könnten zu erheblichen Fehlern in der Flugbahn der Satelliten und folglich zu unrealistischen Testbedingungen führen.

Verstärkungsmuster der Empfangsantennen (Gain Patterns)

Neu entwickelte Satelliten und Antennen, die für den Einsatz auf dem Mond bestimmt sind, weisen maßgeschneiderte Verstärkungsmuster auf. Werden im kabelgebundenen Test Standard-Verstärkungsmuster für die Empfänger-Antennen verwendet, würde die Realitätsnähe der Tests beeinträchtigt. Der Simulator muss demnach die Gain Patterns des Empfängers im Test darstellen können.

Atmosphärische Abschwächung

Wie bei LEO-Anwendungen (LEO = Low Earth Orbit) sind dünnschalige Ionosphärenmodelle für Mondtests nicht geeignet. Beim Test von Mondanwendungen ist für eine realistische Modellierung der Signalausbreitung eine weitere Verfeinerung nötig, da Signale die Ionosphäre zweimal durchqueren können, bevor sie den Mond erreichen.

LNS-Signalerzeugung (LNS = Lunar Navigation Signal)

Die Möglichkeit, neue Signalstrukturen, Frequenzen und Inhalte zu erforschen und zu erproben, wird im Mittelpunkt der Definition des LNS-SIS stehen. Dieses neue LNS-Signal könnte eng an die bestehenden modernisierten GNSS-Signale angelehnt sein, möglicherweise aber auch nicht. Daher wird es für die Entwickler von LNS-Sendern und -Empfängern wichtig sein, diese neuen Signale schnell, einfach und vollständig modellieren zu können.

Bewältigung der Testherausforderungen für Mondanwendungen mit Spirent und SpacePNT

Spirent und SpacePNT haben sich zusammengetan, um SimORBIT zu entwickeln, ein Tool, mit dem realistische LEO-Umlaufbahnen in einer Simulationsumgebung erzeugt werden können. Dieses Tool kombiniert das Fachwissen von SpacePNT in Bezug auf das Verständnis und die Nachbildung von Weltraumumgebungen mit dem von Spirent als etabliertem Marktführer für GNSS- und zusätzlicher PNT-Simulationstechnologie.

Die gute Zusammenarbeit und der Wissenstransfer zwischen den beiden Unternehmen versetzen Spirent in die einzigartige Position, Projekte zur Mondnavigation unterstützen zu können. Einschlägige Erfahrungen und Technologien umfassen:

Entwicklung von NaviMoon

NaviMoon ist ein GNSS-Empfänger für Anwendungen auf dem Mond, der im Rahmen eines NAVISP-Projekts entwickelt wurde, das kurz vor dem Abschluss steht. Er wird auf der Lunar Pathfinder-Mission von SSTL eingesetzt, an der die ESA maßgeblich beteiligt ist.

Damit NaviMoon eine ausreichende Anzahl von GNSS-Satelliten erfassen und verfolgen kann, ist er auf die Nebenkeulen der GNSS-Sendemuster angewiesen. Der Test des Empfängers erforderte eine Modellierung des Verstärkungsmusters nicht nur in Bezug auf die Elevation, sondern auch in Bezug auf den Azimut – da die Verstärkung bei einer bestimmten Elevation nicht konstant ist – unter Verwendung von detaillierten Kenntnissen der Satellitenhöhe und der Orbitmodelle. NaviMoon kann Signale bis zu C/N₀ = 12 dB/Hz verarbeiten und wurde ausgiebig mit einem Spirent GSS9000 GNSS-Simulator getestet.

Benutzerdefinierte Signalerzeugung

Die auf den GNSS-Simulatoren von Spirent verfügbaren FLEX- und SimIQ-Funktionen ermöglichen die Erstellung von Nicht-SIS-ICD-Signalen mit derselben Hardware wie bei Standard-GNSS. Mit FLEX können Ingenieure ein bestehendes GNSS-Signal (z. B. NaVIC S-Band) verwenden und die Chipping-Rate, BOC, Navigationsnachricht und mehr ändern, um mit dem Signaldesign zu experimentieren. Mit SimIQ können Ingenieure externe IQ-Dateien verwenden, die neu definierte Signale enthalten, und diese durch die einzigartige Architektur von Spirent erzeugen. Ob für die Erstellung neuer Signale oder für das Testen nachgelagerter Mondanwendungen, die diese neuen Signale nutzen werden, FLEX und SimIQ bieten ultimative Testmöglichkeiten.

Quellen und weitere Informationen:

Spirent Brochure: Enabling Lunar Navigation MCD00479 Issue 1-00
Download: https://nextcloud.lange-electronic.com/s/mpX5qSBMipTfmFj

NASA: LunaNet Interoperability Specification
https://www.nasa.gov/directorates/somd/space-communications-navigation-program/lunanet-interoperability-specification/

Antoine Grenier, Pietro Giordano, Lorenzo Bucci, Alexander Cropp, Paolo Zoccarato, Richard Swinden, Javier Ventura-Traveset: Positioning and Velocity Performance Levels for Lunar Lander using Dedicated Lunar Communication and Navigation System
https://navi.ion.org/content/navi/69/2/navi.513.full.pdf

Molli, Serena, Tartaglia, Pasquale, Audet, Yoann, Sesta, Andrea, Plumaris, Michael, Melman, Floor, Swinden, Richard, Giordano, Pietro, Ventura-Traveset, Javier, "Navigation Performance of Low Lunar Orbit Satellites Using a Lunar Radio Navigation Satellite System," Proceedings of the 36th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2023), Denver, Colorado, September 2023, pp. 4051-4083.
https://doi.org/10.33012/2023.19370

Giordano, Pietro, Swinden, Richard, Gramling, Cheryl, Crenshaw, Juan, Ventura-Traveset, Javier, "LunaNet Position, Navigation, and Timing Services and Signals, Enabling the Future of Lunar Exploration," Proceedings of the 36th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2023), Denver, Colorado, September 2023, pp. 3577-3588.
https://doi.org/10.33012/2023.19345

Melman, F.T.; Zoccarato, P.; Orgel, C.; Swinden, R.; Giordano, P.; Ventura-Traveset, J. LCNS Positioning of a Lunar Surface Rover Using a DEM-Based Altitude Constraint. Remote Sens. 2022, 14, 3942. https://doi.org/10.3390/rs14163942

Dr. Utra Defke, GFZ Potsdam: Magnetfeld auf dem Mond ist Überbleibsel eines uralten Kerndynamos (2020) https://www.uni-potsdam.de/de/nachrichten/detail/2020-10-20-magnetfeld-auf-dem-mond-ist-ueberbleibsel-eines-uralten-kerndynamos