Инженеры космической связи и навигации NASA оценивают потребности в навигации для программы «Артемида» (Artemis), в том числе определяются с возможностями точной навигации, необходимой для установления первого устойчивого присутствия на лунной поверхности.
По мнению штатовских специалистов, лунные миссии дают возможность протестировать и усовершенствовать новые методы космической навигации. Луна может служить испытательным полигоном, который расширяет наш навигационный инструментарий для более отдалённых направлений, таких как Марс, например».
В конечном счёте, исследовательским миссиям требуется надёжное сочетание возможностей для обеспечения доступности, отказоустойчивости и целостности, требуемых на месте от навигационной системы. Вот некоторые из методов навигации, которые анализируются в рамках программы:
Радиометрия, оптиметрика и лазерная альтиметрия измеряют расстояния и скорость, используя свойства электромагнитных передач.
Инженеры измеряют время, необходимое передаче для достижения космического аппарата, и делят его на скорость передачи — скорость света.
Эти точные измерения были основой космической навигации с момента запуска первого спутника, обеспечивая точное и надёжное измерение расстояния между передатчиком и приёмником космического аппарата. Одновременно можно наблюдать скорость изменения скорости космического аппарата между передатчиком и космическим аппаратом из-за эффекта Доплера.
Радиометрия и оптиметрика измеряют расстояния и скорость между космическим аппаратом и наземными антеннами или другими космическими аппаратами, используя их радиолинии и инфракрасные оптические линии связи соответственно. В лазерной альтиметрии и космической лазерной локации космический аппарат или наземный телескоп отражают лазеры от поверхности небесного тела или специально предназначенного отражателя для определения расстояний.
Методы оптической навигации основаны на изображениях с камер космического аппарата. Существует три основных направления оптической навигации.
Оптическая навигация на основе звёзд использует для навигации яркие небесные объекты, такие как звёзды, луны и планеты. Инструменты используют эти объекты для определения ориентации космических аппаратов и могут определять их расстояние от объектов, используя углы между ними.
По мере приближения космического аппарата к небесному телу объект начинает заполнять поле зрения камеры. Затем инженеры-навигаторы определяют расстояние космического аппарата от тела, используя его оконечность — видимый край тела — и центроид, или геометрический центр.
При максимальном сближении космического корабля Terrain Relative Navigation использует изображения с камеры и компьютерную обработку для определения известных особенностей поверхности и расчёта курса космического аппарата на основе местоположения этих особенностей в эталонных моделях или изображениях.
Американское аэрокосмическое агентство разрабатывает возможности, которые позволят миссиям на Луну использовать сигналы созвездий ГНСС. Эти сигналы могут улучшить синхронизацию, повысить точность позиционирования и помочь автономным навигационным системам в окололунных и лунных пространствах.
Автономное навигационное программное обеспечение использует такие измерения, как радиометрия, астрономическая навигация, альтиметрия, навигация относительно местности и ГНСС, для выполнения навигации на борту без контакта с операторами или объектами на Земле, что позволяет космическим аппаратам маневрировать независимо от наземных диспетчеров миссии. Этот уровень автономии позволяет реагировать на динамичную космическую среду.
Автономная навигация может быть полезна для исследования дальнего космоса, где задержка связи может затруднить навигацию на месте. Например, миссии на Марс должны ждать от восьми до 48 минут для связи с Землей в обе стороны в зависимости от динамики орбиты. Во время критических маневров космическим кораблям требуется немедленное принятие решений, которое может обеспечить автономное программное обеспечение.
LunaNet — коммуникационная и навигационная архитектура, разработанная в рамках программы Space Communications and Navigation (SCaN).