NASA探索Artemis Moon任务的全球导航系统的上限

在Orion接近Gateway的情况下，完整的网关配置的视图。

阿尔Art弥斯一代的月球探险者将在月球上建立持久的人类存在，探寻资源，进行革命性发现，并证明对未来深空探测至关重要的技术。

为了支持这些雄心壮志，来自太空通信与导航（SCaN）计划的NASA导航工程师正在开发一种导航架构，该架构将为Artemis任务提供准确，可靠的位置，导航和计时（PNT）服务。全球导航卫星系统（GNSS）信号将是该架构的组成部分之一。GNSS在高地球轨道和月球空间中的使用将改善时机，实现精确和响应迅速的机动，降低成本，甚至允许自主，机载轨道和轨迹确定。

全球导航卫星系统

GNSS是指由美国，欧盟，俄罗斯，中国，印度和日本运营的PNT卫星星座。GPS（美国空军创建的PNT星座）可能是大多数美国人所熟悉的示例。

在地球上，GNSS信号可在银行，金融交易，电网，蜂窝网络，电信等关键应用中实现导航并提供精确的计时。在太空中，航天器可以使用这些信号来确定其位置，速度和时间，这对任务操作至关重要。

SCaN政策与战略传播副总监J.J.说：“我们正在扩大在太空中使用GNSS信号的方式。”Miller，负责协调整个机构内的PNT活动。“这将使NASA拥有更大的权力，因为该机构计划将人类探索月球作为Artemis计划的一部分。”

长期以来，地球附近的航天器一直依靠GNSS信号获取PNT数据。海拔约1800英里（3000公里）以下的低地球轨道的航天器可以使用GNSS信号来计算其位置，就像地面上的用户可能会使用其手机进行导航一样。

这为这些任务提供了巨大的好处，使许多卫星自治自主地对未预见的事件做出实时反应和响应，从而确保了任务的安全性。GNSS接收器还可以消除对昂贵的机载时钟的需求，并简化了地面操作，这两者都可以节省任务成本。此外，GNSS的准确性可以帮助任务从太空进行精确的测量。

详细描述GNSS覆盖范围不同区域的图形。

海拔超过1800英里后，使用GNSS导航变得更具挑战性。这种广阔的空间称为“空间服务量”，从1,800英里延伸至大约22,000英里（36,000公里），即地球同步轨道。在GNSS星座以外的海拔高度上，用户自身必须开始依赖从地球另一侧接收到的信号。

从地球的另一侧，地球会阻挡许多GNSS信号，因此，太空服务卷中的航天器必须改为“侦听”延伸到地球上的信号。这些信号与GNSS天线成一定角度延伸。

正式而言，太空服务量中的GNSS接收依赖于与天线最强信号相距约26度以内的信号。但是，NASA在使用较弱的GNSS旁瓣信号（与天线成更大角度延伸）以在空间服务量内外导航时取得了显著成功。

自1990年代以来，NASA工程师一直致力于了解这些旁瓣的功能。为了准备在2016年发射第一颗对地静止可操作环境卫星-R天气卫星，NASA努力更好地记录旁瓣的强度和性质，以确定该卫星是否可以满足其PNT要求。

“通过早期的在轨测量和GNSS旁瓣功能的记录，未来的任务可以确保他们的PNT需求得到满足，”在马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心开始GNSS PNT工作的弗兰克·鲍尔（Frank Bauer）说。 。“我们对这些信号模式的了解揭示了许多潜在的新GNSS应用。”

Goddard的导航专家通过观察来自太空的信号，对GPS卫星天线的特性进行了逆向工程。通过研究从GPS旁瓣接收到的卫星信号，工程师们拼凑了它们的结构和强度。他们利用这些数据开发了GPS卫星辐射模式的详细模型，这被称为GPS天线特性实验。

在记录这些特征的同时，NASA探索了使用旁瓣信号进行远距离导航（在被认为是太空服务量范围内和在月球空间中）的可行性。近年来，磁层多尺度任务（MMS）甚至利用距月球近一半距离的GPS信号成功确定了其位置。

这张接近满月的照片是从阿波罗8号航天器在东经70度以上的一点拍摄的。从地球上看，中心附近的圆形深色区域母马克里斯蒂姆（Mare Crisium）位于月球的东边缘附近。

为了基于MMS的成功，NASA导航工程师一直在模拟月球附近的GNSS信号可用性。他们的研究表明，这些GNSS信号可以在NASA雄心勃勃的月球探索计划中发挥关键作用，从而提供前所未有的准确性和精确度。

美国宇航局导航工程师本·阿什曼说：“我们的模拟表明，只需用用户航天器上的高增益天线简单地增强现有的高海拔​​GPS导航系统，就可以将GPS扩展到月球距离。”“ GPS和GNSS在从发射到月球表面操作的即将到来的Artemis任务中都可以发挥重要作用。”

虽然MMS仅依靠GPS，但NASA正在努力开发一种可互操作的方法，该方法将允许登月任务立即利用多个星座。靠近地球的航天器从单个PNT星座接收足够的信号以计算其位置。但是，在月球距离时，GNSS信号较少。仿真表明，使用来自多个星座的信号将提高特派团一致地计算其位置的能力。

为了在月球上证明和测试这种能力，美国宇航局正在计划与意大利航天局合作开发的月球GNSS接收器实验（LuGRE）。LuGRE将执行NASA的商业月球有效载荷服务任务之一。这些任务依靠美国公司来提供月球有效载荷，从而推动科学和探索技术的发展。

NASA计划在2023年将LuGRE登陆月球的Mare Crisium盆地。在那里，LuGRE有望在月球表面获得第一个GNSS定位。LuGRE将从GPS和Galileo（由欧盟运营的GNSS）接收信号。收集到的数据将用于为未来的登月任务开发可运行的月球GNSS系统。