Cooperative radio navigation on the Moon

Abstract

In recent years, interest in missions to the surface of the Moon has been going through a renaissance not seen since the Apollo era. An important consideration for such missions is how to accurately determine the position of objects on the Moon. In addition, mission components should have an understanding of a reference time in order to correlate measurements and plan actions. Currently, these capabilities are provided using different methods on a mission-by-mission basis. As this is inefficient compared to the use of a common approach, there are plans for a satellite constellation providing navigation and timing information, similar to satellite-based systems used for these purposes on Earth. However, a lunar equivalent is expected to have a smaller scale, which leads to a reduced accuracy and availability compared to terrestrial satellite navigation systems. In this context, suggestions have been made for combining a satellite navigation system with swarm navigation, in which entities of a swarm perform measurements between one another in order to estimate their position and clock parameters relative to one another. The goal of such a system is to complement the satellite navigation system with the higher availability and accuracy of the swarm navigation system. In this thesis, we propose and implement such a combined system, which we refer to as a hybrid navigation system. Based on a previous theoretical analysis, we implement a simulation to generate test data and use this data to evaluate our hybrid navigation system’s performance in various scenarios. As a swarm is a distributed system, we describe different algorithms which can be used by the hybrid navigation system in such an environment and evaluate their characteristics. Finally, we note practical considerations relevant for use of a hybrid navigation system and use cases in which such a system may provide benefits compared to satellite navigation only.

In den letzten Jahren ist das Interesse an Missionen zur Oberfläche des Mondes erneut auf ein seit der Apollo-Ära nicht dagewesenes Niveau gestiegen. Missionen dieser Art müssen in der Lage sein, Positionen relevanter Objekte auf der Mondoberfläche akkurat zu bestimmen und sollten fähig sein, auf eine standardisierte Zeit zuzugreifen. Heutzutage werden diese Funktionalitäten meist mittels verschiedener Methoden für jede Mission unabhängig voneinander bereitgestellt. Da dies jedoch verglichen mit einem standardisierten Ansatz sehr ineffizient ist, gibt es Vorschläge, ein Satelliten-basiertes System, ähnlich den für Navigation auf der Erde genutzten Systemen, für den Mond aufzubauen. Dabei ist jedoch zu erwarten, dass ein solcher Ansatz nicht dieselbe Genauigkeit und Verfügbarkeit erreichen wird wie Systeme für terrestrische Navigation. Vor diesem Hintergrund gibt es Bestrebungen, ein Satelliten-basiertes Navigationssystem mit Schwarmnavigation zu kombinieren, wobei in der Schwarmnavigation Mitglieder eines Schwarms Messungen untereinander vornehmen, um ihre Position und die Parameter ihrer Uhren bezogen aufeinander abzuschätzen. Das Ziel eines solchen kombinierten Systems ist es, Satellitennavigation mithilfe der höheren Verfügbarkeit und Genauigkeit der Schwarmnavigation zu verbessern. In dieser Arbeit erläutern und implementieren wir ein derartiges System, das wir als hybrides Navigationssystem bezeichnen. Basierend auf einer vorhergegangen theoretischen Analyse implementieren wir eine Simulation, mit der wir Daten generieren, die wir verwenden, um das Verhalten unseres hybriden Navigationssystems zu evaluieren. Da ein Schwarm ein verteiltes System ist, beschreiben wir verschiedene Algorithmen, die unter diesen Bedingungen für ein hybrides Navigationssystem in Frage kommen und betrachten ihre jeweiligen Eigenschaften. Darüber hinaus erläutern wir Aspekte eines hybriden Navigationssystems, die für eine praktische Anwendung relevant sind und beschreiben Fälle, in denen die Nutzung eines solchen Systems Vorteile gegenüber einem rein Satelliten-basierten Ansatz hat.